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NS – M – 82 CNC PARA SOLDADURA POR MICROALAMBRE


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Mecatrónica

Equipo: CNC MIG

Miembros del equipo:
Carlos Eduardo Escobar Benítez
Everardo García Gómez
José Elías Román Flores

Asesor: Ing. Marisol Coba Martínez

Escuela: Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Tlalnepantla

Resumen

Los estudios realizados a soldadores y cortadores con flama han mostrado que estos trabajadores tienen un alto riesgo de contraer cáncer de pulmón, y posiblemente cáncer de la laringe y del tracto urinario.

Dichos hallazgos no sorprenden si se está expuesto a grandes cantidades de sustancias tóxicas envueltas en los humos de soldadura, incluyendo agentes cancerígenos tales como el cadmio, níquel, berilio, cromo y arsénico.

La soldadura es un proceso de fabricación muy utilizado en diferentes industrias sobre todo la metalmecánica, es importante mencionar que el uso de la soldadura en la industria, suele tener inversiones elevadas. Sin embargo, la generación de utilidad es proporcional a esta inversión, por lo que es un proceso de gran utilización en los diferentes tipos y niveles industriales.

Si bien existen sistemas robotizados que posibilitan una optimización de este proceso, ya que es realizada por robots industriales de soldadura, esta solución es aplicable solo a las industrias grandes que pueden realizar grandes inversiones, sin embargo, para la mediana y pequeña industria siguen siendo soluciones no viables.

Por lo anterior hemos desarrollado una máquina de control numérico bajo un diseño cartesiano de 3 ejes que pueda realizar el proceso de soldadura por microalabre en determinados diseños y bajo un espacio de trabajo de 50 x 45 cm.

Este cnc para soldadura está pensado en la implementación de la pequeña y mediana industria metalmecánica que permitirá cuidar la salud de los operadores, asegurar la calidad de la soldadura y mejorar los tiempos de producción.

Pregunta de Investigación

¿Cómo disminuir riesgo de salud para la personas que realizan procesos de soldadura con flama?

Planteamiento del Problema

Soldar con flama es un proceso que representa varios riesgos de salud ara las personas encargas de este trabajo, tales como quemaduras, riesgo ocular, enfermedades respetarías, varios tipos de cáncer etc.

Todo lo anterior es conocido ya desde mucho tiempo, razón por la cual existen normas de seguridad como la NOM-027-STPS-2008.

Sin embargo, muchas veces son solo las grandes industrias quienes aplican la normatividad requerida y de hecho cuenta con alta tecnología, como lo es el uso de robots industriales de soldadura para este proceso, que si bien representa una alta inversión es equiparable con el retorno de la inversión.

Sin embargo, la mediana y sobre todo la pequeña industria, o en su defecto talleres de metalmecánica, no aplican y a veces no conocen estas normas de seguridad para este proceso, tampoco invierten o usan tecnología que mejore las condiciones de los soldadores con flama.

Las personas dedicadas a este trabajo muchas veces no son conscientes de los riesgos de salud tan graves que implica el respirar humo metálico, peor aun cuando se enteran de los problemas de salud ocasionado por ello, es demasiado tarde.

Antecedentes

Como sabemos el proceso de soldadura es un proceso permanente donde los materiales asoldar se fusionan, la soldadura ha tenido mucho impacto a través de los años ya que en el año 310 en la india fue realizado este proceso para la creación del pilar de hierro de Delhi, y más tarde en la edad media llego la soldadura de fragua donde consistía en que los herreros golpeaban repetidamente el metal caliente para así obtener la unión entre esos dos metales.

En el siglo XIX fue donde su evolución fue más grande ya que 1800 sr Humphrey Davy invento la soldadura por arco eléctrico, la soldadura por arco durante estos años tuvo gran popularidad, surgiendo técnicas como la soldadura por arco de carbón, en la cual se utilizaba un electrodo de carbón.

De igual forma la soldadura impacto mucho tanto en la primera guerra mundial como en la segunda, ya que aumento la preocupación de usar la mejor soldadura posible para los aviones, barcos, etc.

La soldadura de gas de metal inerte o soldadura MIG es un proceso semiautomático o automático ya que usa una máquina de alimentación continua de alambre como electrodo, y una mezcla de gas inerte para protección de la soldadura contra la contaminación.

Los procesos de soldadura se dividen en dos categorías principales: soldadura por fusión, en la cual se obtiene una fusión derritiendo las dos superficies que se van a unir, y en algunos casos añadiendo un metal de aporte a la unión; y soldadura de estado sólido, en la cual se usa calor o presión o ambas para obtener la fusión, pero los metales base no se funden ni se agrega un metal de aporte.

La soldadura por fusión es la categoría más importante e incluye: la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por resistencia, la soldadura con oxígeno y gas combustible y otros procesos de soldadura por fusión. Los procesos de soldadura por fusión se analizan en las cuatro secciones siguientes, que cubren las operaciones de soldadura de estado sólido. Y posteriormente, examinamos temas relacionados con todas las operaciones de soldadura: calidad de la soldadura, soldabilidad y diseño para soldadura.

Tenemos entendido que la soldadura por micro alambré se utiliza con gases para su fundición De los seis gases inertes existentes y utilizados (argón, helio, neón, criptón, xenón y radón) el argón es el más empleado en Europa, mientras que es el Helio el que se utiliza en Estados Unidos. El argón se ioniza fácilmente, de manera que la tensión del arco bajo argón es sensiblemente inferior que bajo helio. El argón puro solo se utiliza en la soldadura del aluminio, el cobre, el níquel o el titanio. Si se aplica al acero, se producen mordeduras y cordones de contorno irregular. La soldadura con gas helio produce cordones más anchos y con una penetración menor que cuando se suelda con argón.

También existe otro tipo de mezcla de argón con cantidades inferiores al 5% de oxígeno que no modifica el carácter de inerte de la mezcla y que mejora la capacidad de “mojado”, es decir, la penetración, ensanchando la parte inferior del cordón, y todo esto debido a que el oxígeno actúa sobre la tensión superficial de la gota.

Objetivo

El principal objetivo de esta investigación se centra en diseñar, fabricar y poner al alcance de pequeños talleres una solución de tecnología, que disminuya riesgos de salud sin perder calidad, ni disminuir la productividad.

Después de considerar varias propuesta e investigaciones se decidió realizar un robot cartesiano, que trabaje bajo control numérico por computadora, lo que permitirá una mayor precisión y repetibilidad, asegurando con ello la calidad y rapidez de producción, permitiendo al soldador realizar un trabajo mas seguro, que disminuye los riesgos de salud y mejora su calidad de vida, sobre todo en talleres y la pequeña indutria.

 

Justificación

Atendiendo esta problemática se decidió realizar una propuesta viable que reduzca el riesgo y permita seguir realizando el proceso de soldadura de manera eficiente y con alta calidad.

Esta investigación es importante debido a que se enfoca en buscar alternativas y soluciones viales que permitir cuidar y mejorar la calidad de vida de personas que realizan trabajos de soldadura, lo cual representa una tarea peligrosa, difícil y repetitiva. Por lo que se considera un proceso viable de automatización.

Hipótesis

Entonces una vez realizada la investigación y haber tomado en cuenta la problemática a resolver, se considerará que los gases seguirán existiendo, pero para eso el operador se encontrara por lo menos a un metro de distancia realizando el trabajo y verificar el buen funcionamiento de la máquina en caso de que algo llegara a salir mal. De igual manera se tiene contemplado que la soldadura aplicada no será igual a la de un profesional en el ámbito, ya que existen diferentes tipos de soldadura, llamadas en campo como cordones.

con esta propuesta se reducirán riesgos importantes para la salud como lo son el visual, las quemaduras, la ergonomía y se disminuirá la inhalación directa de humo metálico.

 

Método (materiales y procedimiento)

Parámetros de diseño

El proceso de soldadura varia en cuanto dimensiones dependiendo del tipo y giro del taller, industria o empresa, sin embargo, para efectos de este proyecto se proponen los siguientes parámetros de diseño, considerando la soldadura de piezas y perfiles pequeños.

 

  • Configuración: cartesiano
  • Grafos de libertad: 3
  • Espacio de trabajo: rectangular
  • Dimensiones: 45 x 50 cm.
  • Materia: aluminio
  • Tipo de trasmisiones: por husillo
  • Actuadores: motores a paso

Diseño mecánico

 

El diseño asistido por computadoras, más conocido por sus siglas inglesas CAD (computer-aided design), es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y diseñadores.

SolidWorks es un software CAD (diseño asistido por computadora), y también CAE lo que permite realizar ingeniería asistida por computadora. Por lo que se utilizo para el dibujo y análisis de la estructura mecánica cartesiana propuesta.

Considerando los parámetros de diseño, se realiza el cálculo, dibujo y simulación de la estructura mecánica en configuración cartesiana de 3 ejes con un alcance en el eje X de 45 cm. En el eje Y 50 cm. En el eje Z 8 cm.

En el diseño mecánico de esta estructura fue muy importante elegir el tipo de transmisión y los rodamientos, que permitirán a los ejes desplazarse de forma eficiente, asegurando con ello la precisión.

En este caso específico se eligió el husillo cuerda ACME debido a que es mucho más preciso que las varillas o correas dentadas, también se ha elegido diseñar este subsistema con guías lineales que ayudarán a darle una dirección lineal de movimiento libre de vibraciones y baja fricción.

 

Los rodamientos son lineales con sistema de fijación directa, estos ayudarán a reducir la fricción y esto permite aprovechar eficientemente el torque de los motores.

Los actuadores encargados de generar el movimiento es un componente vital en la parte de diseño ya que de el depende el toque de la máquina, por lo que se definió en los parámetros de diseño utilizar motores a pasos nema 17, debido a que esta máquina cartesiana solo guiara la antorcha de soldadura.

Este motor paso a paso NEMA 17 es bipolar, tiene un ángulo de paso de 1.8º (200 pasos por vuelta) y cada bobinado es de 1.7A a 12 V, capaz de cargar con 4Kg/cm.

El motor PaP es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

Para realizar y cumplir con el objetivo de este proyecto que es que el CNC sea capaz de soldar con microalabre se diseñó una estructura que permitirá la mejor ergonomía de trabajo para el operador y una carcasa de protección que mantendrá el proceso de soldadura aislado.

Diseño de control

Es la parte que se encarga de interpretar las ordenes enviadas por el ordenador y convertirla en señales para que los motores realicen los movimientos necesarios durante el tiempo necesario con el fin de lograr la posición deseada. También es la encargada de obtener datos de los distintos sensores que incorpore la máquina.

Una maquina CNC está formada por un controlador, este es el cerebro de la máquina y la que coordina el resto de componentes del sistema, también es el que se comunica con el ordenador para recibir las órdenes a ejecutar por la máquina. Por otro tenemos los shields que se conectan al controlador y en las cuales van conectados el resto de dispositivos. También tenemos unos Drivers que son los que envían las señales de movimiento a los motores PaP o controlan otras partes de la máquina. Y por último tenemos los sensores que se encargan de recuperar información de la máquina.

En la actualidad existen varias tarjetas de control dedicadas a CNC para este caso especifico se elegio la tarjeta Arduino uno y el shield CNC con drivers A4988, ya que funcionan perfectamente para motores a pasos nema 17 y ofrecen una solución viable en costos.

Dispone de todas las conexiones necesarias para conectar interruptores de final de carrera, salidas de relé y diversos sensores. Es totalmente compatible con el firmware de control GRBL.

GRBL es un firmware para el control de máquinas CNC, está pensado para usarse en placas Arduino con un microcontrolador Atmega328, ya que nos permite configurar el control y desplazamiento de nuestra máquina.

Fabricaciones, ensamble y configuraciones de componentes.

Para la fabricación de las piezas diseñadas fue necesario usar máquinas y herramientas de manufactura básica y avanzadas.

Se respetaron los parámetros de diseño y se ensamblaron según hojas de procesos de fabricación desarrolladas.

Implementación y pruebas del sistema cartesiano

Después de finalizado el ensamble y configuración se realizaron las siguientes pruebas:

  • Acople de motores
  • Movimiento de los ejes
  • Correcta conexión en el sistema de alimentación eléctrica.
  • Comunicación del sistema de control con la interfaz de usuario en este caso computadora
  • Sincronía de movimientos en ejes
  • Especificación de limite de trabajo bajo software
  • Funcionamiento del paro de emergencia.
  • Funcionamiento de la soldadora por microalambre.

Galería Método

Resultados

Se desarrollo exitosamente la CNC para soldadura por microalambre, fue un trabajo que se desarrollo de la mejor manera tomando en cuenta siempre un diseño donde el operador no corriera riesgos y así fue, ya que por medio de un control manual se activa de casi un metro de distancia, así para que el operador controle el proceso de soldadura.

El CNC trabaja de una manera fluida y con una facilidad muy buena para los talleres donde necesitan optimizar tiempo, la estructura quedo de dimensiones accesibles para los espacios de los talleres donde a veces no suele tener áreas tan grandes para trabajar.

Galería Resultados

Discusión

Al realizar las pruebas para ver el buen funcionamiento de nuestro CNC vimos que los resultados fueron satisfactorios ya que el uso de nuestra máquina no fue riesgosa ni dañino para el que la ópera, de igual forma el utilizarla no se nos complico y al ver su funcionamiento claro nos dimos cuenta de futuras mejoras y estas mejorar enfocadas a los talleres que realizan estas tareas, cabe mencionar que aunque sea una maquina donde protege al operador se debe de tener el equipo de protección respetando siempre ese reglamento de trabajo y aplicando en todo momento normas de seguridad.

La meta de ingeniería plateada fue diseñar y fabricar un maquina cartesiana, de 3 ejes operada por control numérico por computador, que permita soldar, utilizando soldadura por microalambre y disminuya los riesgos de salud a los que se exponen las personas que trabajan en este proceso, sin perder la rapidez y sobre todo la calidad.

Conclusiones

Después de las pruebas realizada y obtenidas se considera cumplida la meta de ingeniería.

El desarrollo de este proyecto implico una inversión total de $10,000 pesos aproximadamente, se realizo en 3 meses de trabajo y suponemos un precio de venta al publico de $20,000 pesos, considerados como aceptables dentro de talleres pequeños de soldadura.

Cabe menciona que este es un proyecto en mejora continua y pensado para cubrir las necesidades propias de cada taller o industria, ya que bajo el diseño personalizado podemos hacer llegar esta tecnología a todos los interesados en mejorar sus procesos, cuidar la salud de sus colaboradores e invertir en tecnología que permita mejorar la calidad de sus productos y la calidad de vida de las personas.

Consideramos que el desarrollo de este prototipo es el inicio de muchas áreas de oportunidad, pues es un proyecto con amplio campo de aplicación, que soluciona problemas reales, utilizando la ingeniería y avances tecnológicos disponibles.

Bibliografía

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William, B. (2013). Mecatrónica Sistemas de Control electronico en laingenieria Mecanica y electrica .

Carlos armando de castro, Métodos Numéricos básicos para ingeniería 1 edicion

 

 



NS – M – 82 CNC PARA SOLDADURA POR MICROALAMBRE


NS – M – 82 CNC PARA SOLDADURA POR MICROALAMBRE

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography