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1 4 Cálculos y Selección de Componentes. 4.1 ornillo de bolas. En esta sección se presenta la selección y cálculo de ornillo de Bolas Recirculantes utilizado en SEDL1 (ver lista de planos en Anexo). Los tornillos de bolas tienen una capacidad de carga muy elevada, mas elevada que un tornillo convencional del mismo diámetro, y no sufren las características de adhesión y deslizamiento de las uniones deslizantes. La baja fricción de los tornillos de bolas hace que puedan ser impulsados hacia ambas direcciones y, por lo tanto, no son autobloqueantes (se refiere a las situación en la cuál el tornillo no podrá ser girado por la aplicación de cualquier magnitud de fuerza que se aplique axialmente). Por lo tanto para sujetar una carga impulsada por un tornillo de bolas deberá utilizarse un freno o un motor que pueda proveer el torque necesario para sujetar dicha carga. La selección del tornillo de Bolas se hace simultáneamente con la selección del motor impulsor y se hace de la siguiente manera: Nomenclatura B ornillo de bolas otal orque total para mover el B, V m Velocidad máxima, Fricción orque debido a la fricción, V a Velocidad Promedio, Aceleración orque debido a la aceleración t a tiempo de ascenso, f orque perdido por fricción en el rodamiento lineal P paso c orque debido a la fricción en componentes rotacionales. µ coeficiente de fricción dinámica, F Carga. M masa, J Carga Momento de inercia debido a la carga a g aceleración debida a la gravedad, J B Momento de inercia debido al B e eficiencia del tornillo de bolas, J Motor Momento de inercia debido al Motor R radio del tornillo de bolas, ω velocidad angular ρ densidad del tornillo de bolas, g orque debido a la acción de la gravedad 17

2 Figura 4-1. Diagrama de movimiento lineal de la tuerca del tornillo de bolas. En este diagrama tiempo contra velocidad del tornillo suponemos una aceleración constante y debido al tiempo tan corto de la operación en cuanto llega a su velocidad máxima comienza a descender hasta llegar a cero. Datos. p =5mm/rev (propuesto) e =0.9 µ =0.004 R =0.015 m (propuesto) M =50kg ρ = kg/m ag =9.81m/s Formulario. Va =L/t Ec. 1 Vm=Va Ec. ta=t/=1/=0.5s Ec. 3 otal = Fricción+ Aceleraión Ec. 4 Fricción= f + c Ec. 5 Fp f = π e Ec. 6 F=µMa g Mp J = Carga π ϖ = p ( π) Ec. 7 Ec. 9 Ec. 11 J Aceleració n J = e Carga ornillo de Bolas= + J ornillodebolas 4 πlρr + J Anexo A1-3 Motor ϖ ta Ec. 8 Ec. 10 Operaciones. Va =0.06m/1s=0.06m/s Vm =(0.06m/s)=0.01m/s a =1s/=0.5s 18

3 F = µma J J J f c Fricción Carga Motor Fp = = = 1,7347 N m π e = 4.5x10 = = = 1,96 N + = 4,69x10 N m Mp = = = 3.16x10 (π ) ( ) = 7 = 9x10 kg m -4 = 0.5x10 kg f m (Ref. ) π Vm rad = = 75.3 p s ornillo de Bolas ϖ = g total 3.16x10 = 0.9 = Nm = = 0.350Nm total1 total Nm g Aceleración f = 4.69x10 = Nm = c (Movimiento N m (Ref.3) = 1, ,5x x ± = (Movimiento hacia abajo) = x10 kg m hacia arriba) = Selección. El proceso de selección de un tornillo de bolas es iterativo. En este se debe suponer un diámetro de tornillo y un paso, se analizaron otras alternativas sin embargo algunas opciones requerían de un torque mas alto, lo que suponía la selección de un motor de mas potencia, mas caro y con mayor volumen, otras alternativas simplemente no eran factibles. De acuerdo a las suposiciones hechas en los cálculos anteriores el tornillo de bolas tiene 1 mm de diámetro y un paso de 5 mm/rev. La longitud necesaria es de 60 mm. El ensamble consta de un tornillo, una tuerca y dos bloques soporte que se mencionan a continuación, Plano SEDL1 (ver lista de planos en Anexo) BSPRM01L05M (referencia [ 4]), A1-6, A1-7 ) Ensamble que consta de: - ornillo P5 x 60mm de longitud, con maquinados en los extremos para bloques de montaje y una extensión para motor. - uerca Bloques soporte 19

4 4. Motor Eléctrico Impulsor del ornillo de Bolas. Debido que la selección del Motor Impulsor se hace simultáneamente a la del ornillo de Bolas en este momento se puede decidir la potencia necesaria para las necesidades de movimiento de la operación de embobinado, plano SEDL1 (ver lista de planos en Anexo). Los servomotores son capaces de aportar velocidades variables y debido a que funcionan bajo un sistema de lazo cerrado la confiabilidad es bastante alta cuando son utilizados. Como el ornillo de Bolas no es autobloqueante, es necesario que el motor impulsor sea capaz de soportar el orque debido a la gravedad g, que genera la carga del tonillo. El servomotor es capaz de mantener una velocidad igual a cero mientras aplica el torque. Es por eso que se torna necesario usar un servomotor. El total1 (torque total requerido) es Nm, mientras que el torque g (torque debido a la gravedad) es de Nm. El total1 se aplica prácticamente instantáneamente, mientras que habrá momentos durante la operación en que se requiera mantener la carga en una posición determinada por más de 3 segundos (tiempo en que se aplica el torque máximo para un motor). El espacio reducido y mínimos componentes es lo que se buscaba en el diseño por eso se decide no usar reductores o embragues. El proveedor expuso también que el motor mientras esté energizado es capaz de soportar las solicitaciones del tornillo y las cargas. En el caso de una falta de energía el dispositivo llamado Unidad Neumática de Expulsión detendrá las cargas a las que está sometido tornillo hasta que se reestablezca la energía. Gracias a esos criterios podemos decir que el siguiente motor es el adecuado para la realización del movimiento requerido. Selección. Motor marca Yaskawa SGMAH-04, para mas detalles Apéndice A1-8 Figura 4-. Diagrama orque Velocidad (SGMAH-04). 0

5 4.3 Motor Eléctrico Conformador. El proceso de conformado de la bobina requiere que mediante una herramienta se doble el alambre de sección rectangular sobre el borde mas pequeño. Para lograrlo se realiza el análisis siguiente con la finalidad de conocer el torque necesario para doblar o conformar la espiral de la bobina. Una vez determinado dicho torque se decidirá si es necesario utilizar una transmisión o si es posible conectar directamente el motor a la herramienta conformadora (mandril). Plano SEUC1 (ver lista de planos en Anexo) Análisis eórico. Para el cálculo de par (deformaciones plásticas y esfuerzo de cedencia para secciones transversales rectangulares) requerido para el conformado de la espiral de la bobina se recurrió a la expresión que se muestra a continuación (referencia [ 6]). Figura 4.4. M = p 1 σ 4 y w h (10) Nomenclatura. Mp - Momento flexionante req. (kgf m) w - Ancho de la pieza a doblar (mm) σy - Esfuerzo de cedencia (kgf/mm) h - Alto de la pieza a doblar (mm) Datos. h = 7.3 mm w = 3.5 mm Cálculos. M p 1 kg = mm f σy=30.9 kgf/mm ( 3.5 mm)( 7.3 mm) Mp Resultados. =14.11Nm 4.3. Análisis Práctico. Se realizó una medición con base en un dispositivo con las dimensiones necesarias para conformar un alambre según las especificaciones. Se montó un cilindro en un 1

6 torno convencional y al ser girado, el alambre lo envuelve para formar la curvatura requerida. El giro se hizo usando un torquímetro. Se hizo una medición sin carga la cual se resto al torque medido. Con esto calculamos el torque necesario para formar la curvatura de diámetro 5 mm. Las mediciones se muestran en la abla 4-1. Los dos análisis concuerdan. Las mediciones llevan a pensar que el orque necesario para conformar la Bobina puede ser proporcionado por un Servomotor directamente acoplado a la herramienta o mandril. Si se quisiera usar un Motor de menor Potencia con una transmisión que la aumentara, se tendría que utilizar mas espacio en el mecanismo. Esto no es conveniente para la aplicación que se desea. abla 4-1. Mediciones del torque requerido para conformado. orque a 19.6 N m vencer orque orque Num. medido requerido Probeta (N m) (N m) Promedio eórico Selección. Motor Yaskawa SGMGH 13, para mas detalles Apéndice A1-10 Figura 4-3. Diagrama orque Velocidad (SGMAH-04).

7 4.4 Guías Lineales y Perfil de Aluminio como Elemento Estructural. A este momento se ha seleccionado parte de un sistema que puede proporcionar un alto nivel de exactitud. La carga debe ser guiada de una forma que también asegure un posicionamiento preciso. Las guías de movimiento lineal basadas en perfiles de aluminio ofrecen posicionamiento con precisión suficiente para la aplicación del servomecanismo. El perfil de aluminio, además de ser base del uso de las guías de movimiento lineal, servirá como elemento estructural que dará soporte al ornillo de Bolas y al Motor Impulsor de éste. Plano SEES1 (ver lista de planos en Anexo). Selección. Perfil mk (Anexo A1-11) Carril Guía KU 5.10 con elementos de Fijación B (Anexo A1-1) Carro Guía KU 5.13 A Rodamiento. Los rodamientos generalmente consisten de dos anillos, elementos de rodadura y una jaula, y están clasificados en rodamientos radiales y rodamientos de empuje dependiendo de la dirección de la carga principal. Adicionalmente, y dependiendo de los elementos de rodadura, están clasificados en rodamientos de bolas o de rodillos, estando éstos a su vez divididos por diferencia de diseño o aplicación específica. Plano SEUC1 (ver lista de planos en Anexo) Análisis Para Selección Del Rodamiento. 1.- = 14.1 Nm.- La fuerza tangencial sobre la herramienta se determina a partir del par de torsión y de su radio. Fx=/r=14.1N-m/0.015m=118N 3

8 La fuerza normal a la herramienta se determinó utilizando un experimento en la máquina Instron. De la siguiente manera por inversión de movimiento. Figura 4-4. Ilustración de la Inversión de Movimiento. El resultado obtenido fue de una fuerza en la dirección del eje Z con un valor de N. Figura 4-5. Diagrama de la disposición de la herramienta y los rodamientos. De aquí se parte para definir los diagramas de cuerpo libre y el análisis estático de fuerzas y momentos flexionantes mostrados en la figura

9 Figura 4-6. Diagramas de cortante y momento para el análisis de fuerzas de la herramienta. 3.- ΣF x =0 ΣM 1 =0 R 1x +R x -118=0 R x (90)-118( )=0 R 1x = = R x = ΣM=0 M (90)-118(93.9)=0 M=0 ΣF z =0 R 1z +R z =0 R 1z = = ΣM 1 =0 R z (90)-491.9( )=0 R z = ΣM=0 M+513.1(90)-491.9(93.9)=0 M=0 La Fuerza por Cortante Máxima Vm y el Momento de Flexión Máximo se puede calcular de la siguiente forma. Vm = ((V mx ) + (V mz ) ) 1/ = (( ) +(-513.1) ) 1/ = N Mm = ((M mx ) + (M mz ) ) 1/ = ((07.43) +(90.46) ) 1/ = 6.9 Nm Selección El diámetro interior de la bobina es de 5 mm por lo que la herramienta debe tener el mismo diámetro. Por lo tanto los diámetros del rodamiento deben ser de 5 mm en este caso se escogen dos rodamientos del tipo: 5

10 SKF Según podemos apreciar en la tabla (Apéndice A1-14) el rodamiento soporta fácilmente los sometimientos del análisis anterior. En cuanto a la instalación es preciso mencionar que uno de los rodamientos será ajustado a la flecha, el otro quedará libre permitiendo así el desplazamiento lineal de la flecha. 4.6 Coples Flexibles. El uso de coples flexibles es adecuado cuando se conectan servomotores directamente a una flecha o a un tornillo de bolas, esto debido a que permiten cierto desalineamiento axial, radial y angular. Los coples flexibles utilizados se seleccionaron basados en dos criterios, la geometría y el torque que transmiten. 1. El Cople BKL 0004 fue seleccionado para transmitir movimiento del servomotor al tornillo de bolas seleccionado. El diámetro de la flecha del motor es de 8 mm y el del tornillo de bolas es de 9.7 mm el cople se ajusta fácilmente. El torque requerido de transmisión es de 0.71 Nm de acuerdo a la tabla A El cople BKL 0015 fue seleccionado para transmitir movimiento del servomotor a la herramienta de una forma directa. El diámetro de la flecha del motor es de mm y el de la herramienta es de 5 por lo que el cople se puede ajustar a esos diámetros. La distancia entre ejes también se ajusta para que el cople pueda funcionar de manera adecuada. El torque requerido es de 14.1 Nm de acuerdo a la tabla de A

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