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IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CORTE Y DOBLADO AUTOMÁTICO PARA VARILLAS DE ¼” APLICADAS EN LA CONSTRUCCIÓN DE COLUMNAS. ____________________________________________________________ Hidráulica y Neumática. Presentado a: Jorge Duarte Forero Ing., Esp, M. Sc, Ph.D(c). ____________________________________________________________ Cristian Charris Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia cjosecharrisg@gmail.com Juan Díaz Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia Juanse272@gmail.com Bladimir Fábregas Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia fabregazo@hotmail.com William Narváez Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia williammilan1@hotmail.com Laura Quiroz Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia lmquirozbl@gmail.com Yair Salazar Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico Barranquilla, Colombia yakoros@hotmail.com ____________________________________________________________________ RESUMEN Los métodos convencionales para elaborar estribos en la construcción, llevan mucho tiempo y trabajo humano; por lo que implementaremos un sistema neumático automatizado para doblez y corte de varillas para fabricar estribos de varios tamaños, con el fin de disminuir los tiempos de ejecución, disminuir el esfuerzo humano y aumento de la precisión. El montaje electro neumático se realizó mediante el método intuitivo que controla los actuadores mediante las válvulas, lo que nos permite programar un ciclo de trabajo continuo. Utilizaremos un compresor capaz de entregar el fluido a la presión de trabajo requerida para el sistema, el cual se accionará solo cuando se requiera; disminuyendo el consumo de energía; para el diseño mecánico se implementó la herramienta Solidworks dando dimensiones y tolerancias, para el control la tarjeta Arduino. Términos de búsqueda: sistema neumático, estribo, electro neumático, Solidworks, Arduino. IMPLEMENTATION OF A SYSTEM OF AUTOMATIC CUTTING AND BENDING FOR ¼ "RODS APPLIED IN THE CONSTRUCTION OF COLUMNS. ABSTRACT Conventional methods for building stirrups are time-consuming and labor-intensive; So, we will implement an automated pneumatic system for bending and cutting rods to manufacture stirrups of various sizes, in order to reduce execution times, reduce human effort and increase precision. The electro-pneumatic assembly was made using the intuitive method that controls the actuators through the valves, allowing us to program a continuous duty cycle. We will use a compressor capable of delivering the fluid to the working pressure required for the system, which will be actuated only when required; Decreasing energy consumption; For the mechanical design the Solidworks tool was implemented giving dimensions and tolerances, to control the Arduino programmable card. Search terms: pneumatic system, stirrup, electropneumatic, Solidworks. mailto:cjosecharrisg@gmail.com mailto:Juanse272@gmail.com mailto:fabregazo@hotmail.com mailto:williammilan1@hotmail.com mailto:lmquirozbl@gmail.com I. INTRODUCCION La automatización ha brindado grandes avances tecnológicos en la industria, el campo de la construcción demanda desarrollos de este tipo, para mejorar los procesos de las empresas en cuanto a métodos, calidad y capacidad de producción e innovación [1]. Tomando en cuenta el largo tiempo que toma algunos trabajos de doblado y corte, como la elaboración de los estribos (cuadrados o rectángulos hechos de varilla estructural) y el trabajo humano que se requiere lo anterior muestra claramente un espacio para la aplicación de la tecnología neumática en equipos novedosos y eficientes que contribuyan al mejoramiento continuo [2]. El uso combinado de la mecánica, neumática, electrónica y micro controlador arduino, brindan una solución, la cual consiste en alimentar la varilla mediante un servo motor; para luego ser doblada por brazo de palanca acoplado a un engranaje por medio de un eje, que a su vez será accionado por una cremallera conectada al vástago del cilindro en el momento en que sea detectada por un sensor óptico; el sistema de corte por cizallado activado por un cilindro neumático. Todo controlado mediante una previa programación de secuencia en arduino. II. JUSTIFICACIÓN Realización de un diseño electro neumático para la realización de una máquina que automatiza el proceso de doblado y corte de varillas de ¼ de pulgada, integrando varias ciencias, como diseño neumático, diseño mecánico y electrónico que facilita el interfaz entre la máquina y el operario [1]. Se logran varias ventajas: mejor calidad en el proceso, eficiencia en el tiempo, reducción de errores y unificación de dos procesos. El tiempo invertido en el doblado, en comparación con una persona empleando este método de forma manual se reduce a la mitad, solo necesitando monitoreo continuo de un solo operario. III. OBJETIVO Implementar un sistema de corte y doblado automático para varillas de ¼” para aplicaciones en la construcción de columnas. IV. ESTADO DEL ARTE Con el progresivo uso del diseño de estructuras de grandes edificios en las últimas décadas, las opciones para nuevas formas interesantes han tomado distintos destinos con un mismo fin, mejorar el crecimiento del trabajo en conjunto [3,4]. El modo de alimentación de la varilla mediante un motor eléctrico sincronizado mecánicamente para realizar los dobles, como el mecanismo utilizado por la dobladora automática patentada en febrero del 1971, puede ser mejorada mediante el uso de la programación u electroneumática. [5]. Una maquina dobladora de varillas de refuerzo diseñada en agosto de 1972, utiliza una cremallera unida al actuador de forma axial, que transmite el movimiento a un engranaje que genera el brazo de palanca necesario para realizar los dobleces [6]. Unas cuchillas de corte montadas directamente sobre el actuador, requiere de un cilindro de gran fuerza, como el diseño patentado por A. Kroetch en abril de 1973 [7]. A diferencia de los mecanismos de corte por cizalla, que multiplican la fuerza aplicada haciendo que esta sea menor. Existen otros mecanismos propuestos para doblar manualmente la varilla haciendo uso de unas poleas en su carcasa y un gran brazo de palanca, La ventaja está en que sirve para doblar varillas ya empotradas en concreto fraguado [8]. presenta una versión de máquina también ligera qué incluye el uso de potencia externa para hacer tanto el trabajo de Doblado como el trabajo de corte. el mecanismo semeja a la cinemática del cangilón de una retroexcavadora [9]. Sin embargo, los métodos de simulación que se utilizan han demostrado que los diferentes modelos de los años anteriores presentan deflexión en la varilla y pequeñas vibraciones[10], para ello es necesario realizar una planificación dinámica y simulación dinámica para la construcción de la producción automatizada para producir refuerzo de doble curvatura en las mallas [11]. En Julio de 2012, diseñaron y caracterizaron una máquina de corte cuya potencia de movimiento proviene de un motor con reducción de banda y polea, para luego hacer una reducción secundaria con engranajes. Finalmente, el movimiento se transmite a una manivela y biela para mover linealmente el filo y cortar [12]. Actualmente se investiga la forma adecuada de doblar y entrecruzar varillas para alcanzar estructuras tridimensionales de alta resistencia y ligereza, tal es el caso de Cortsen et al, que implementaron un esquema CNC con algoritmo óptimo para la construcción de células en estructuras curvas de concreto; utilizando dos robots solidarios para doblar y trensar las varillas, considerando la planeación de movimiento para evitar la colisión al doblar [13].Recientemente se Propone y se tramitan la patente de una mesa de trabajo con los elementos, mecanismos y la automatizaciónnecesaria para doblar, cortar y darle acabado a varillas de refuerzo [14]. Cabe aclarar que cada uno de los sistemas anteriores requieren un operario que ubique la varilla cada vez que se hace un estribo Hemos adoptado un enfoque pragmático en el que asumimos parámetros que nos permiten utilizar aproximaciones de las deflexiones de las varillas de refuerzo para conocer su trayectoria [15], luego de estar identificados los puntos del camino seguido saber qué puntos son influyentes directamente en el proceso de doblado y cortado [16]. V.DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS IMPLEMENTADOS Elementos Electrónicos. Arduino Uno Arduino / Genuino Uno es una placa electrónica basada en el ATmega328P.Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 se podrán utilizar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador; basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o la corriente con un adaptador de CA a CC o una batería. [17]. Sensor Infrarrojo El sensor de infrarrojos es un sensor de medición de distancia, que se basa en un sistema de emisión/recepción de radiación lumínica en el espectro de los infrarrojos. El sensor infrarrojo se basa en la emisión de cuerpo negro ideal, es decir, un cuerpo que absorbe y reemite toda la radiación incidente, independientemente de la longitud de onda que sea. Ya que esta situación es ideal, se trabaja con una aproximación de cuerpo negro, donde la radiación incidente no sólo se absorbe, también se refleja y se transmite. además de ser útiles para medir temperatura y detectar objetos calientes, nos permiten visión nocturna y la posibilidad de atravesar algunos objetos opacos para la luz visible. Estos sensores poseen multitud de aplicaciones como, por ejemplo, vigilancia de objetos y personas, medida de temperaturas remotas en aplicaciones industriales, detección de fugas de calor, monitorización y detección de incendios, y diferentes aplicaciones científicas y médicas [18]. Servomotor MG995 Piñoneria Metálica 180° Este servomotor está compuesto por un motor sin núcleo, posee engranaje metálico, para proporcionar una buena distribución de fuerza (par), además de tener un doble cojinete de bolas y un cable conector con tres terminales VCC(Alimentación), GND(Tierra) y SIGNAL (Señal de control). Por lo general es usado en robots bí-pedos, carros R/C, helicópteros de ala fija de 50CC/90CC y de 26CC/50CC. Este servomotor se encuentra diseñado para ejercer un buen torque, por lo que no es recomendable para aplicaciones de sistemas que necesiten una gran precisión, siendo así- la mejor opción para aplicaciones de potencia. Su margen de funcionamiento se encuentra entre 0° y 180°, no obstante, por sus mismas condiciones reales, tiene un margen de funcionamiento mediante el uso de PWM que oscila entre los 145° y 150° generando un valor alto de inercia [19]. En el proyecto es utilizado a un giro de 360º debido a una modificación interna en su circuito. Características: Modulación: Digital Torque: 4.8V: 130.54 oz-in (9.40 kg-cm) 6.0V: 152.76 oz-in (11.00 kg-cm) Velocidad: 4.8V: 0.20 sec/60° 6.0V: 0.16 sec/60° Peso: 1.94 oz (55.0 g) Dimensiones: Largo:1.60 in (40.7 mm) Ancho:0.78 in (19.7 mm) Alto:1.69 in (42.9 mm) Elementos Sistema neumático (ver ítem VI). Elementos de diseño (ver Anexo 2). VI. DIMENSIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES2) Cálculos r.c= (0,987+(8bar-0,03bar))/0,987 r.c.= 9,07 A=πr^2 Actuador 1; D= 4,4cm d=2cm; S=15cm; n=6ciclos/min Actuador 2; D=7.62cm; d=2,54cm S=60cm; n=1ciclos/min Ecuación para el caudal de un actuador ∀ Ȧct= {(pi/4) D2S+( pi/4) (D-d)2S} nrc Para actuador 1 ∀ ȧct1= {(pi/4) D2S+( pi/4) (D-d)2S} nrc ∀ ȧct1= {(pi/4) (4,4m/100) ˄2((15 m) /100) +( pi/4) {(4,4m/100- (2m/100) }˄2(15m/100)})}(6ciclos/60s) (9,07) ∀ ȧct1= 2,68×10-4 m3/s Para actuador 2 ∀ ȧct2= {(pi/4) (6,3m/100) ˄2 (15m/100) +( pi/4) {(6,3m/100- (2.54m/100) }˄2(15m/100)}1ciclos/60s) (9,07) ∀ ȧct2= 9,58×10-5m3/s Caudal de la instalación ∀ ȧct1=2,68L/s (2,68×10--4m3/s) ∀ ȧct2=9,58L/s (9,58×10-5m3/s) ∀ ̇́ =ΣVact+(Fsimultaneidad)(Fuso) Factor de simultaneidad = 0,94 (para 2actuadores) Factor de uso=1 (se especificó frecuencia de conmutación) ∀ ̇́ = (2,68L/s+9,58L/s) (0,94) (1) ∀ ̇́ =11,52L/s ∀ i̇nst= ∀ ̇´+∀ ̇´ (%reserva/100) + ∀ ̇´(%reserva/100) (%fuga/100) F.S %reserva=30% %fuga=3% (aceptable del 2% al 10%) ∀ i̇nst=[11,52L/s+(11,52L/s) (30÷100) + 11,52L/s (30÷100) (3÷100)] (1) ∀ i̇nst1=15,07 L/s FAD Carga máxima para actuadores Suposiciones: La presión que llega a los actuadores es constante justo en el momento que inicia el movimiento. Se toma en cuenta la caída de presión propuesta de 0,03 bar [20]. A1p=π/4(4,4m/100) 2= 1,52×10-3 m2 A2p=π/4(6,3m/100) =3,11×10-3 m2 Carga máxima que soportan los actuadores F1max = p1(A1p) P1= 8bar-0,03bar= 7,97×105pa F1max = (7,97×105pa) (1,52×10-3m2) F1max = 1211,4 N F2max = p1(A2p) P1= 8bar-0,03bar= 7,97×105pa F2 max= (7,97×105pa) (3,11 ×10-3m2) F2max = 2478,67 N Pandeo Actuador 1 Carrera= 15cm Fmax =1211,4 N Fpandeo= 2 (pivote y guiado rígido) Lb=carrera × Fpandeo Lb= 150mm × 2 Lb= 300mm Interceptando en la gráfica anterior Lb y Fmax, obtuvimos un diámetro de vástago crítico de 12 mm que comparado con el diámetro de vástago real (20mm) es menor por lo tanto de la gráfica podemos observar que el vástago no se pandea. Actuador 2 Carrera= 15cm Fmax =2478,67 N F pandeo= 2 (pivote y guiado rígido) Lb=carrera × F pandeo Lb= 150mm × 2 Lb= 300mm Interceptando en la gráfica anterior Lb y Fmax obtuvimos un diámetro de vástago crítico de 12 mm que comparado con el diámetro de vástago real (25mm) es menor por lo tanto de la gráfica podemos observar que el vástago no se pandea Actuador de doblado Características: Diámetro 44mm Carrera 150mm Presión ideal 120psi Fuerza 1258N Masa 128,4kg Actuador de corte Características: Diámetro 63mm Carrera 150mm Presión ideal 120psi Fuerza 2579N Masa 263kg Cargas requeridas Doblado Corredera Cizalla Guayas 1/4 26,31kg 11,16kg 347,2kg máx. 3/8 88,8kg 37,67kg 781,1kg máx. 1/2 210,5kg 89,28kg 1388,7kg máx. Válvula para actuador de corte Válvula solenoide 5/2 de la marca stnc fueron diseñadas para satisfacer una amplia gama de aplicaciones neumáticas las válvulas tienen bajos consumos de energía y altas velocidades de flujo con aluminio resistente riesgos de pintura electrostática y daños físicos. Características: Vías y posiciones 5/2 Diámetro nominal 8mm Fluido aire Presión de trabajo 1,5 bar – 8bar Frecuencia de trabajo 5ciclos/s Válvula para actuador de corte Válvula solenoide 5/3 de la marca stnc fueron diseñadas para satisfacer una amplia gama de aplicaciones neumáticas las válvulas tienen bajos consumos de energía y altas velocidades de flujo con aluminio resistente riesgos de pintura electrostática y daños físicos. Características: Vías y posiciones 5/3 Diámetro nominal 8mm Fluido aire Presión de trabajo 2 bar – 8 bar Frecuencia de trabajo 3ciclos/s Tubo flexible neumatico Características: Diámetro nominal: 8mm Presión 120 psi Compresor y Deposito Compresor de altas prestaciones eléctrico cd225 y eco225 MPC CD-225 Voltaje: 120v Capacidad del depósito: 25L Aire aspirado: 220l/min;14.8m³/h Potencia: 2Hp;1.5Kw Revoluciones por minuto 2850R.P.M: Presión máxima: 8Bar Nivel acústico: 97dB-A Dimensiones(mm): 560x240x560 Peso: 22Kg VII. PROCESO El flujo de las fuerzas es como sigue: la presión del sistema, que se asume en 120 psi actúa sobre el émbolo del pistón de Doblado, generando una Fuerza bruta máxima según la tabla. Luego de las pérdidas como la fricción en la camisa y la contrapresión, la fuerza es transmitida al vástago que a su vez es solidario con la cremallera, está le imprime un movimiento rotativo al engranaje debido a la componente tangencial de la fuerza, a la vez que se imprimen mutuamente una componente normal debido al ángulo de presión de 20 grados. Luego de esto el engranaje le transmite una torsión al eje a través de una chaveta a la vez que le transmite una fuerza flectora en la superficie de contacto. Al otro extremo del eje se encuentra un pequeño brazo de trabajo que sostiene a la varilla como una horquilla y se encarga de doblar la varilla al rodar. A continuación, se presenta el circuito neumático y electroneumático. VIII. DIAGRAMA DE FASES Logica de proceso. IX.RESULTADOS El aumento de productividad a la hora de establecer rangos de tiempo óptimos en la producción de estribos es el principal reto final encontrado según el proceso experimental montado puede encontrarse una rendimiento de 30%, es decir una persona manualmente demoraría más haciendo el producto que la maquina creada, aparte de la fusión de tres ramas conjugadas para ser previstas de dotación y posteriormente un proceso automatizado con un solo pulsador. X. CONCLUSION Con las pruebas realizadas del sistema electro neumático se comprobó el funcionamiento del sistema de doblado y corte de la varilla. Las pruebas desarrolladas mostraron que con el método secuencial de control electro neumático empleado en el proceso se logró reducir el tiempo empleado en el doblado y corte de la varilla y así se logra un mayor número de piezas en un tiempo establecido, algo que sería muy favorable al llevarlo a la industria. El software FluidSIM es una herramienta fundamental que proporciono el modelado del sistema planteado en el diseño de la máquina, es de fácil entendimiento e interacción con el usuario. La neumática fue el sistema propuesto más conveniente para este proyecto debido a su bajo costo en comparación con otros sistemas como el hidráulico, también porque proporciona la fuerza necesaria para realizar nuestro proceso y es de fácil manipulación. La herramienta Solidworks usada en el diseño de piezas dimensionalmente y la programación del microcontrolador arduino aportaron datos esenciales para el correcto funcionamiento del sistema. XI. ANEXOS Anexo 1. Modelamiento del sistema neumático y electro-neumático en FluidSIM. Anexo 2. Solidworks. Anexo 3. Ficha técnica (Válvulas). Anexo 4. Videos de montaje y pruebas de programación y electrónica. XII. REFERENCIAS [1] J. Carmona, J. Pérez, "Diseño electro neumático para máquina de doblado y planchado de prendas", "Trabajo de ciclo de tecnología", Pereira, Universidad Tecnológica de Pereira, 2014. [2] K. Rosillon, "Diseño de una dobladora de tubo manual de sección circular para el taller de fabricación del I.U.T. Antonio José de Sucre", Santiago Mariño, Venezuela, 2014. [3] M. Glavind, "Unique concrete structures tailor-made with the use of SCC", robots and digital architecture, in: FIB Conference, Third International Congress and Exhibition, Washington, USA, 2010. [4] D. Fall, K. Lundgren, R. Rempling, K. Gylltoft, "Reinforcing tailor-made concrete structures: alternatives and challenges", Eng. Struct. 44 (2012) 372–378 [5] G. D. Tufektshiev, "Automatic Machine for Making Stirrups and Structural Reinforcement", U.S. Patent 3563283, Feb. 16, 1971. [6] R. L. Schenck, G. Y. Schenck, F. W. Senft, "Bending Machine", U.S. Patent 3 680 347, Aug 1, 1972. [7] A. Kroetch, "Tube bender and cutter", U.S. Patent 3724256, Apr. 3, 1973. [8] J. D. Lee, "Portable Rebar Bending Device and Method", U.S. Patent 5653139, Aug. 5, 1997. [9] D. Lee, "Powered Rod Cutting and Bending System and Method for Fabricating Same", Application Patent U.S. Nº 0115558, May 22, 2008. [10] J. Cortsen, J. Jorgensen, D. Solvason, H. Petersen, " Simulating robot handling of large scale deformable objects: manufacturing of unique concrete reinforcement structures", in: 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA, 2012, pp. 3771–3776. [11] J. Jorgensen, L. Ellekilde, H. Petersen, "Robworksim—an open simulator for sensor based grasping", in: Joint 41st International Symposium on Robotics (ISR 2010) and the 6th German Conference on Robotics (ROBOTIK 2010), Munich, 2010. [12] S. Y. Jin, N. Wu, Y. J. Jia, G. Z. Cheng, "Crank and Slide Rebar Cutting Machine", Aplicado en Mechanics and Materials, Vol. 189, pp. 330-333, 2012. [13] J. Cortsen, J.A. Rytz, L.-P. Ellekilde, D. Solvason, H.G. Petersen. "Automated Fabrication of double curved reinforcement structures for unique concrete buildings", Aplicado en Robotics and Autonomous Systems, University of Southern Denmark. [14] D. Dickson, "Rebar Cutting, Bending and Shaping", Application Patent U.S. Nº 0068265, Mar. 12, 2015. [15] J. Kuffner, S. Lavalle, "RRT-Connect: an efficient approach to single-query path planning,", in: Proc. IEEE Int’l Conf. on Robotics and Automation, ICRA’2000, San Francisco, CA, 2000, pp. 995–1001. [16] R. Geraerts, M.H. Overmars, "Creating high-quality paths for motion planning", Int. J. Robot. Res. 26 (8) (2007) 845–863. [17] «Language Reference». http://arduino.cc (en inglés). Consultado el 22 de diciembre de 2013. Disponible en: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno. [18] C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X. Disponible en: http://www.xatakaciencia.com/tecnologia/sensores-infrarrojos. [19]Vistrónica, Tienda virtual electrónica (on line), Disponible en: https://www.vistronica.com/robotica/motores/servomotor-mg995-pinoneria-metalica-180- detail.html [20] S. R. Majumdar,” Necesidades básicas para el sistema neumático y disposición de la tubería”, en Sistemas Neumáticos, McGraw Hill, 1997, pág. 14. http://arduino.cc/en/Reference/Extended http://arduino.cc/ https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno http://www.xatakaciencia.com/tecnologia/sensores-infrarrojos
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