INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE MANUFACTURA FLEXIBLE FMSTEC07 DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEHUACÁN PARA UN PROCESO DE MAQUINADO

Transcripción

1 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE MANUFACTURA FLEXIBLE FMSTEC07 DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEHUACÁN PARA UN PROCESO DE MAQUINADO Pérez Castañeda Jesús Daniel, Morales López Sergio División de Estudios de Posgrado e Investigación Instituto Tecnológico de Tehuacán Libramiento Instituto Tecnológico s/n, C.P Tehuacán, Pue., México posgrado_tec_tehuacan@yahoo.com.mx molose@hotmail.com Abstracto: En este artículo se presenta la metodología, la programación individual de cada estación y de Integración del Sistema de manufactura flexible del Instituto Tecnológico de Tehuacán, llamado FMSTEC07. Se evalúo dicha Integración por medio de un proceso de maquinado de dos piezas diferentes en el que se comprobó el nivel de Control de acuerdo a la pirámide de Automatización. Las estaciones del sistema son: un Torno CNC EMCO TURN 155, una Fresa CNC EMCO MILL 105 y una estación de bandas. Además tiene un Robot Mitsubishi RV-1A como manipulador. Es el primer trabajo de integración que se logra construir en el Laboratorio de Ingeniería Industrial del Instituto Tecnológico de Tehuacán y es una de las bases para el entrenamiento de docentes y alumnos de este Instituto, así como también una de las iniciativas para impartir capacitación a empresas e Instituciones de Tehuacán y su región. 1. INTRODUCCIÓN Un hecho inminente en las industrias manufactureras del país y de la región de Tehuacán es la innovación de la maquinaria y los procesos de trabajo usados para lograr la optimización, tanto del tiempo como de los recursos materiales y humanos empleados. Además, la creciente competencia manufacturera ha provocado que los clientes exijan una mejor calidad en sus productos mientras que los precios de éstos sean cada vez más bajos. Integrar sistemas de manufactura flexible, es ya una tarea cotidiana que es altamente demandada. Una realidad en las Universidades de Tehuacán y su región; a excepción de nuestro Instituto, es que no existe una infraestructura de este tipo, por lo tanto, no hay conocimiento, ni mucho menos entrenamiento para los estudiantes de dichas Instituciones. Por otro lado, las empresas de Tehuacán y su región comienzan a modernizar sus procesos debido a la innovación de sus maquinarias, provocando con esto una inversión económica excesiva en la capacitación de sus trabajadores. 1.1 Originalidad La originalidad de este trabajo consiste en aportar la base de los conocimientos prácticos, para lograr la Integración de Sistemas de Manufactura y en consecuencia el entrenamiento para los usuarios. 1.2 Impacto El impacto que se logra es el adecuado entrenamiento para los estudiantes de las carreras de Mecatrónica, Electrónica, Industrial y Electromecánica; así como para las nuevas generaciones de la Maestría en Ingeniería Industrial; todas las anteriores ofrecidas por el Instituto. De igual manera, las empresas de Tehuacán y su región estarán beneficiadas al disponer de una Institución que ofrezca capacitación a su personal con el entrenamiento de este tipo de sistemas y conceptos. 1.3 Objetivo Integrar de forma completamente automatizada un sistema de Manufactura Flexible. Éste se compone de 3 estaciones y un manipulador, los cuales son: un Torno CNC EMCO TURN 155, una fresa CNC EMCO MILL 105, una estación de bandas y el Robot Mitsubishi RV-1A; respectivamente. 158

2 2. DEFINICIÓN DEL SISTEMA FMSTEC07 A continuación se define la ubicación física de cada estación y el manipulador que conforman al sistema FMSTEC07. Además, se comentan las funciones e interacciones que realizan cada una de estas estaciones para tener la idea correcta acerca de la Integración del Sistema de Manufactura Flexible, para un proceso de maquinado. La figura 1 muestra la ubicación física. Figura 1. Ubicación Física del Sistema FMSTEC Estación de Torno La figura 2 muestra el torno CNC EMCO TURN 155 y está ubicado en la parte extrema derecha del FMSTEC07. La parte frontal del torno está dirigida hacia el robot. Su principal tarea es la de construir una de las piezas del proceso de maquinado, la cual en adelante nombraremos como pieza A. Esta estación tiene las funciones de abrir su puerta para recibir materia prima, cerrar puerta para realizar el desbaste correspondiente y construir la pieza A, abrir nuevamente su puerta para conseguir sacar la pieza y por último cerrar puerta. Figura 2. Torno CNC EMCO TURN Estación de Fresa La Figura 3 muestra la Fresa CNC EMCO MILL 105 y está ubicada en la parte extrema izquierda del FMSTEC07. Su parte frontal está dirigida perpendicularmente hacia el eje de desplazamiento del Robot y en el extremo derecho del mismo. Su tarea consiste en elaborar la segunda pieza del proceso de maquinado, la cual en adelante nombraremos como pieza B. Esta estación tiene las funciones de abrir su puerta, cerrar la misma para transformar la materia prima recibida en la pieza B, abrir puerta para sacar pieza y por último cerrar puerta. 159

3 Figura 3. Fresa CNC EMCO MILL Estación de Bandas La estación de bandas se encuentra en la parte central del sistema FMSTEC07, entre el torno y la fresa y enfrente del robot. Se compone de 3 bandas; 2 de ellas son para proveer la materia prima y la tercera para recibir las piezas A y B. Las 2 bandas; identificadas como B1 y B2, tienen un sensor en el desviador para detectar pieza y otro sensor para detectar pieza al final de la banda y avisar al robot que puede tomar pieza. La banda B3, tiene un sensor para detectar pieza al final de la banda. 2.4 El Robot En la Figura 4 se muestra este manipulador y está ubicado en la parte central de todo el sistema. Es un Robot Mitsubishi RV-1A y puede moverse sobre un eje lineal para interactuar entre cada una de las estaciones. Específicamente desplaza materia prima de la banda B1 al torno y de la banda B2 a la fresa. Una vez que se dispone de la pieza A o la pieza B, el robot lleva éstas a la banda B3. Groover Mikell P. (1989). Figura 4. Robot Mitsubishi RV-1A. 2.5 Controlador CVR-571 Cada una de las tareas que se realizan en el sistema, son administradas por el programa ubicado en el Controlador CVR-571, éste se encuentra ubicado detrás de la estación de bandas. Este dispositivo se compone de su etapa de potencia; para desplazar los servomotores del robot, conectores de entrada y salida; para recibir y mandar señales 160

4 eléctricas que comunican con cada una de las estaciones e incluso una entrada para manipular el robot mediante el Teaching Box R DISEÑO DE PIEZAS EN CNC En esta sección se explica brevemente el diseño en CAD de la pieza A y B, las características y la configuración de las herramientas a utilizar en CAM y la simulación en 3D de ambas piezas. El software utilizado fue el WinCAM by EMCO versión 2.43 bajo Windows XP. Los manuales de referencia para el manejo de dicho software son Descripción del software EMCO WinCAM Torneado Sistema de Programación CAD/CAM (2002) y Descripción del software EMCO WinCAM Fresa Sistema de Programación CAD/CAM (2002). 3.1 Diseño de la Pieza A Para obtener el código fuente en CNC de la pieza A se deben realizar varias etapas. La primera de ellas es elaborar el dibujo en CAD, posteriormente se eligen las herramientas de desbaste para el diseño en CAM. Se ejecuta la simulación en 3D de la pieza y automáticamente se obtiene el código fuente en CNC (EMCO Industrial Training Systems, Descripción del software EMCO WinNC Series FANUC 21MB (2003)), para cargarlo en el torno. La tabla 1 muestra las características de las herramientas (en la tabla abreviada como hta) usadas para la construcción de la pieza A en CAM. La tabla 2 especifica las características del maquinado de dicha pieza para ambas herramientas. Tabla 1. Característica de las herramientas para la pieza A. Tabla 2. Valores de los parámetros configurados para el mecanizado de la pieza A Característica de la herramienta Herramienta acabado izquierda Herramienta acabado derecha Ángulo hta 59.5 o o Ángulo corte 27.5 o 27.5 o Longitud corte 7.75 mm 7.75 mm Radio corte 0.4 mm 0.4 mm Nombre parámetro Avance Vel Husillo Lím Velocidad Valor parámetro 0.1 mm/min 500 m/min 1000 rpm Como paso final se realiza la simulación en 3D de la pieza A, para verificar si el proceso de acabado no sufre alguna alteración y si la pieza quedará como lo esperado. El resultado de la simulación 1 en 3D de la pieza A en WinCAM by EMCO versión 2.43 se muestra en la Figura 5. Figura 5. Resultado de simulación 1 en 3D de la pieza A. 161

5 3.2 Diseño de la Pieza B Para el código fuente en CNC que se carga en la Fresa EMCO MILL 105 de la pieza B se deben realizar las mismas etapas que se desarrollaron en el Torno. Se realizó el dibujo en CAD, después se configuraron y eligieron las herramientas a utilizar y por último se obtuvo la simulación en 3D, para verificar que el proceso de desbaste no tuviese alteraciones de lo esperado. Las herramientas utilizadas para la elaboración de la pieza B son las siguientes: Hta 1.- Fresa Ranurada de 2 filos a 3mm. Hta 2.- Fresa Ranurada de 2 filos a 8 mm Hta 3.- Broca cilíndrica 2 mm. La tabla 3 muestra las características de las herramientas usadas para la construcción de la pieza B. En la tabla 4 se muestra los parámetros usados en el mecanizado de la pieza B. En la Figura 6 se muestra el resultado de la simulación 2 en 3D de la pieza B. Tabla 3. Característica de las herramientas para la pieza B. Tabla 4. Valores de los parámetros configurados para el mecanizado de la pieza B. Característica de Hta. Hta 1 Hta 2 Hta 3 Áng Hta mm 0.0 o 0.0 o 0.0 o Long Hta mm Radio corte mm Nombre parámetro Avance Vel Husillo Valor parámetro 1 mm/min 500 rpm/min Figura 6. Resultado de simulación en 3D de la pieza B. 4. PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA FMSTEC07 Esta sección presenta la programación en MELFA BASIC bajo Windows XP para la Integración del FMSTEC07. En este software se programó la secuencia y las posiciones que el robot debe seguir, así como también las acciones que deben realizar las estaciones. El código fuente que se genera se descarga en el controlador CVR-571. Este dispositivo se encarga de administrar la secuencia de acciones que sucederán en el proceso de maquinado dependiendo de las operaciones preestablecidas y las condiciones que estén operando en el Sistema Flexible. Lo anterior se logra por medio de señales eléctricas provenientes de sensores en cada estación, las decisiones que se implantaron en el proceso y la ejecución de las acciones o movimientos por medio de la activación de actuadores, tales como: electroválvulas, motores de cd, desplazamiento del robot, abertura y cierre de puertas de máquinas de CNC, etc. Como puede verse este es el cerebro del proceso de maquinado. 162

6 4.1 Señales de entrada y salida del Torno Se muestran en la tabla 5 las señales de entrada y salida que utiliza el torno en comunicación con el Controlador CVR- 571, por medio del cual se administra la secuencia de los pasos en las que interactúa esta estación. Se debe notar que las direcciones de entrada al Torno (IN 40, por ejemplo) son órdenes o comandos que provienen del Controlador CVR-571 y por lo tanto activan su correspondiente actuador, es decir, en este caso le solicita que abra su puerta. Por otro lado, las direcciones de salida del Torno (OUT44, por ejemplo) son avisos al Controlador CVR-571 de que ya realizó una acción determinada. Tabla 5. Direcciones de señales de entrada-salida Torno-Controlador CVR-571. Señales de entrada hacia el Torno Dirección Puerta abierta IN 40 Puerta Cerrada IN41 Señales de salida del Torno Dirección Abre la puerta OUT44 Cierra la puerta OUT45 Abre el sujetador OUT46 Cierra el sujetador OUT Señales de entrada y salida de la Fresa Se muestran en la tabla 6 las señales de entrada y salida que utiliza el torno en comunicación con el Controlador CVR- 571, por medio del cual se administra la secuencia de los pasos en las que interactúa esta estación. De la misma manera que el Torno, las indicaciones de direcciones de señales de entrada y salida tienen una función de comunicación similar con el Controlador CVR-571. Tabla 6. Direcciones de señales de entrada-salida Fresa-Controlador CVR-571. Señales de entrada hacia la Fresa Dirección Puerta abierta IN 40 Puerta Cerrada IN41 Señales de salida de la Fresa Dirección Abre la puerta OUT44 Cierra la puerta OUT45 Abre el sujetador OUT46 Cierra el sujetador OUT Señales de entrada y salida de la estación de bandas La tabla 7 contiene las direcciones de señales de entrada-salida entre el Controlador CVR-571 y la estación de bandas. Éstas son usadas para accionar los actuadores de las bandas y saber los sensores que se activaron. Para esta estación como se puede ver en la tabla 7, el número de direcciones de señales entrada-salida a usar, son más en comparación con las demás estaciones de trabajo ya que las acciones y avisos que debe coordinar el Controlador son 3 bandas en una sola estación. Además, contiene más comandos concentrados en dicha estación, algunos de ellos son: Botón de marcha y Botón de paro. 163

7 4.4 Programación de puntos del Robot La programación de 15 puntos espaciales del robot se hizo por medio del Teaching Box R28-TB. Estas posiciones son las ubicaciones necesarias del manipulador para interactuar con las estaciones. La tabla 8 muestra las coordenadas de los puntos programados. Aquí se presentan las coordenadas en base al sistema de referencia XYZ del robot aunque se dispone de las coordenadas de los 6 grados de libertad de este manipulador. Este Robot tiene el séptimo grado de libertad de manera lineal con el fin de desplazarse entre las diversas estaciones. Tabla 7. Direcciones de señales de entrada-salida Estación de Bandas-Controlador CVR-571. Señales de entrada hacia el controlador Botón de marcha Botón de paro Sensor de B3 pza inicio Sensor de B1 pza final Sensor de B2 pza final Sensor de B1 pza desviador Sensor de B2 pza desviador Señales de salida del controlador Lámpara Q2 Salida del bit 0 transporte Salida del bit 3 transporte Motor 1 Motor 2 Motor 3 Bobina desviador banda 1 Dirección IN1 IN2 IN8 IN9 IN10 IN11 IN12 Dirección OUT4 OUT5 OUT8 OUT9 OUT10 OUT11 OUT12 Tabla 8. Los 15 puntos del Robot-Mitsubishi RV-1A. Posición X Y Z P P P P P P P P P P P P P P P

8 4.5 Integración del FMSTEC 07 La Integración del FMSTEC07 se programó bajo la siguiente secuencia de pasos. Para iniciar con el desplazamiento de materia prima sobre las bandas B1 y B2 hacia sus desviadores, se debe presionar el botón de marcha de la estación de bandas. El sensor de la banda B1 detecta presencia de pieza, se activa su desviador y deja pasar sólo una unidad de materia prima. La posición P1 es la de inicio del robot. Éste se mueve hacia las posiciones P5 y P6 para tomar pieza de la banda B1 y desplazarse hacia la posición P4, en la cual, está ubicado enfrente del torno CNC y en espera de que éste abra su puerta. Las posiciones P7 y P8 son usadas tanto para cargar al torno, como para descargar de él. Ya que el robot depositó materia prima en el torno CNC, se cierra la puerta y se regresa a la estación de bandas mientras se trabaja con el maquinado de la pieza A. En la banda B2 de la estación de bandas ya se dispone de material y el robot toma las posiciones P2 y P3 para desplazarse con material hacia la fresa de CNC. Las posiciones P9 y P10 se programaron para evitar golpes al momento de desplazarse el robot hacia la fresa de CNC, ya que las posiciones P11, P12 y P13 son las encargadas de cargar material en la fresa de CNC y descargar pieza B de ella. Ya que el robot depositó en la fresa se inicia el maquinado y se desplaza hacia el torno para obtener de él la pieza maquinada A, la cual, es entregada a la banda B3 mediante las posiciones P14 y P15. Para finalizar, el robot regresa a la fresa para descargar la pieza B y entregarla a la banda B3. Este recorrido se repite hasta que ya no se disponga de materia prima o cuando se aprieta el botón de paro del Controlador CVR-571. Si el almacén o banda B3 se llena, el proceso se detiene por automático. 5. PRUEBAS Y RESULTADOS Los resultados obtenidos comprueban nuestro propósito, es decir, se logró la Integración del sistema FMSTEC/07 con las estaciones mencionadas. Para evaluar este trabajo de integración se pusieron varias piezas en las bandas B1 y B2, respectivamente. Se puso en marcha el sistema y las operaciones definidas para el robot y las demás estaciones fueron llevadas a cabo, hasta lograr que en la banda B3 se depositaran las piezas como producto terminado. Todo lo anterior fue automatizado completamente. Cabe mencionar que sólo en la etapa de torneado y fresado se emuló el desbaste y maquinado, ya que algunas herramientas no estaban disponibles. 6. CONCLUSIONES El nivel de integración que se logró de acuerdo a la pirámide de Automatización es el de Control. Es decir, las estaciones de torno, fresa y bandas fueron comunicadas por medio del robot y administradas por la información contenida en el Controlador. 7. TRABAJO FUTURO Ya que se dispone de la integración de este sistema, se pretende implementar el concepto de tecnología de grupo. En el cual se ampliará el número de elementos dentro del sistema, su disposición espacial y la programación de las operaciones del mismo. Con esto se ascendería a un nivel más en la pirámide de la Automatización. 8. BIBLIOGRAFÍA 1. EMCO Industrial Training Systems, (2002), Descripción del software EMCO WinCAM Torneado Sistema de Programación CAD/CAM, Austria. 2. EMCO Industrial Training Systems, (2002), Descripción del software EMCO WinCAM Fresa Sistema de Programación CAD/CAM, Austria. 3. EMCO Industrial Training Systems, (2003), Descripción del software EMCO WinNC Series FANUC 21MB, Austria. 4. Groover Mikell P, Mitchell Weiss, Roger N. Angel y Nicholas G. Odrey, (1989), Robótica Industrial (tecnología, programación y aplicaciones), Mc Graw Hill, Madrid España. 165