Proyecto Final - Javier Mendoza

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Índice.
1. Justificación. 
2. Introducción 
2.1. Descripción y Características
3. Marco teórico
4. Desarrollo 
4.1. Diseño del Prototipo.
4.2. Diagrama Electroneumático.
4.3. Diagrama Neumático.
4.4. Diagrama de Flujo. 
4.5. Simulaciones.
5. Conclusión 
6. Aplicación industrial.
7. Fuentes bibliográficas. 
Justificación.
Este proyecto es elaborado con el fin de integrar todos los conceptos y dispositivos trabajados durante el curso y aplicarlos en el diseño de un sistema mecatrónico funcional, en mi caso un elevador electroneumático para automóviles enfocado a su uso como estacionamiento y para mantenimiento en talleres automotrices.
Introducción.
Para la realización de este proyecto se hará uso de la neumática como fuente de energía para ser transformada en trabajo, esto porque el aire es un recurso abundante y no contaminante, además de que al trabajar con sistemas neumáticos los riesgos en ambientes explosivos son inexistentes, el uso del aire es insensible a las variaciones de temperatura por lo que su uso siempre cuando no haya perdidas de presión por filtraciones será eficiente y rápido. Para la simulación del funcionamiento del prototipo se hará uso del software de FluidSim, SolidWorks y ZelioSoft además del apoyarnos de videos obtenidos de internet para poder visualizar de mejor forma el objetivo de este proyecto.
En el caso de FluidSim es un software de diseño y simulación de sistemas eléctricos, neumáticos e hidráulicos desarrollado por Festo con el que podemos realizar pruebas de circuitos sin necesidad de armarlos y así poder realizar una mejor estimación económica de lo que realmente se usara y así como también poder prever cualquier tipo de fallo en nuestro circuito y corregirlo.
Con SolidWorks sucede algo muy similar incluso aún más útil ya que el software nos permite realizar simulaciones para poder saber si nuestro diseño y cálculos corresponden a la aplicación que se le va a dar, contemplando el material con el que será construido y así poder ahorra recursos económicos evitando realizar pruebas experimentales con otros materiales.
Descripción y Características del Proyecto
El proyecto trata de un elevador electroneumático controlado con un PLC de la marca Schneider del cual se usaran 3 entradas y 3 salidas digitales, se usarán 2 pulsadores y 1 botón de paro de emergencia, esto para el circuito de control, para el circuito de potencia se emplearán 2 electroválvulas 4/2, 4 válvulas reguladoras de caudal, 2 válvulas reguladoras de presión y 2 cilindros de doble efecto, uno de ellos de tipo tándem, es decir que tiene dos vástagos unidos que se accionan en el mismo sentido.
La secuencia que realizara es la siguiente: primero el elevador se encuentra en su posición inicial bajo el suelo, al momento en que se presiona el botón de asenso se abre la compuerta que esconde el mecanismo y deja que salga hasta su altura máxima de 1.7 metros, cuando se desee regresar a la posición inicial se apretara el botón de bajada y una vez esté completamente contraído el elevador automáticamente se cerrara la compuerta, esto con la ayuda de un sensor óptico que indicara cuando el cilindro regreso al inicio de su carrera.
Marco teórico.
La neumática es la rama de la mecánica que estudia el equilibrio y movimiento de flujos gaseosos, también cuando se habla de neumática se hace referencia a la tecnología que emplea un gas, normalmente aire comprimido, como elemento de transmisión de energía necesaria para mover y hacer funcionar diferentes mecanismos. Los procesos consisten en disponer de la presión de aire y a hacer que esta energía acumulada actúe sobre los elementos del circuito neumático como cilindros, motores neumáticos o ventosas para que estos efectúen un trabajo útil.
Por lo general el gas utilizado es aire comprimido, pero para aplicaciones especiales puede usarse el nitrógeno u incluso otros gases inertes. La neumática utiliza aire comprimido que hacemos circular por tuberías y esta energía se utiliza para mover, abrir, cerrar, etc. elementos del circuito y finalmente generar automatismos secuenciales.
Los circuitos neumáticos están formados por elementos que tienen la función de generar aire comprimido, almacenarlo de ser necesario, distribuirlo y controlarlo para efectuar un trabajo por medio de cilindros, motores neumáticos, ventosas, etc.
La neumática tiene muchas aplicaciones, como la apertura o cierre de puertas en trenes o autobuses, el levantamiento de grandes masas, accionamientos para mover determinados elementos en los procesos productivos, etc.
El control del cilindro, para que realice lo que nosotros deseamos, se hace mediante válvulas. Estas válvulas, si lo comparamos con la electricidad, hacen el mismo trabajo que los interruptores, pulsadores, conmutadores, etc. y mediante tubos conductores por los que circula el fluido se transmite la energía de un sitio a otro. Neumática e hidráulica tiene el mismo principio de funcionamiento y únicamente se diferencia en el fluido, en neumática es aire y en hidráulica puede ser agua o aceite. 
Estos sistemas están compuestos principalmente por un motor eléctrico, compresor, acumulador de ser necesario, válvulas de control y reguladoras, instrumentos de medición de presión, filtros y efectores finales como cilindros, motores neumáticos o ventosas. 
Los compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y será la que exista en las tuberías que recorren el circuito.
El compresor lleva primero el aire a un depósito que lo almacena a presión, después este aire del depósito será conducido por los conductos. El depósito dispone de un manómetro para verificar la presión del aire y un termómetro para controlar la temperatura de este, además también dispone de una válvula limitadora de presión para la seguridad de la instalación. El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y la humedad que tiene el aire. Todos estos componentes se agrupan en lo que se llama circuito de control. [1]
Ya conociendo las partes que conforman un sistema neumático ahora es necesario saber que tipos de elevadores existen y cuál es el mecanismo más adecuado para nuestro proyecto, existen los elevadores de dos columnas, de cuatro columnas y el de tipo tijera.
En el mecanismo de dos columnas soporta de forma lateral la carga, este tipo elevador es mas utilizado para mantenimiento de vehículos cuenta con dos fuertes apoyos y brazos de base. Su función principal es sostener diversas clases de automóviles, a la altura para que el técnico realice su trabajo de reparación. Una gran ventaja es su economía, el ahorro de espacio y que no tiene obstáculos para las ruedas. 
El de cuatro columnas es similar al anterior, solo que su cantidad de columnas se duplica y puede levantar objetos de peso mucho mayor. Una gran ventaja es la forma sencilla de usarlo debido al acoplamiento de las ruedas del automóvil. 
El mecanismo elegido es el de tipo tijera, estos elevadores de autos son capaces de subir su carga mediante mecanismos de estilo acordeón. Sus características permiten utilizarlo en áreas profesionales como los talleres mecánicos y también en el garaje propio. [2]
En el circuito de control se empleará un PLC de la marca Schneider que cuenta con 16 entradas y 10 salidas digitales, fuente de alimentación, reguladores de voltaje, cpu, periféricos, terminal de programación y capacidad de expansión mediante módulos externos.
Para finalizar la parte teórica de este proyecto es necesario saber cuáles son las diferencias que existen contra los sistemas hidráulicos. Los sistemas neumáticos trabajan con aire comprimido el cual es un recurso ilimitado y limpio por lo que de haber una fuga en el sistema este no contaminaría el ambiente, puede ocuparse en lugares explosivos, húmedos o con temperaturas variables sin afectar su rendimiento, además de trabajar a mayores velocidades y tener un mejor control de estas. Las únicas desventajas que tienees el costo de la generación del aire comprimido y el ruido que escapa del sistema, aunque este pude ser disminuido considerablemente con silenciadores.
Desarrollo 
Este proyecto consta de un elevador de tipo tijera que trabaja con 2 cilindros de doble efecto y uno de ellos de tipo tándem, que serán capaces de levantar una carga de hasta 3 toneladas, serán operados con 3 botones en un tablero, un botón de paro de emergencia, uno de ascenso del mecanismo y otro de descenso, además de un timer y un sensor capacitivo. Como el proyecto está enfocado en la aplicación como estacionamiento también contará con un cilindro de doble efecto extra, el cual será el encargado de recorrer el piso de donde saldrá el elevador y automóvil. 
Diseño del Prototipo.
Diagrama Electroneumático. 
Diagrama Neumático.
Diagrama de Flujo
Simulaciones
Secuencia de Subida con el botón I2
Secuencia de Bajada con el botón I3
Botón de Paro de Emergencia. 
Memoria de cálculo.
Datos
De= 0.135 m 
Esp= 0.007938 m = 7.938 mm
P= 6 Bar = 600 KPa
Dv= 0.0771 m
f= 0.15
n= 950 ciclos/min
S= 0.35 m
Av= 0.004668 m2 = 4.668 mm2
At= Ae – Av = 0.00971 m2
Incognitas
Fra= 7,331.25 N 
Frr= 4,950.19 N
Ů= Q= 0.1789 m3/seg
Procedimiento.
P= F/A
F= P*Ae
Ae= (π*De2)/4 = 0.014375 m2 
Fta= 600 KPa * 0.014375 m2 = 8,625 N 
Fra= Fta – (f * Fta) = 7331.25 N 
Ftr= P*At = 5,823.76 N
Frr= Ftr – (f * Ftr) = 4,950.19 N
Rc= (101.3 KPa + P)/(101.3 KPa) = 6.923
Ů= (s*Ae – s*At) * Rc * n = 10.738 m3/min = 0.1789 m3/seg
Carga Total = 2.989 Ton
Tipo de materiales
Para las barras y pistón se va a utilizar un acero genérico tratado térmicamente mediante temple y revenido, para los casquillos una aleación de cobre y para los pasadores un acero de baja aleación y alta resistencia.
Los materiales restantes son los necesarios para realizar las conexiones eléctricas y neumáticas, así como las herramientas necesarias para la construcción del mecanismo.
Costo del proyecto
Estimar el costo del proyecto de forma precisa es difícil ya que se tienen que hacer las cotizaciones de todos los elementos, desde el motor, compresor, válvulas, cilindros y el metal necesario para la construcción de la estructura.
Pero realicé una investigación con otros proyectos de similar orientación y los resultados que obtuve son los siguientes:
Costo Materiales $13,700
Costo Elementos Mecánicos $38,500
Costo Elementos Eléctricos $16,000
Manufactura $8,900
Diseño $7,000 
Costo total alrededor de $84,000
Conclusiones. 
Con este proyecto pudimos aplicar todo lo que aprendimos durante el curso y personalmente me di cuenta de que tiene muchas aplicaciones la neumática, los distintos tipos de mecanismos, los tipos de sensores, tipos de programación, etc. Y es muy importante realizar los cálculos correspondientes para diseñar un sistema mecatrónico funcional para posteriormente poder construirlo. Gracias a cálculos como el de la fuerza que genera el cilindro, su consumo y área de efecto, podemos conseguir los dispositivos adecuados para el correcto funcionamiento del sistema, en esta parte es de gran importancia el apoyo de los softwares de simulación como ZelioSoft, SolidWorks y FluidSim porque nos ayudan a verificar que el sistema ejecute las secuencias deseadas y en caso de no ser así, podemos solucionar cualquier problema que detectemos antes de llegar a la etapa de la construcción ahorrándonos recursos y tiempo.
El proyecto resulto como se esperaba, se pudo presentar las diversas aplicaciones que tiene el elevador neumático y sus diferencias que tiene contra un sistema hidráulico, aunque estuviera enfocado para su uso como estacionamiento de automóviles, también es posible emplearlo en la industria dada su gran capacidad de poder levantar objetos de tanta masa.
Aplicación industrial.
El elevador electroneumático propuesto tiene muchas aplicaciones especialmente en lugares en donde sea necesario levantar objetos grandes y de una masa de casi 3 toneladas, al ser un sistema neumático es muy útil en ambientes explosivos o con temperaturas extremas ya que no afectan su funcionamiento al contrario de los sistemas hidráulicos. También es de gran utilidad en talleres mecánicos al poder elevar automóviles para que les den mantenimiento, revisiones o reparaciones de forma más eficiente y segura.
Fuentes bibliográficas. 
[1] https://www.ceac.es/blog/introduccion-la-neumatica
[2] Elevadores de autos | elevadores de vehículos (pelp.cl)
 Calcular fuerza de los cilindros neumáticos y consumo de aire (roydisa.es)
Cilindros Neumáticos (cilindrosneumaticos.mx)