Diseño DE Router CNC DE Precisión PDF

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Teoría para el diseño mecánico de un router controlado por control numérico...

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CD. JUÁREZ INSTITUTO DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE MANUFACTURA

DISEÑO DE ROUTER CNC DE PRECISIÓN PROYECTO QUE PRESENTA

KARLO DAMIAN TERRAZAS MARTÍNEZ COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN INGENIERÍA EN MANUFACTURA ASESOR DR. Javier Molina Salazar CD. JUAREZ, CHIH.

20 DE NOVIEMBRE DEL 2015

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Índice General Índice de Figuras ....................................................................................................................... 4 Dedicatoria ................................................................................................................................ 7 1.Introducción ........................................................................................................................... 7 1.1 Antecedentes ................................................................................................................. 10 1.2 Planteamiento del problema. ......................................................................................... 12 1.3 Objetivo General. .......................................................................................................... 14 1.3.1 Objetivos Particulares. ............................................................................................ 14 1.4 Hipótesis. ....................................................................................................................... 15 1.5 Justificación................................................................................................................... 16 1.6 Alcances ........................................................................................................................ 18 1.7 Delimitaciones............................................................................................................... 19 1.8 Cronograma de actividades ........................................................................................... 20 2. Marco Teórico..................................................................................................................... 21 2.1 Diseño de Ejes X Y Z .................................................................................................... 21 2.1.1 Diseño de eje Z ...................................................................................................... 21 2.1.3 Diseño de eje Y...................................................................................................... 26 2.1.4 Diseño de eje X...................................................................................................... 29 2.2 Sistemas de rodamientos lineales. ................................................................................. 32 2.3 Husillos de avance y husillos de bola............................................................................ 35 2.3.1 Velocidad Crítica de Husillos ................................................................................. 42 2.4 Motores a pasos y servomotores ................................................................................... 48 2.4.1 Motores a pasos ...................................................................................................... 49 2.4.2 Servomotores .......................................................................................................... 50 2.4.3 Criterios de selección de motores ........................................................................... 52 2.4.3.1 Relación de inercia.......................................................................................... 52 2.4.3.2 Curva torque-velocidad................................................................................... 57 2.4.3.3 Torque máximo. .............................................................................................. 59 2.4.3.4 Torque promedio Trms. .................................................................................. 65 2.5 Integración del control eléctrico.................................................................................... 66 2

2.5.1 Controlador a nivel Software .................................................................................. 67 2.5.2 Controlador a nivel Hardware ................................................................................ 67 2.6 Contabilidad de Costos.................................................................................................. 68 2.6.1 Costo de producción ............................................................................................... 68 3. Metodología ........................................................................................................................ 70 3.1 Metodología de diseño de producto. ............................................................................. 75 3.1.1 Etapa 1: Reconocimiento de una necesidad ........................................................... 75 3.1.1.1 Matriz de análisis ............................................................................................ 76 3.1.2 Etapa 2: Especificaciones ....................................................................................... 76 3.1.2.1 Matriz de métricos .......................................................................................... 77 3.1.3 Etapa 3: Diseño conceptual .................................................................................... 77 3.1.3.1 Fases de modelado en CAD ............................................................................ 78 3.1.3.2 Matriz de selección ......................................................................................... 79 3.1.4 Etapa 4: Diseño detallado ....................................................................................... 80 3.1.4.1 Método de elementos finitos ........................................................................... 80 3.1.5 Etapa 5: Producción ................................................................................................ 81 3.1.6 Etapa 6: Validación. ............................................................................................... 81 4. Resultados ........................................................................................................................... 82 4.1 Análisis de la información ............................................................................................ 82 4.1.1 Aplicación de Matriz de análisis ............................................................................ 82 4.1.2 Objetivos principales del prototipo de Router CNC............................................... 84 4.2 Diseño de Especificaciones ........................................................................................... 85 4.2.1 Aplicación de matriz de métricos. .......................................................................... 85 4.2.2 Selección de especificaciones................................................................................. 86 4.3 Diseño conceptual ......................................................................................................... 86 4.3.1 Generación de conceptos ........................................................................................ 86 4.3.2 Selección de concepto ............................................................................................ 89 4.4 Diseño detallado. ........................................................................................................... 90 4.4.1 Balanceo de puente móvil....................................................................................... 91 4.4.2 Optimización de diseño mecánico de puente móvil. .............................................. 95 4.4.3 Cálculo de velocidad máxima de operación. ........................................................ 103 3

4.4.4 Cálculo de relación de inercia del sistema............................................................ 106 4.4.5 cálculo de Torque máximo y torque RMS............................................................ 109 4.5 Producción................................................................................................................... 117 4.6 Validación. .................................................................................................................. 122 4.6.1 Estudio Gage RYR de instrumento de medición. ................................................. 122 4.6.2 Diseño de experimentos exploratorio ................................................................... 125 4.6.3 Representación gráfica del error de los ejes XYZ ................................................ 129 4.6.3.1 Instrumentos de verificación. ........................................................................ 130 4.6.3.2 Método de medición. .................................................................................... 132 4.6.3.3 Ajuste del Error. ............................................................................................ 133 4.6.3.3 Calibración de ejes por etapas....................................................................... 137 4.6.4 Validación de hipótesis......................................................................................... 145 4.6.5 Fabricación de fotografía 3D de precisión. .......................................................... 148 5. Conclusiones y recomendaciones. .................................................................................... 153 6. Bibliografía ....................................................................................................................... 154

Índice de Figuras Figura 1.1 Cronograma de actividades de Seminario de investigación .................................. 20 Figura 1.2 Cronograma de actividades de Tesis ..................................................................... 21 Figura 2.1 Comparación de cabezales A y B. ......................................................................... 22 Figura 2.2 Diagrama de fuerzas de eje Z.. .............................................................................. 25 Figura 2.3 Diagrama de fuerzas de eje Y................................................................................ 28 Figura 2.4 Deformación de Vigas [1]. .................................................................................... 31 Figura 2.5 rodamiento lineal y rectangulares [2].. .................................................................. 32 Figura 2.6 Errores que absorben los sistemas lineales redondos [2].. .................................... 35 Figura 2.7 Comparación entre husillo de bolas y de avance………………………………...37 Figura 2.8 Eficiencia de husillos de avance [3]……………………………………………...39 Figura 2.9 Esquemático de eje lineal Z [4]………………………………………………..…42 Figura 2.10 Factor de rigidez de fijación [5]……………………………………………..….45 Figura 2.11 Configuración de balero Fija, vista seccional…………………………………..46 Figura 2.12 Tabla de velocidades de operación seguras [6]………………………………....47

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Figura 2.15 Curva Torque-velocidad de motor a pasos [7]……………………………….....58 Figura 2.16 Curva Torque-velocidad de servomotor………………………………………..59 Figura 2.17 Perfil de velocidad y torque……………………………………………………..60 Figura 2.18 Torque por aceleración………………………………………………………….61 Figura 2.19 Torque transmitido al motor a velocidad de trabajo…………………………….63 Figura 2.20 Torque de carga debido a la fricción……………………………………………64 Figura 2.21 Torque promedio Trms…………………………………………………............65 Figura 3.1 Esquema de proceso de desarrollo de un producto………………………………70 Figura 3.2 Diagrama de flujo de metodología aplicada……………………………………...72 Figura 3.3 Árbol sistémico funcional y de parámetros de diseño…………………………...75 Figura 3.4 Matriz de análisis…………………………………………………………………76 Figura 3.5 Matriz comparativa de especificaciones………………………………………….77 Figura 3.6 Matriz de métricos………………………………………………………………..77 Figura 3.7 Fases de diseño en programas CAD……………………………………………..79 Figura 3.8 Tabla de Pugh…………………………………………………………………….80 Figura 4.1 Matriz de análisis de modelos comerciales………………………………………83 Figura 4.2 Comparación de puente fijo y móvil……………………………………………..84 Figura 4.3 Matriz de métricos………………………………………………………………..85 Figura 4.4 Especificaciones de prototipo…………………………………………………….86 Figura 4.5 Diseño conceptual A……………………………………………………………..88 Figura 4.6 Diseño conceptual B……………………………………………………………...89 Figura 4.7 Tabla de Pugh para selección de concepto……………………………………….90 Figura 4.8 Centro de gravedad ideal de puente móvil………………………………………91 Figura 4.9 Estados de diseño de columnas de puente móvil…………………………………92 Figura 4.10 Centro de gravedad real de puente móvil……………………………………….92 Figura 4.11 Comparación de pesos teóricos y reales de piezas mecánicas………………….93 Figura 4.12 Peso de trabajo de motor del eje Z……………………………………………...94 Figura 4.13 Peso de trabajo de motor del eje Y……………………………………………...94 Figura 4.14 Peso de trabajo de motor del eje X……………………………………………...95 Figura 4.15 Hoja de cálculo para perfil de aluminio extruido [8]………………………..….97 Figura 4.16 Reducción de modelo para cálculos de elementos finitos………………………98 Figura 4.17 Deformación de Puente móvil con doble perfil en paralelo…………………….99 Figura 4.18 Diagrama de fuerzas sobre columnas………………………………………….100 Figura 4.19 Calculo de deformación de columnas………………………………………….102 Figura 4.20 Disminución de deformación en columnas reforzadas………………………...103 Figura 4.21 Hoja de cálculo de velocidades críticas……………………………………….104 Figura 4.22 Frecuencia natural de husillo de eje X………………………………………...105 Figura 4.23 Características de motores y transmisión mecánica…………………………..107 Figura 4.24 Relación de inercia de eje Z……………….…………………………………..107 Figura 4.25 Relación de inercia de eje Y……………………………….…………………..108 Figura 4.26 Relación de inercia de eje X……………………………...……………………108

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Figura 4.27 Ubicación de torque máximo T1 en curva torque-velocidad…….…………….112 Figura 4.28 Ciclo a velocidad máxima de trabajo………………………………………….113 Figura 4.29 Ubicación de torque promedio Trms, en curva torque-velocidad……………..115 Figura 4.30 Diagramas de tiempo-velocidad y tiempo-torque del Router CNC……….…..116 Figura 4.31 Criterios para la nomenclatura de archivos de diseño…………………………118 Figura 4.32 Estructura de archivos de Router CNC………………………………………..119 Figura 4.33 Identificación de partes principales del ensamble del eje Z…………………...120 Figura 4.34 Identificación de partes principales del ensamble del eje Y…………………..121 Figura 4.35 Identificación de partes principales del ensamble del eje X…………………..121 Figura 4.36 Plano de taller………………………………………………………………….122 Figura 4.37 Instrumento de medición Fowler 54-562-777 [9]………………………...…...123 Figura 4.38 Resultados de estudios RYR…………………………………………………..125 Figura 4.39 Factores ajustables del perfil de velocidad……………………….……………126 Figura 4.40 Grafico de Pareto de Factores principales………………………….………….128 Figura 4.41 Media del error en función de los factores principales…………………….….129 Figura 4.42 Bloques patrón para calibración de eje Z……………………………………...130 Figura 4.43 Diseño y fabricación de gage para calibración de ejes XY……………………131 Figura 4.44 Método de medición…………………………………………………………...132 Figura 4.45 Línea de ajuste de error inicial de eje Z……………………………………….134 Figura 4.46 Línea de ajuste de error inicial de eje Y……………………………………….135 Figura 4.47 Línea de ajuste de error inicial de eje X…………………………………….…136 Figura 4.48 Línea de ajuste de error en primera etapa de calibración del eje Z……………138 Figura 4.49 Línea de ajuste de error en primera etapa de calibración del eje Y…………...139 Figura 4.50 Línea de ajuste de error en primera etapa de calibración del eje X…………...140 Figura 4.51 Línea de ajuste de error en segunda etapa de calibración del eje Z…………...141 Figura 4.52 Línea de ajuste de error en segunda etapa de calibración del eje X…………..142 Figura 4.53 Exactitud y precisión del eje Z………………………………………………...143 Figura 4.54 Exactitud y precisión del eje Y………………………………………………...144 Figura 4.55 Exactitud y precisión del eje X………………………………………………...145 Figura 4.56 Resultados de Prueba de hipótesis 1-sample T………………………………...147 Figura 4.57 Selección de área de maquinado en fotografía………………………………...149 Figura 4.58 Detalle de crestas y valles en Lithofano……………………………………….150 Figura 4.59 Fases de maquinada de Lithofano……………………………………………..151 Figura 4.60 Fragmento final de código G para la fabricación de Lithofano………………..152 Figura 4.61 Lithofano fabricado en Router CNC…………………………………………..153

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Dedicatoria El siguiente trabajo lo dedico a varias personas que hicieron posible su realización de manera directa o indirecta. Comparto en este trabajo toda la experiencia adquirida a lo largo del tiempo, conocimiento que puse en práctica gracias a mis profesores, compañeros de trabajo, compañeros de escuela y mi familia. Lo dedico a mis profesores, ya que de ellos aprendí el valor de transmitir el conocimiento para engrandecer a los futuros profesionistas. A mis compañeros de trabajo, ya que la experiencia que transmito, es en esencia, la misma de ellos; doy gracias a Dios por formar parte de una empresa que se preocupa por sus trabajadores, y hace lo posible para que cada uno de nosotros crezcamos profesional y personalmente, sin el apoyo de mi empresa, este trabajo no hubiera sido posible. De mis compañeros, agradezco el compartir sus experiencias personales, ya que me hicieron crecer como persona al aprender de cada uno de ellos; de mi familia, en especial a mi esposa, agradezco su apoyo incondicional, ella es el pilar que me mantiene en alto, me guía y me dirección, su apoyo fue total, por lo tanto, cada una de las hojas escritas en este trabajo, es el resultado de la perseverancia y el apoyo que me brindó a lo largo de estos 3 años. Por todo esto y muchas razones más, agradezco a todos ellos, ya que sin ellos, esto no hubiera sido posible. ¡Gracias!

1. Introducción Control numérico por computadora (CNC), es un término que engloba una gran variedad de máquinas de diferentes tamaños, formas y funciones, donde una computadora controla una máquina para ejecutar la tarea mecánica de remover material de un sólido, por medio de una herramienta de corte. Una herramienta CNC es una maquina automatizada, con libertad de 7

movimiento en 3 ejes coordenados XYZ, y hasta 2 ejes rotativos denominados A y B, estos ejes son comandados mediante una computadora, que sincroniza los movimientos de los ejes, de acuerdo a un programa llamado código G. Como ejemplo de funcionamiento, puede tener un bloque solido de aluminio y después de la remoción de material se obtiene la pieza específica, con la forma diseñada previamente en computadora. Las máquinas CNC se dividen en dos grandes grupos: Máquinas de torneado y máquinas de fresado [10]. Una máquina de torneado es aquella que mediante un dispositivo mecánico, hace girar la pieza de trabajo a altas revoluciones, y una herramienta filosa (buril), remueve el material de la pieza de trabajo a todo lo largo del eje del material, hasta obtener la pieza deseada. Una máquina fresadora tiene un dispositivo giratorio llamado husillo, que tiene una herramienta con geometría especial (Cortador), girando a altas revoluciones, esta remueve material a lo largo de los ejes cartesianos X Y Z. Ambos grupos de máquinas CNC, utilizan una computadora que las comanda, mediante una archivo de código G (lenguaje universal de equipos de control numérico), este archivo le indica todas las operaciones que debe realizar el equipo, para la remoción del material y obtención de la parte final maquinada, previamente dibujada en un programa de diseño asistido por computadora (CAD) [11]. Aplicaciones industriales de maquinaria CNC se basan en la remoción de material para obtener la forma deseada. Por ejemplo, en la industria automotriz, una parte de las piezas de precisión de un motor están fabricadas en CNC, tal como el cuerpo del motor y partes de la transmisión, aun así, la mayoría de las partes no están relacionadas directamente a una máquina CNC, pero si lo están indirectamente, ya que en la cadena de manufactura, los

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equipos de control numérico forman part...