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تاريخ التسجيل : 01/07/2009
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العمل : مدير منتدى هندسة الإنتاج والتصميم الميكانيكى
 |  موضوع: مشروع تخرج بعنوان Design and Construction of a Cnc Cutting Machineby Plasma for Steel Sheets Up to 10mm in Thickness الخميس 15 يوليو 2021, 12:57 am | |
| 
أخوانى فى الله
أحضرت لكم
مشروع تخرج بعنوان
Design and Construction of a Cnc Cutting Machineby Plasma for Steel Sheets Up to 10mm in Thickness
Project Prior to Obtaining the Engineering Title in Mechatronic.
Maya Alejandra Suntaxi Álava
Director: Ing. José Gustavo Beltrán Benalcázar, Msc
D.m. Quito
International University of Ecuador
Faculty of Exact Sciences and Technologies
Applied
School of Mechatronic Engineering
Universidad Internacional Del
Ecuador
Facultad De Ciencias Exactas Y Tecnologías
Aplicadas
Escuela De Ingeniería Mecatrónica
Diseño Y Construcción De Una Máquina Cnc Cortadora
Por Plasma Para Planchas De Acero De Hasta 10mm De
Espesor.
Proyecto Previo a La Obtención Del Título De Ingeniera en
Mecatrónica.
Maya Alejandra Suntaxi Álava
Director: Ing. José Gustavo Beltrán Benalcázar, Msc
D.m. Quito
و المحتوى كما يلي :
Index of Contents
Chapter I
Plasma Cutting Computerized Numerical Control Machines 1
1.1 TOPIC. 1
1.2 OBJECTIVES OF THE INVESTIGATION. 1
1.2.1 GENERAL OBJECTIVE. 1
1.2.2 SPECIFIC OBJECTIVES 1
1.3 HYPOTHESIS 2
1.4 THEORETICAL FRAMEWORK. two
1.4.1 CNC PLASMA CUTTING MACHINE 2
1.4.2 CNC SYSTEM 3
1.4.2.1 Composition of the CNC system. 3
1.4.2.2 Operation of the CNC system. 4
1.4.3 CODE G 5
1.4.4 PLASMA 6
1.4.5 CUTTING BY PLASMA 6
1.4.5.1 Advantages of Plasma Cutting 7
1.4.5.2 Disadvantages of Plasma Cutting 9
1.4.6 TYPES OF CUTTING BY PLASMA. 9
1.4.6.1 Air plasma cutting 9
1.4.6.2 Cutting with oxygen injection. 10
1.4.6.3 Double Flow Cut 10
1.4.7 PLASMA CUTTING WITH COMPRESSED AIR 11
1.4.8 TORCH FOR PLASMA CUTTING. 12
1.4.8.1 Nozzles or Nozzle. 13
1.4.8.2 Consumable Parts 14
1.5 STATE OF THE ART 14
CHAPTER II ANALYSIS AND SELECTION OF ALTERNATIVES FOR THE ELEMENTS AND SYSTEMS
WHICH MAKE UP THE CNC PLASMA CUTTING MACHINE 17
2.1 QFD DEPLOYMENT OF THE QUALITY FUNCTION. 17
2.1.1 HOUSE OF QUALITY. 17
2.1.2 HOUSE OF QUALITY CNC PLASMA CUTTING MACHINE 18
2.1.2.1 Voice of the User. twenty
2.1.2.2 Voice of the Engineer. twenty
2.1.2.3 Competitive Evaluation. twenty-one
2.1.2.4 Priority and Correlation Result Quality House 22
2.2 FUNCTIONAL ANALYSIS 23
2.2.1 MODULE 1 27
2.2.2 MODULE 2 28
2.2.3 MODULE 3 33
2.3 MORPHOLOGICAL MATRIX 33
2.4 SELECTION METHOD: WEIGHTED WASTE MATRIX 36
2.4.1 EVALUATION OF THE SPECIFIC WEIGHTS OF THE DIFFERENT
SOLUTIONS FOR EACH CRITERION. 37
2.4.2 PRIORITY TABLE 39
CHAPTER III
DESIGN AND SELECTION OF EQUIPMENT AND SYSTEMS. 41
3.1 MECHANICAL DESIGN. 41
3.1.1 Z AXIS DESIGN 42
3.1.1.1 Selection of Linear Bearings 43
3.1.1.1.1 Static Load 43
3.1.1.1.2 Dynamic load. 48
3.1.1.2 Power Screw Selection and Calculation. 49
3.1.1.2.1 Power Screw Torque 51
3.1.1.2.1.1 Climbing Torque. 51
3.1.1.2.1.2 Down torque. 52
3.1.1.2.1.3 Efficiency when lifting the load. 533.1.1.2.2 Forces produced in the Power Screw. 54
3.1.1.3 Compilation of analysis results and selection of elements of the Hub
Z 56
3.1.2 Y-AXIS DESIGN 56
3.1.2.1 Selection of Linear Bearings 57
3.1.2.1.1 Static Load 57
3.1.2.1.2 Dynamic load. 60
3.1.2.2 Sizing and Selection of the Pinion - Rack Mechanism. 61
3.1.2.2.1 Theoretical tangential force 62
3.1.2.2.2 Corrected tangential force 63
3.1.2.2.3 Force analysis 65
3.1.2.2.4 Bending design for the rack and pinion mechanism 67
3.1.2.2.5 Safety factor 69
3.1.2.3 Compilation of analysis results and selection of elements of the Hub
Y . 72
3.1.2.4 Structural analysis of the frame. 72
3.1.2.4.1 Frame structure mathematical analysis 72
3.1.2.4.2 Gantry structure computational analysis 75
3.1.2.5 Shear Force and Bending Moment Diagrams. 78
3.1.2.5.1 Shear force diagram. 78
3.1.2.5.2 Bending Moment Diagram 79
3.1.3 X-AXIS DESIGN 80
3.1.3.1 Selection of Linear Bearings 81
3.1.3.1.1 Static Load 81
3.1.3.1.2 Dynamic load. 83
3.1.3.2 Sizing and Selection of Pinion - Rack. 84
3.1.3.2.1 Theoretical tangential force 84
3.1.3.2.2 Corrected tangential force 85
3.1.3.2.3 Force analysis 86
3.3.2.2.4 Bending design for the rack and pinion mechanism 88
3.1.3.2.5 Safety factor Sf against bending fatigue failure. 893.1.3.3 Compilation of analysis results and selection of Axis elements
X. 90
3.1.3.4 Structural analysis of the Shear Plate Support 91
3.1.3.4.1 Mathematical analysis of the cutting plate support structure 91
3.1.3.4.2 Computational analysis for the support structure of plates
cut. . 94
3.1.3.5 Shear Force and Bending Moment Diagrams. 96
3.1.3.5.1 Shear Forces Diagram. 97
3.1.3.5.2 Bending Moment Diagram 97
3.1.3.6 Sizing and validation of shear grid. 98
3.1.3.7 Structural analysis of the Water Tray Support. 100
3.1.3.7.1 Mathematical analysis of the water tray support structure. 103
3.1.3.7.2 Computational analysis for the support structure of plates
cut. . 100
3.1.3.8 Shear Force and Bending Moment Diagrams. 101
3.1.3.8.1 Shear Forces Diagram. 102
3.1.3.8.2 Bending Moment Diagram 103
3.1.3.9 Selection of adjustable supports. . 107
3.2 ELECTROMECHANICAL DESIGN. 108
3.2.1 SELECTING THE MOTOR FOR Z AXIS TORCH HEIGHT 108
3.2.2 SELECTION OF AXIS MOTOR AND FOR MOVING THE
TORCH . 117
3.2.3 SELECTING THE X-AXIS MOTOR FOR MOVING THE
PORCH. 123
3.2.4 SELECTION OF DRIVERS FOR STEPPER MOTORS. 127
3.2.5 SELECTING THE POWER SUPPLY 129
3.2.6 CONTROLLER AND THC SELECTION. 131
3.2.7 SELECTION OF POSITIONING SENSORS. 133
3.2.8 SELECTION OF POWER AND OPERATING ELECTRICAL ELEMENTS 135
3.2.8.1 Parameters to be considered for the selection of indicator lights. 135
3.2.8.2 Parameters to be considered for the selection of pushbuttons. 136
3.2.8.3 Parameters to consider for
3.2.8.3 Parameters to consider to size and select a contactor 1373.3 CONTROL CABIN DESIGN. 139
3.4 SELECTION OF SOFTWARE CAM CNC PLASMA CUTTER. 143
3.5 SELECTION OF SOFTWARE HMI CNC PLASMA CUTTER. 144
CHAPTER IV
CONSTRUCTION PROCESS AND OPERATION TESTS. 146
4.1 CONSTRUCTION PROCESS CNC PLASMA CUTTING MACHINE. 146
4.1.1 X AXIS CONSTRUCTION. 146
4.1.2 Y-AXIS CONSTRUCTION. 149
4.1.3 Z AXIS CONSTRUCTION. 151
4.1.4 ASSEMBLING THE MACHINE 153
4.1.5 CONTROL CABIN CONSTRUCTION. 155
4.2 CUTTING TESTS: CARBON STEEL SHEET 1mm 157
4.3 CUTTING TEST RESULTS 160
4.3.1 ANALYSIS OF RESULTS CIRCUMFERENCE OF 20mm. 160
4.3.2 ANALYSIS OF RESULTS CIRCUMFERENCE OF 50mm. 163
4.3.3 ANALYSIS OF RESULTS CIRCUMFERENCE OF 75mm. 164
4.3.4 ANALYSIS OF RESULTS CIRCUMFERENCE OF 100mm. 166
4.3.5 ANALYSIS OF RESULTS CIRCUMFERENCE OF 150mm. 168
4.3.6 ANALYSIS OF GENERAL RESULTS CUTTING TESTS 170
4.4 FUNCTIONING TESTS OF SAFETY DEVICES. 172
4.4.1 POSITION SENSORS A - X AXIS 173
4.4.2 POSITION SENSORS B - AXIS Y 175
4.4.3 C-POSITION SENSORS - Z AXIS 176
4.4.4 STOP BUTTON ACTIVATION 177
4.4.5 ACTIVATING THE SENSOR - PROTECTION BUTTON FOR THE
TORCH 178
4.5 MACHINE COST CALCULATION 180
CONCLUSIONS 183
RECOMMENDATIONS 185
BIBLIOGRAPHIC REFERENCES . 186 INDEX OF TABLES
Table 1.1. Selection of gases for the dual gas plasma process, [6]. 10
Table 1.2. Recommended values Plasma cutting compressed air, [6]. 12
Table 1.3. Technical Characteristics CNC Plasma Machines. 16
Table 2. 1. Priority design parameters. 22
Table 2. 2. Solution Alternatives Module 1 Software. . 27
Table 2. 3. Electronic Control Module 2 Solution Alternatives. 29
Table 2. 4. Module 2 Motors Solution Alternatives 29
Table 2. 5. Solution Alternatives Module 2 Motor Transmission. . 30
Table 2. 6. Solution Alternatives Module 2 Friction Reduction System. 31
Table 2. 7. Solution Alternatives Module 2 Dust / smoke containment system. 32
Table 2. 8. Morphological Matrix CNC plasma cutter. 3. 4
Table 2. 9. Evaluation of the specific weight of each criterion. 37
Table 2. 10. Evaluation of the reliability criterion. . 37
Table 2. 11. Evaluation of the precision criterion. . 38
Table 2. 12. Evaluation of the cost criterion 38
Table 2. 13. Evaluation of the speed criterion. 38
Table 2. 14. Evaluation of the maintainability criterion 39
Table 2. 15. Weighted Waste Matrix Priorities 39
Table 3. 1. Contact factor linear bearings, [8]. . 44
Table 3. 2. Weight of Z axis components - calculation of maximum bearing load 45
Table 3. 3. Static Safety Coefficient Linear Bearings. 48
Table 3. 4. Power Screw Technical Characteristics, [8]. . 49
Table 3. 5. Weight of Z-axis elements - calculation of maximum power screw load. . fifty
Table 3. 6. Collection of Z axis results. 56
Table 3. 7. Weight of Z-axis components - calculation of maximum bearing load Y-axis.. 58
Table 3. 8. Z axis component weight - rack selection tangential force calculation. 62
Table 3. 9. Rack Safety Coefficient, [11] 64
Table 3. 10. Y axis pinion technical characteristics, [11]. . 65 Table 3. 11. Y-axis results compilation 72
Table 3. 12. Weight of extra elements in gantry - Y Axis 76
Table 3. 13. Percentage of Portal Simulation Error - Mathematical Analysis. 77
Table 3. 14. ASTM A500 Mechanical Properties. 77
Table 3. 15. Weight of Z and Y axis elements - X axis bearing calculation.. 81
Table 3. 16. Weight of Y and Z axis elements - rack and pinion calculation. 84
Table 3. 17. X axis pinion technical characteristics.. 86
Table 3. 18. X-axis results compilation. 90
Table 3. 19. Percentage of plate support structure error. 95
Table 3. 20. Mechanical Properties ASTM A500. 96
Table 3. 21. Selection of the number of plates. 99
Table 3. 22. Safety factor thickness of grid plates. 99
Table 3. 23. Percentage of water tray support error. 101
Table 3. 24. Z axis actuator requirements.. 109
Table 3. 25. General Specifications Z axis stepper motor, [19]. . 116
Table 3. 26. Y axis actuator requirements.. 117
Table 3. 28. X axis actuator requirements.. 124
Table 3. 29. X Axis Motor Calculation Results. 124
Table 3. 30. Technical Specifications X Axis Motor.. 126
Table 3. 31. Electrical Specifications Driver EM806, [19] 129
Table 3. 32. Electrical parameters required for power supply. . 129
Table 3. 33. Electrical Specifications RPS4810 Power Supply. . 130
Table 3. 34. Technical Specifications Inductive Sensors diameter M12, [20]. . 135
Table 3. 35. Technical Specifications Indicator Lights AD16-22D / S. 135
Table 3. 36. Technical Specifications NC Pushbuttons. 136
Table 3. 37. NO pushbutton technical specifications. 137
Table 3. 38. Technical specifications stop button. . 137
Table 3. 39. Nema 34 Motor Technical Specifications, [22]. . 139
Table 3. 40. Contactor Technical Specifications, [22].
Table 4. 1. Detail of test cuts. 158
Table 4. 2. Technical specifications for Stainless 159 digital caliber Table 4. 3. Result of 25mm Circumference Tests. . 160
Table 4. 4. Results of 50mm circumference tests. . 163
Table 4. 5. Results of 75mm circumference tests. . 165
Table 4. 6. Result of 100mm circumference tests. . 166
Table 4. 7. Results 150mm circumference test. 169
Table 4. 8. Tolerance Range. 171
Table 4. 9. General Repeatability Range. . 171
Table 4. 10. Cost of standardized elements and supplies 180
Table 4. 11. Material costs 181
Table 4. 12. Cost of labor and machinery. 181
Table 4. 13. Final Costs CNC Plasma Cutter Machine. 182 INDEX OF FIGURES
Figure 1.1. CNC machine composition block diagram, [3]. 4
Figure 1.2. Steps for the development of plasma cutting, [3] 7
Figure 1.3. Composition of a Plasma Torch, [6]. 13
Figure 1.4. Type of Nozzles for Plasma, [6]. 13
Figure 2. 1. Distribution House of Quality, [4]. . 18
Figure 2. 2. House of Quality CNC plasma machine. . 19
Figure 2. 3. Competitive evaluation. 22
Figure 2. 4. Functional Analysis Level 0. 23
Figure 2. 5. Level 1 Functional Analysis. 24
Figure 2. 6. Functional Analysis Level 2. 25
Figure 2. 7. Module 1 Level 2. 25
Figure 2. 8. Module 2 Level 1. 26
Figure 2. 9. Module 3 Level 2. 26
Figure 2. 10. Alternative 1 Morphological Matrix. . 35
Figure 2. 11. Alternative 2 Morphological Matrix. . 35
Figure 2. 12. Alternative 3 Morphological Matrix. . 35
Figure 2. 13. Alternative 4 Morphological Matrix. . 36
Figure 3. 1. General Scheme CNC Plasma Cutting Machine. . 41
Figure 3. 2. General Scheme and Z Axis Elements. 43
Figure 3. 3. Layout recirculation coefficient, [8]. Four. Five
Figure 3. 4. Main Structure - Y Axis Elements 57
Figure 3. 5. Transmission rack and pinion parts, [9] 62
Figure 3. 6. Y axis rack and pinion module selection, [11]. 65
Figure 3. 7. Inventor Simulation Y Axis Displacement. 77
Figure 3. 8. Y-axis gantry free-body diagram. 78
Figure 3. 9. Shear Force Diagram Main Structure Y Axis. 79
Figure 3. 10. Y Axis Gantry Bending Moment Diagram. 79
Figure 3. 11. Main structure and elements X axis.. 80Figure 3. 12. X-axis rack and pinion module selection, [11]. 86
Figure 3. 13. Simulation Result - Displacement. . 95
Figure 3. 14. Free Body Diagram for Plates Support Structure. 96
Figure 3. 15. Shear Forces Diagram Sheet Support Structure. 97
Figure 3. 16. Diagram Bending Moment Structure Support Plates. 98
Figure 3. 17. Result simulation inventor displacement of water tray 101
Figure 3. 18. Free Body Diagram Water Tray Support Structure. . 102
Figure 3. 19. Shear Force Diagram Water Tray Support Structure. 102
Figure 3. 20. Bending Moment Diagram Water Tray Support Structure. . 107
Figure 3. 21. Motor Torque / Speed Characteristic Curve 57HS22 according to calculations
made for Axis Z, [19]. 116
Figure 3. 22. Motor Torque / Speed Characteristic Curve 57HS22 according to calculations
made for Y axis, [19]. 123
Figure 3. 23. Motor Torque / Speed Characteristic Curve 86HS85, [19]. 127
Figure 3. 24. Driver EM806, [19]. . 128
Figure 3. 25. Altur THC MP3600 control, [19]. 132
Figure 3. 26. Inductive Sensor Operation, [20]. 134
Figure 3. 27. Steck Brand Pilot Lights, [22] 136
Figure 3. 28. Measurements in mm lower part control cabin 141
Figure 3. 29. Lower part control cabin shape. 141
Figure 3. 30. Measurements of the upper part of the control cabin 142
Figure 3. 31. Complete structure control cabin. . 142
Figure 3. 32. CAM SheetCam software (main screen). 143
Figure 3. 33. HMI CommandCNC software (main screen). 144
Figure 3. 34. HMI software description. 145
Figure 4. 1. X-axis construction diagram. 147
Figure 4. 2. Main structure of the cutting table (X axis). . 147
Figure 4. 3. Installation of the cutting grid support. 148
Figure 4. 4. Installation of cutting racks 148
Figure 4. 5. Rack installation - linear guides - water trays. 149
Figure 4. 6. Y-axis construction diagram. 150Figure 4. 7. Y-axis main structure. 151
Figure 4. 8. Z axis construction diagram. 152
Figure 4. 9. Bearing installation - power screw 152
Figure 4. 10. Installation of linear guides - torch support. 152
Figure 4. 11. Stepper motor installation. 153
Figure 4. 12. Total assembly diagram for CNC plasma cutting machine. 154
Figure 4. 13. Total assembly CNC plasma cutter. 154
Figure 4. 14. Control cabin construction diagram. 155
Figure 4. 15. Power element control cabinet. 156
Figure 4. 16. Control cabinet control elements. . 156
Figure 4. 17. Control cabinet 157
Figure 4. 18. Test Cuts 159
Figure 4. 19. Gaussian Bell Result Circumference of 20mm 162
Figure 4. 20. Gaussian Bell Result Circumference 50mm. 164
Figure 4. 21. Gaussian Bell Result Circumference
Figure 4. 21. Gaussian Bell Result Circumference 75mm. 166
Figure 4. 22. Gaussian Bell Result Circumference 100mm. 168
Figure 4. 23. Gaussian Bell Result Circumference 150mm. 170
Figure 4. 24. Complex cutting CNC plasma cutter. 172
Figure 4. 25. Arrangement of safety elements for CNC plasma cutting machine.
172
Figure 4. 26. X axis sensor position. 173
Figure 4. 27. Activation signal. 173
Figure 4. 28. X Axis front safety sensor restriction HMI activation. 174
Figure 4. 29. X-axis rear safety sensor restriction HMI activation 174
Figure 4. 30. Y axis sensor position.. 175
Figure 4. 31. Y axis sensor activation mechanical signal 175
Figure 4. 32. HMI activation of safety sensor restriction Y axis left side. 176
Figure 4. 33. Z axis sensor positioning and activation. 177
Figure 4. 35. E-STOP activation signal. 178
Figure 4. 36. Torch deactivation alert. 179 ABBREVIATIONS
CNC Computerized Numerical Control.
HMI Human Machine Interface.
CAD Computer Aided Design.
CAM Computer Aided Manufacturing.
QFD Deployment of the Quality Function.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CAPÍTULO I
MÁQUINAS DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO POR CORTE PLASMA 1
1.1 TEMA . 1
1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN . 1
1.2.1 OBJETIVO GENERAL . 1
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1
1.3 HIPÓTESIS 2
1.4 MARCO TEÓRICO . 2
1.4.1 MÁQUINA CNC CORTADORA POR PLASMA 2
1.4.2 SISTEMA CNC 3
1.4.2.1 Composición Sistema CNC . 3
1.4.2.2 Funcionamiento Sistema CNC . 4
1.4.3 CÓDIGO G 5
1.4.4 PLASMA 6
1.4.5 CORTE POR PLASMA 6
1.4.5.1 Ventajas del Corte por Plasma 7
1.4.5.2 Desventajas del Corte por Plasma 9
1.4.6 TIPOS DE CORTE POR PLASMA . 9
1.4.6.1 Corte por plasma por aire 9
1.4.6.2 Corte con inyección de oxígeno . 10
1.4.6.3 Corte con doble Flujo 10
1.4.7 CORTE PLASMA CON AIRE COMPRIMIDO 11
1.4.8 ANTORCHA PARA CORTE POR PLASMA . 12
1.4.8.1 Boquillas o Tobera . 13
1.4.8.2 Piezas Consumibles 14
1.5 ESTADO DEL ARTE 14
CAPÍTULO IIANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LOS ELEMENTOS Y SISTEMAS
QUE CONFORMAN LA MÁQUINA CNC CORTADORA POR PLASMA 17
2.1 QFD DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN CALIDAD . 17
2.1.1 CASA DE LA CALIDAD . 17
2.1.2 CASA DE LA CALIDAD MÁQUINA CNC CORTADORA POR PLASMA 18
2.1.2.1 Voz del Usuario . 20
2.1.2.2 Voz del Ingeniero . 20
2.1.2.3 Evaluación Competitiva . 21
2.1.2.4 Prioridad y Correlación Resultado Casa de Calidad 22
2.2 ANÁLISIS FUNCIONAL 23
2.2.1 MÓDULO 1 27
2.2.2 MÓDULO 2 28
2.2.3 MÓDULO 3 33
2.3 MATRIZ MORFOLÓGICA 33
2.4 MÉTODO DE SELECCIÓN: MATRIZ DE RESIDUOS PONDERADOS 36
2.4.1 EVALUACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS DISTINTAS
SOLUCIONES PARA CADA CRITERIO . 37
2.4.2 TABLA DE PRIORIDADES 39
CAPÍTULO III
DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS Y SISTEMAS . 41
3.1 DISEÑO MECÁNICO . 41
3.1.1 DISEÑO EJE Z 42
3.1.1.1 Selección de Rodamientos Lineales 43
3.1.1.1.1 Carga Estática 43
3.1.1.1.2 Carga dinámica . 48
3.1.1.2 Selección y Cálculo Tornillo de Potencia . 49
3.1.1.2.1 Torque Tornillo de Potencia 51
3.1.1.2.1.1 Torque de Subida . 51
3.1.1.2.1.2 Torque de bajada . 52
3.1.1.2.1.3 Eficiencia durante la elevación de la carga. 533.1.1.2.2 Esfuerzos producidos en el Tornillo de Potencia . 54
3.1.1.3 Recopilación de resultados del análisis y selección de elementos del Eje
Z 56
3.1.2 DISEÑO EJE Y 56
3.1.2.1 Selección de Rodamientos Lineales 57
3.1.2.1.1 Carga Estática 57
3.1.2.1.2 Carga dinámica . 60
3.1.2.2 Dimensionamiento y Selección del mecanismo de Piñón – Cremallera. 61
3.1.2.2.1 Fuerza tangencial teórica 62
3.1.2.2.2 Fuerza tangencial corregida 63
3.1.2.2.3 Análisis de fuerzas 65
3.1.2.2.4 Diseño a flexión para el mecanismo piñón – cremallera 67
3.1.2.2.5 Factor de seguridad 69
3.1.2.3 Recopilación de resultados del análisis y selección de elementos del Eje
Y . 72
3.1.2.4 Análisis estructural del pórtico . 72
3.1.2.4.1 Análisis matemático estructura del pórtico 72
3.1.2.4.2 Análisis computacional estructura del pórtico 75
3.1.2.5 Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector. 78
3.1.2.5.1 Diagrama de fuerza cortante . 78
3.1.2.5.2 Diagrama de Momento Flector 79
3.1.3 DISEÑO EJE X 80
3.1.3.1 Selección de Rodamientos Lineales 81
3.1.3.1.1 Carga Estática 81
3.1.3.1.2 Carga dinámica . 83
3.1.3.2 Dimensionamiento y Selección Piñón – Cremallera . 84
3.1.3.2.1 Fuerza tangencial teórica 84
3.1.3.2.2 Fuerza tangencial corregida 85
3.1.3.2.3 Análisis de fuerzas 86
3.3.2.2.4 Diseño a flexión para el mecanismo piñón – cremallera 88
3.1.3.2.5 Factor de seguridad Sf contra la falla por fatiga por flexión. 893.1.3.3 Recopilación de resultados del análisis y selección de elementos del Eje
X . 90
3.1.3.4 Análisis estructural del Soporte Planchas de corte 91
3.1.3.4.1 Análisis matemático estructura soporte planchas de corte 91
3.1.3.4.2 Análisis computacional para la estructura de soporte planchas de
corte. . 94
3.1.3.5 Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector. 96
3.1.3.5.1 Diagrama de Fuerzas Cortantes. 97
3.1.3.5.2 Diagrama de Momento Flector 97
3.1.3.6 Dimensionamiento y validación de rejilla de corte. 98
3.1.3.7 Análisis estructural Soporte Bandeja de Agua . 100
3.1.3.7.1 Análisis matemático estructura soporte bandeja de agua . 103
3.1.3.7.2 Análisis computacional para la estructura de soporte planchas de
corte. . 100
3.1.3.8 Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector. 101
3.1.3.8.1 Diagrama de Fuerzas Cortantes. 102
3.1.3.8.2 Diagrama de Momento Flector 103
3.1.3.9 Selección de apoyos regulables. . 107
3.2 DISEÑO ELECTROMECÁNICO . 108
3.2.1 SELECCIÓN DEL MOTOR PARA EJE Z ALTURA DE LA ANTORCHA 108
3.2.2 SELECCIÓN DEL MOTOR EJE Y PARA EL DESPLAZAMIENTO DE LA
ANTORCHA . 117
3.2.3 SELECCIÓN DEL MOTOR EJE X PARA EL DESPLAZAMIENTO DE
PÓRTICO . 123
3.2.4 SELECCIÓN DE DRIVERS PARA LOS MOTORES PASO A PASO. 127
3.2.5 SELECCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN 129
3.2.6 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR Y THC . 131
3.2.7 SELECCIÓN DE LOS SENSORES DE POSICIONAMIENTO . 133
3.2.8 SELECCIÓN ELEMENTOS ELÉCTRICOS OPERATIVOS Y DE FUERZA 135
3.2.8.1 Parámetros a considerar para la selección de luces indicadoras . 135
3.2.8.2 Parámetros a considerar para la selección de pulsadores . 136
3.2.8.3 Parámetros a considerar para dimensionar y seleccionar un contactor1373.3 DISEÑO CABINA DE CONTROL . 139
3.4 SELECCIÓN SOFTWARE CAM CNC CORTADORA PLASMA . 143
3.5 SELECCIÓN SOFTWARE HMI CNC CORTADORA PLASMA . 144
CAPÍTULO IV
PROCESO CONSTRUCTIVO Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO . 146
4.1 PROCESO CONSTRUCTIVO MÁQUINA CNC CORTADORA POR PLASMA. 146
4.1.1 CONSTRUCCIÓN EJE X . 146
4.1.2 CONSTRUCCIÓN EJE Y . 149
4.1.3 CONSTRUCCIÓN EJE Z . 151
4.1.4 ENSAMBLAJE DE LA MÁQUINA 153
4.1.5 CONSTRUCCIÓN CABINA DE CONTROL . 155
4.2 PRUEBAS DE CORTE: PLANCHA DE ACERO AL CARBONO 1mm 157
4.3 RESULTADOS PRUEBAS DE CORTE 160
4.3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS CIRCUNFERENCIA DE 20mm . 160
4.3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS CIRCUNFERENCIA DE 50mm . 163
4.3.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS CIRCUNFERENCIA DE 75mm . 164
4.3.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS CIRCUNFERENCIA DE 100mm . 166
4.3.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS CIRCUNFERENCIA DE 150mm . 168
4.3.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS GENERALES PRUEBAS DE CORTE 170
4.4 PRUEBAS FUNCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS SEGURIDAD . 172
4.4.1 SENSORES POSICIÓN A – EJE X 173
4.4.2 SENSORES POSICIÓN B - EJE Y 175
4.4.3 SENSORES POSICIÓN C – EJE Z 176
4.4.4 ACTIVACIÓN BOTÓN DE PARO 177
4.4.5 ACTIVACIÓN DEL SENSOR - PULSADOR DE PROTECCIÓN PARA LA
ANTORCHA 178
4.5 CÁLCULO DE COSTOS DE LA MÁQUINA 180
CONCLUSIONES 183
RECOMENDACIONES 185
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS . 186ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Selección de gases para el proceso plasma dual gas, [6]. 10
Tabla 1.2. Valores recomendados Corte Plasma aire comprimido, [6]. 12
Tabla 1.3. Características Técnicas Máquinas CNC Plasma. 16
Tabla 2. 1. Prioridad parámetros de diseño. 22
Tabla 2. 2. Alternativas de Solución Módulo 1 Software. . 27
Tabla 2. 3. Alternativas de Solución Módulo 2 Control Electrónico . 29
Tabla 2. 4. Alternativas de Solución Módulo 2 Motores 29
Tabla 2. 5. Alternativas de Solución Módulo 2 Transmisión de Motor. . 30
Tabla 2. 6. Alternativas de Solución Módulo 2 Sistema de Reducción de Fricción . 31
Tabla 2. 7. Alternativas de Solución Módulo 2 Sistema de contención de polvo/humo. 32
Tabla 2. 8. Matriz Morfológica CNC plasma cortadora . 34
Tabla 2. 9. Evaluación del peso específico de cada criterio. 37
Tabla 2. 10. Evaluación del criterio de fiabilidad. . 37
Tabla 2. 11. Evaluación del criterio de precisión. . 38
Tabla 2. 12. Evaluación del criterio de costo 38
Tabla 2. 13. Evaluación del criterio de velocidad. 38
Tabla 2. 14. Evaluación del criterio de mantenibilidad 39
Tabla 2. 15. Prioridades Matriz de Residuos Ponderados 39
Tabla 3. 1. Factor de contacto rodamientos lineales, [8]. . 44
Tabla 3. 2. Peso componentes Eje Z - cálculo carga máxima rodamientos 45
Tabla 3. 3. Coeficiente de seguridad estático Rodamientos Lineales . 48
Tabla 3. 4. Características Técnicas Tornillo de Potencia, [8]. . 49
Tabla 3. 5. Peso elementos Eje Z - cálculo carga máxima tornillo de potencia. . 50
Tabla 3. 6. Recopilación de resultados Eje Z. 56
Tabla 3. 7. Peso componentes Eje Z - cálculo carga máxima rodamientos Eje Y. . 58
Tabla 3. 8. Peso componentes Eje Z - cálculo fuerza tangencial selección cremallera. 62
Tabla 3. 9. Coeficiente Seguridad Cremallera, [11] 64
Tabla 3. 10. Características técnicas piñón Eje Y, [11]. . 65Tabla 3. 11. Recopilación resultados Eje Y 72
Tabla 3. 12. Peso de elementos extra en pórtico - Eje Y 76
Tabla 3. 13. Porcentaje de Error Pórtico Simulación - Análisis Matemático. 77
Tabla 3. 14. Propiedades Mecánicas ASTM A500. 77
Tabla 3. 15. Peso elementos Eje Z y Y - cálculo rodamientos Eje X. . 81
Tabla 3. 16. Peso elementos Eje Y y Z - cálculo piñón cremallera. 84
Tabla 3. 17. Características técnicas piñón Eje X. . 86
Tabla 3. 18. Recopilación resultados Eje X. . 90
Tabla 3. 19. Porcentaje de error estructura soporte de planchas. 95
Tabla 3. 20. Propiedades Mecánicas ASTM A500. 96
Tabla 3. 21. Selección del número de placas . 99
Tabla 3. 22. Factor de seguridad espesor de placas rejilla . 99
Tabla 3. 23. Porcentaje error soporte bandeja de agua. 101
Tabla 3. 24. Requerimientos del actuador Eje Z. . 109
Tabla 3. 25. Especificaciones Generales Motor paso a paso Eje Z, [19]. . 116
Tabla 3. 26. Requerimientos del actuador Eje Y. . 117
Tabla 3. 28. Requerimientos del actuador Eje X. . 124
Tabla 3. 29. Resultados Cálculo Motor Eje X. 124
Tabla 3. 30. Especificaciones Técnicas Motor Eje X. . 126
Tabla 3. 31. Especificaciones Eléctricas Driver EM806, [19] 129
Tabla 3. 32. Parámetros eléctricos requeridos para fuente de alimentación. . 129
Tabla 3. 33. Especificaciones Eléctricas Fuente de Alimentación RPS4810. . 130
Tabla 3. 34. Especificaciones Técnicas Sensores Inductivos diámetro M12, [20]. . 135
Tabla 3. 35. Especificaciones Técnicas Luces Indicadoras AD16-22D/S . 135
Tabla 3. 36. Especificaciones Técnicas Pulsadores NC . 136
Tabla 3. 37. Especificaciones Técnicas pulsadores NA. 137
Tabla 3. 38. Especificaciones Técnicas pulsador de paro. . 137
Tabla 3. 39. Especificaciones Técnicas Motor Nema 34, [22]. . 139
Tabla 3. 40. Especificaciones Técnicas Contactor, [22]. 139
Tabla 4. 1. Detalle de cortes de prueba. 158
Tabla 4. 2. Especificaciones técnicas calibre digital Stainless 159Tabla 4. 3. Resultado Pruebas de Circunferencia de 25mm. . 160
Tabla 4. 4. Resultado pruebas de circunferencia 50mm. . 163
Tabla 4. 5. Resultado pruebas de circunferencia 75mm. . 165
Tabla 4. 6. Resultado de pruebas circunferencia 100mm. . 166
Tabla 4. 7. Resultados Prueba circunferencia 150mm. 169
Tabla 4. 8. Rango Tolerancia . 171
Tabla 4. 9. Rango General de Repetibilidad. . 171
Tabla 4. 10. Costo de elementos normalizados y suministros 180
Tabla 4. 11. Costos de materiales 181
Tabla 4. 12. Costo de mano de obra y maquinaria . 181
Tabla 4. 13. Costos Finales Máquina CNC Cortadora Plasma . 182ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Diagrama de bloques composición máquina CNC, [3]. 4
Figura 1.2. Pasos para el desarrollo del corte plasma, [3] 7
Figura 1.3. Composición de una Antorcha Plasma, [6] . 13
Figura 1.4. Tipo de Boquillas para Plasma, [6] . 13
Figura 2. 1. Distribución Casa de la Calidad, [4]. . 18
Figura 2. 2. Casa de la Calidad Máquina CNC plasma. . 19
Figura 2. 3. Evaluación competitiva. 22
Figura 2. 4. Análisis Funcional Nivel 0. 23
Figura 2. 5. Análisis Funcional Nivel 1. 24
Figura 2. 6. Análisis Funcional Nivel 2. 25
Figura 2. 7. Módulo 1 Nivel 2. 25
Figura 2. 8. Módulo 2 Nivel 1. 26
Figura 2. 9. Módulo 3 Nivel 2. 26
Figura 2. 10. Alternativa 1 Matriz Morfológica. . 35
Figura 2. 11. Alternativa 2 Matriz Morfológica. . 35
Figura 2. 12. Alternativa 3 Matriz Morfológica. . 35
Figura 2. 13. Alternativa 4 Matriz Morfológica. . 36
Figura 3. 1. Esquema General Máquina CNC Cortadora por Plasma. . 41
Figura 3. 2. Esquema General y Elementos Eje Z. 43
Figura 3. 3. Coeficiente de Layout recirculaciones, [8]. 45
Figura 3. 4. Estructura Principal - Elementos Eje Y 57
Figura 3. 5. Transmisión piñón – cremallera partes, [9] 62
Figura 3. 6. Selección módulo piñón - cremallera Eje Y, [11]. 65
Figura 3. 7. Simulación Inventor Desplazamiento Eje Y . 77
Figura 3. 8. Diagrama de cuerpo libre pórtico Eje Y. 78
Figura 3. 9. Diagrama de Fuerza Cortante Estructura Principal Eje Y. . 79
Figura 3. 10. Diagrama Momento Flector Pórtico Eje Y. 79
Figura 3. 11. Estructura principal y elementos Eje X. . 80Figura 3. 12. Selección módulo piñón - cremallera Eje X, [11]. 86
Figura 3. 13. Resultado de Simulación - Desplazamiento. . 95
Figura 3. 14. Diagrama Cuerpo Libre Estructura Soporte Planchas. 96
Figura 3. 15. Diagrama de Fuerzas Cortantes Estructura Soporte Plancha. 97
Figura 3. 16. Diagrama Momento Flector Estructura Soporte Planchas. 98
Figura 3. 17. Resultado simulación inventor desplazamiento bandeja de agua 101
Figura 3. 18. Diagrama Cuerpo Libre Estructura Soporte Bandeja de Agua. . 102
Figura 3. 19. Diagrama Fuerza Cortante Estructura Soporte Bandeja de Agua. 102
Figura 3. 20. Diagrama Momento Flector Estructura Soporte Bandeja de Agua. . 107
Figura 3. 21. Curva Característica Torque/Velocidad motor 57HS22 según cálculos
realizados para Eje Z, [19]. 116
Figura 3. 22. Curva Característica Torque/Velocidad motor 57HS22 según cálculos
realizados para Eje Y, [19] . 123
Figura 3. 23. Curva Característica Torque/Velocidad motor 86HS85, [19]. 127
Figura 3. 24. Driver EM806, [19]. . 128
Figura 3. 25. Control de Altur THC MP3600, [19] . 132
Figura 3. 26. Funcionamiento Sensor Inductivo, [20]. 134
Figura 3. 27. Luces Piloto Marca Steck, [22] 136
Figura 3. 28. Medidas en mm cabina de control parte inferior 141
Figura 3. 29. Forma cabina de control parte inferior . 141
Figura 3. 30. Medidas cabina de control parte superior 142
Figura 3. 31. Cabina de control estructura completa. . 142
Figura 3. 32. Software CAM SheetCam (pantalla principal). 143
Figura 3. 33. Software HMI CommandCNC (pantalla principal). 144
Figura 3. 34. Descripción software HMI. 145
Figura 4. 1. Diagrama de construcción Eje X. 147
Figura 4. 2. Estructura principal mesa de corte (Eje X). . 147
Figura 4. 3. Instalación soporte rejillas de corte. 148
Figura 4. 4. Instalación rejillas de corte 148
Figura 4. 5. Instalación cremallera - guías lineales - bandejas de agua. 149
Figura 4. 6. Diagrama de construcción Eje Y. 150Figura 4. 7. Estructura principal Eje Y. . 151
Figura 4. 8. Diagrama de construcción Eje Z. 152
Figura 4. 9. Instalación chumaceras - tornillo de potencia 152
Figura 4. 10. Instalación guías lineales - soporte antorcha . 152
Figura 4. 11. Instalación motor paso a paso . 153
Figura 4. 12. Diagrama de ensamblaje total máquina CNC cortadora por plasma. 154
Figura 4. 13. Ensamblaje total CNC cortadora plasma . 154
Figura 4. 14. Diagrama de construcción cabina de control . 155
Figura 4. 15. Cabina de control elementos de potencia. 156
Figura 4. 16. Cabina de control elementos de control. . 156
Figura 4. 17. Cabina de control 157
Figura 4. 18. Cortes de Prueba 159
Figura 4. 19. Campana de Gauss Resultado Circunferencia de 20mm 162
Figura 4. 20. Campana de Gauss Resultado Circunferencia 50mm . 164
Figura 4. 21. Campana de Gauss Resultado Circunferencia 75mm . 166
Figura 4. 22. Campana de Gauss Resultado Circunferencia 100mm . 168
Figura 4. 23. Campana de Gauss Resultado Circunferencia 150mm . 170
Figura 4. 24. Corte complejo CNC cortadora por plasma. 172
Figura 4. 25. Disposición elementos de seguridad máquina CNC cortadora por plasma.
172
Figura 4. 26. Posicion de sensor Eje X. . 173
Figura 4. 27. Señal de activación. 173
Figura 4. 28. Activación HMI restricción sensor delantero seguridad Eje X. . 174
Figura 4. 29. Activación HMI restricción sensor trasero seguridad Eje X 174
Figura 4. 30. Posición de sensor Eje Y. . 175
Figura 4. 31. Señal mecánica de activación sensor Eje Y 175
Figura 4. 32. Activación HMI restricción sensor seguridad Eje Y parte izquierda. 176
Figura 4. 33. Posicionamiento y activación sensor Eje Z. 177
Figura 4. 35. Señal de activación E-STOP . 178
Figura 4. 36. Alerta desactivación antorcha. 179ABREVIATURAS
CNC Control Numérico Computarizado.
HMI Interfaz Hombre Máquina.
CAD Diseño Asistido por Computadora.
CAM Manufactura Asistida por Computadora.
QFD Despliegue de la Función de la Calidad.
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