UNIVERSIDAD DE VIGO

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Vigo Departamento de Diseño en la Ingeniería

PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y DESARROLLO PARA UN BANCO DE ENSAYO DE UN BALANCIN DE SOLDADURA Alumno Javier Martínez Fernández

Director D. Alejandro Pereira Domínguez

Vigo, Noviembre 2008

Agradecimientos A mi director de proyecto Alejandro Pereira, por su confianza y apoyo incondicional. Muchas gracias por haberme ayudado y orientado siempre.

A Carlos Parrilla así como a toda la gente de ENXENIA con los que tanto he aprendido y que con tantas ganas me han ayudado y han colaborado para que este proyecto saliera adelante de la mejor forma, en especial a Isabel Fernández, por todo el tiempo que me ha dedicado y toda la información que me ha proporcionado de manera desinteresada.

Doy gracias a Enrique Ares, Alfonso y a toda el área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación por la colaboración prestada y la formación que me han dado estos años.

Estoy muy agradecido a mis padres y a mi hermana, muchas gracias por vuestro apoyo y cariño, no podría haber logrado nada sin vosotros. Espero poder haceros sentir orgullosos. A mis sobrinos, a los que siempre he tenido presentes y en general a toda mi familia que siempre me han servido de apoyo durante todos estos años.

Gracias a todos mis amigos, no quiero poner nombres porque mi memoria no es la que era y temo olvidarme de alguien. En especial muchas gracias a la gente con la que he convivido todos estos años de carrera, desde los que nos conocimos en la Residencia O´Pazo, hasta la gente que he conocido durante la experiencia conviviendo en un piso de estudiantes. Y por supuesto a mis compañeros de clase junto a los que he formado un gran equipo más allá de la universidad.

PROYECTO FIN DE CARRERA

ÍNDICE GENERAL

DOCUMENTO 1: MEMORIA.

Pág.4

DOCUMENTO 2: PRESUPUESTO.

Pág.133

DOCUMENTO 3: PLIEGO DE CONDICIONES.

Pág.145

DOCUMENTO 4: PLANOS.

Pág.160

Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

UNIVERSIDAD DE VIGO

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

DISEÑO Y DESARROLLO PARA UN BANCO DE ENSAYO DE UN BALANCÍN DE SOLDADURA

MEMORIA DIRECTOR:

D. ALEJANDRO PEREIRA DOMÍNGUEZ

ÁREA:

INGENIERÍA DE LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN

DEPARTAMENTO:

DISEÑO EN LA INGENIERÍA

AUTOR:

JAVIER MARTÍNEZ FERNÁNDEZ

ESPECIALIDAD:

MECÁNICA

PROYECTO FIN DE CARRERA

VIGO, NOVIEMBRE 2008

MEMORIA

5

ÍNDICE DE LA MEMORIA

1. Objetivos del proyecto.

Pág.9

2. Introducción teórica

Pág.10

2.1. Proceso de soldadura

Pág.11

2.2. Soldadura por fusión.

Pág.13

2.2.1. Soldadura con arco eléctrico.

Pág.13

2.2.2. Soldadura de puntos por resistencia.

Pág.15

2.3. Funcionamiento de las células de carga.

Pág.17

2.3.1. Descripción constructiva.

Pág.18

2.3.2. Características del sensor.

Pág.19

2.3.3. Configuración física.

Pág.20

2.3.4. Fundamentos del puente de Wheatstone.

Pág.23

2.4. Aplicación de la carga

.

Pág.25

2.4.1. El caso ideal.

Pág.25

2.4.2. Fuerzas angulares.

Pág.26

2.4.3. Cargas excéntricas.

Pág.27

2.4.4. Cargas laterales.

Pág.27

2.4.5. Fuerzas giratorias o de torque.

Pág.28

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MEMORIA

3. Descripción de los componentes.

6

Pág.30

3.1. Estructura portante.

Pág.32

3.2. La mesa de trabajo.

Pág.36

3.2.1. Placa metálica.

Pág.38

3.2.2. L metálica.

Pág.39

3.2.3. Regulación.

Pág.42

3.3. Sistema de medida de la fuerza de impacto.

Pág.44

3.3.1.

Célula de carga.

Pág.45

3.3.2.

Convertidor analógico para células de carga.

Pág.47

3.3.3.

Tarjeta de adquisición de datos NI pci-1200.

Pág.49

3.3.4.

Placa de sujeción.

Pág.53

3.3.5.

Base de apoyo.

Pág.54

3.3.6.

H metálica.

Pág.56

3.3.7.

Posicionamiento y guiado de la fuerza sobre la célula de carga. Pág.57

3.3.8.

Reducción mecánica del esfuerzo.

3.4. Instalación neumática.

Pág.57

Pág.62

3.4.1.

Válvula de pie con enclavamiento.

Pág.63

3.4.2.

Válvula antirretorno.

Pág.64

3.4.3.

Unidad de mantenimiento

Pág.65

3.4.4.

Válvula 3/n vías electroválvula.

Pág.66

3.4.5.

Válvula 5/n vías electroválvula.

Pág.67

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MEMORIA

7

3.4.6.

Antirretorno estranguladora.

Pág.68

3.4.7.

Reguladora de presión.

Pág.69

3.4.8.

Cilindro Blumec.

Pág.70

3.4.9.

Silenciadores UC.

Pág.72

3.4.10. Racores rápidos.

Pág.72

3.4.11. Tubos flexibles de material sintético.

Pág.73

3.4.12. Simulación de funcionamiento.

Pág.74

3.5. Elementos de automatización y control.

Pág.77

3.5.1.

Parte operativa.

Pág.77

3.5.1.1. Sensores

Pág.77

3.5.1.2. Preactuadores

Pág.79

3.5.1.3. Actuadores

Pág.79

3.5.2.

Parte de mando.

Pág.80

3.5.2.1. PLC

Pág.80

3.5.2.2. Programa de control de apertura y cierre de las electroválvulas

Pág.83

4. Manual de usuario desprograma de adquisición de datos para el testeo de un balancín de soldadura.

Pág.87

4.1. Programación en Labview.

Pág.87

4.2. Adquisición y tratamiento de datos.

Pág.88

4.2.1.

Pantalla de programa.

Pág.91

4.2.2.

Diagrama de bloques.

Pág.94

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MEMORIA

5. Anexos.

8

Pág.98

5.1. Cálculo del esfuerzo transmitido por la barra.

Pág.98

5.2. Cálculo del consumo de la instalación neumática.

Pág.100

5.3. Cálculos estructurales y análisis por elementos finitos.

Pág.102

5.3.1.

Cálculo de flexión de la barra.

Pág.103

5.3.2.

Análisis de la barra por elementos finitos.

Pág.108

5.3.3.

Análisis de la L metálica por elementos finitos.

Pág.109

5.3.4.

Análisis del anclaje del balancín por elementos finitos.

Pág.112

5.4. Tornillería y fijaciones.

Pág.114

5.5. Hoja de características de los componentes neumáticos.

Pág.117

5.6. Características del convertidor.

Pág.126

5.7. Características de la célula de pesada.

Pág.128

5.8. Planos dimensionales de la célula de carga.

Pág.129

6. Bibliografía. 6.1. Libros.

Pág.130

.

Pág.130

6.2. Proyectos fin de carrera.

Pág.131

6.3. Catálogos.

Pág.131

6.4. Páginas web.

Pág.132

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MEMORIA

9

1. OBJETIVOS DEL PROYECTO El objetivo que se busca a la hora de la realización de este proyecto es el testeo de la resistencia mecánica de los componentes de un balancín, empleado para la realización de la soldadura por puntos en acero galvanizado.

En global, el proyecto consiste en la elaboración de un banco de pruebas para el estudio de la resistencia de los componentes mecánicos de un balancín. Dentro de este banco se incorporan las instalaciones neumática y eléctrica necesarias para poner en funcionamiento dicho balancín, así como los sensores y componentes necesarios, tanto para la adquisición de datos, como para la regulación automática de los distintos componentes electrónicos de los que consta el montaje.

El proyecto está orientado hacia la construcción de un prototipo para el testeo del ciclo mecánico del balancín, dicho prototipo debe estar dotado de flexibilidad dado que en él se han de probar distintos modelos de balancín y que funcionan con distinta carga en el electrodo. Además la bancada ha de permitir un montaje y desmontaje rápido sobre todo de las piezas más castigadas, puesto que a veces será necesaria la sustitución de las mismas. Será importante la resistencia de dicha bancada, ya que se deberán efectuar una gran cantidad de ciclos y con una elevada exigencia de carga. Dentro de esta estructura además se incorporan los sensores de medida y las instalaciones que comandan el funcionamiento del balancín.

En cuanto al software, se debe disponer de un programa de adquisición de datos tipo LABVIEW o similar, rápido e intuitivo, de manera que haga sencilla la operación de adquisición de datos mediante el sensor (célula de carga), para el posterior análisis de estos.

Será muy importante definir el ciclo de trabajo perfectamente y dotarlo de medidas de seguridad que garanticen el seguimiento del ciclo.

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2. INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas a la hora de plantearse la fabricación de un balancín para el proceso de soldeo de chapa plegada, es la tremenda fuerza que éste ha de ejercer sobre la mencionada chapa y por tanto, las piezas que lo componen se verán sometidas a unas grandes solicitaciones, de ahí la necesidad de, antes de sacar un balancín al mercado, testear la resistencia de sus componentes, durante lo que sería el ciclo de funcionamiento de dicho balancín. Con tal pretexto, se ha de fabricar un prototipo, que testee los ciclos de impacto del balancín, de manera que, mediante el análisis de los datos extraídos de las pruebas en él realizadas, nos dé un resultado claro de la viabilidad de sacar éste al mercado. En tal caso, dicho prototipo, ha de se capaz de comandar el balancín como si de un ciclo real de soldeo se tratara, excluyendo la parte eléctrica, puesto que lo que aquí se intenta ver es su resistencia mecánica y hemos de conseguir una resistencia estructural, ya que el prototipo ha de resistir grandes impactos y largas sesiones de trabajo. Con todo ello, antes de comenzar con el desarrollo de la máquina en sí, es necesario realizar una explicación de los procesos. Primeramente ha de montarse en la bancada el balancín a testear, la regulación de la mesa, nos ayudará a centrar el balancín en el punto especificado para el impacto. Posteriormente se hará necesario de regular la barra de la balanza para adecuarla al rango de fuerzas que vamos a testear. Una vez montado el elemento mecánico, se debe realizar el conexionado de los terminales neumáticos al cilindro del balancín. Este cilindro se llenara y vaciará mediante una serie de elecroválvulas pertenecientes a la instalación neumática. Estas válvulas estarán comandadas por un autómata programable, el cual ejecutará un programa cíclico, emulando al que el balancín desempeñara durante su vida útil. El

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autómata ha de ser el encargado de contabilizar los ciclos así como de asegurarse que éstos se realizan con la cadencia exigida por el cliente durante la realización del testeo. De esta manera, estos impactos transmitidos a la barra de la balanza, darán una medida de fuerza al sensor ligado a ella. Este sensor es una célula de carga. La célula de carga esta conectada mediante un convertidor de señal a una tarjeta de adquisición de datos, la cual a su vez se conecta a un PC. Mediante este convertidor la señal de la célula de carga se acondiciona y amplifica de modo que sea perceptible por la tarjeta de adquisición. Mediante un programa realizado en Labview, estos datos se recogen en una gráfica de esfuerzos, de manera que el controlador pueda observar cómo se están desempeñando los ciclos y además se registran los impactos que quedan guardados en una hoja de Excel para su posterior análisis y tratamiento.

2.1.

PROCESO DE SOLDADURA

La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o presión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con piezas metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:

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Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

•

La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

•

La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores, remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.

•

La soldadura no se limita al ambiente de fábrica, se puede realizar en el campo.

Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas: •

La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy cualificadas.

•

La soldadura implica el uso de energía y es peligrosa.

•

Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos en que es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble.

•

La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.

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2.2.

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SOLDADURA POR FUSIÓN

Este tipo de soldadura usa calor para fundir los metales base. En muchos casos se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportar volumen y resistencia a la unión soldada. La operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte se llama soldadura autógena. La soldadura por fusión incluye los siguientes grupos: Soldadura con Arco Eléctrico •

El calentamiento de los metales se obtiene mediante el arco eléctrico.

Soldadura por Resistencia •

La fusión se obtiene usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de contacto de las partes, sostenidas juntas bajo presión.

Soldadura con Oxígeno y Gas Combustible •

Este tipo de soldadura usa gas de oxígeno combustible tal como una mezcla de oxígeno y acetileno con el propósito de producir una flama caliente para fundir la base metálica y el material de aporte (cuando se utiliza).

2.2.1. Soldadura con arco eléctrico Es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el trabajo. (El mismo proceso básico se usa en el corte con arco eléctrico).

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El arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito y se sostiene por la presencia de una columna de gas ionizado (llamado plasma), a través de la cual fluye la corriente. El arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza, después del contacto se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. El arco eléctrico produce temperaturas hasta 5500ºC o más, que son suficientes para fundir cualquier metal. Se forma un poso de metal fundido que consiste en el metal base y el metal de aporte (cuando se usa), cerca de la punta del electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico se agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la unión, el poso de metal fundido se solidifica de inmediato. Los electrodos que se usan en este tipo de soldadura pueden ser consumibles o no consumibles. Los electrodos consumibles pueden ser en forma de varillas o alambres. El arco eléctrico consume el electrodo durante el proceso de soldadura y este se añade a la unión fundida como metal de relleno. Las desventajas de electrodos de varillas es que deben cambiarse en forma periódica. El alambre tiene la ventaja que se puede alimentar continuamente desde cabinas y esto evita interrupciones frecuentes. Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno que resiste la fusión mediante el arco eléctrico. El electrodo de tungsteno se gasta gradualmente como cualquier herramienta. El metal de relleno debe proporcionarse mediante un alambre separado.

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2.2.2. Soldadura de puntos por resistencia La soldadura de puntos por resistencia es el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la “producción masiva de automóviles” y en otros productos a partir de láminas metálicas. La soldadura de puntos por resistencias es un proceso en el cual se obtiene la fusión en una posición de superficies superpuestas mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas de hasta 3 mm de espesor. El tamaño y la forma de puntos de soldadura se diferencian por medio de la punta de electrodo, la forma del electrodo más común es redonda. La pepita de soldadura tiene un diámetro de 5 / 10 mm. Los electrodos están hechos de aleaciones basadas en cobre, o combinaciones cobre-tungsteno, que tiene mayor resistencia al desgaste. Como en todos los procesos de manufactura, las herramientas para la soldadura se desgastan gradualmente con el uso. Los electrodos también se diseñan con canales internos para enfriamiento con agua. Debido a su extenso uso industrial, hay disponibles diversas máquinas y métodos para realizar las operaciones de soldadura de puntos. El equipo incluye máquinas de soldadura de puntos con balancín y tipo prensa, así como pistolas portátiles para soldadura. La máquina de soldadura de puntos con balancín tiene un electrodo inferior estacionario y un electrodo superior móvil que sube y baja. El electrodo superior se monta en un balancín, cuyo movimiento es controlado mediante un pedal operado por el trabajador o bien mediante automatismos. Los balancines existen desde hace miles de años, tanto en la cultura asiática como en la árabe. Muchas veces con carácter decorativo, otras veces se han utilizado para medir el tiempo o poner en marcha pequeños automatismos.

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Entre los usos tradicionales del balancín podemos encontrar: •

Como instrumento mecánico que mide el flujo de un líquido expresado en forma de un tren de pulso. De manera que un recipiente oscilante consistente en 2 cubetas, cada una de las cuales se va llenando de líquido hasta que voltea al llegar a cierto volumen dando paso a la siguiente cubeta que repite el ciclo.

•

Actualmente es el principal componente de un pluviómetro cuyo tren de pulsos se traduce en la intensidad de lluvia y su acumulación da el volumen total de una precipitación.

•

También existe en iluminación un estilo de lámpara llamada balancín, que está construida con una barra de metal recta y en sus extremos lleva dos portalámparas con bombillas en su interior y sirve como elemento de iluminación decorativo.

•

Los balancines en un motor sirven para abrir las válvulas, árbol de levas y taqué.

•

Balancín en Elevación de Cargas es un bastidor metálico que facilita el amarre y la estabilidad en cargas suspendidas de un gancho de grúa.

•

En cuanto al tema de la soldadura, que es el que aquí nos interesa, el balancín es empleado para el soldeo de puntos fijos dentro de una chapa plegada. De manera que el cilindro neumático retrae el balancín a la hora de ser colocada la pieza a soldar, y una vez amarrada ésta, mediante la aplicación de presión y corriente entre electrodo y contraelectrodo, hace posible la unión soldada.

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2.3.

17

FUNCIONAMIENTO DE LAS CÉLULAS DE CARGA

Para poder asegurar que los ciclos de soldeo se realizan bajo las condiciones demandas por el cliente, dentro del prototipo, hemos de tomar datos que nos aseguren que la fuerza aplicada es la correcta. Con tal fin se ha de incorporar un sensor capaz de detectar fuerza y una tarjeta de adquisición de datos que transforme la medida realizada por la célula en una magnitud de fuerza, que es lo que nos interesa para el proceso. En este caso el sensor es una célula de carga, que funciona mediante el principio de puentes de Wheatstone. El principio básico de una celda o célula de carga esta basado en el funcionamiento de cuatro galgas extensiométricas (strain gauge), dispuestas en una configuración especial.

La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga.

Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada. El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la figura siguiente:

La resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga. De este modo las

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deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una variación de la resistencia.

Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección.

2.3.1. Descripción constructiva Existen dos tipos básicos de galgas: •

De hilo conductor o lámina conductora El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el transductor.

•

Semiconductor Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se encuentra en el tamaño; las galgas semiconductoras tienen un tamaño más reducido.

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2.3.2. Características del sensor Las principales características de las galgas son las siguientes: •

Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos proporcionan las características constructivas de la galga. Nos permiten escoger el tamaño del sensor que más se adecúe a nuestras necesidades.

•

Peso: Esta característica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de gramos. En aplicaciones de mucha precisión el peso puede influir en la medida de la deformación.

•

Tensión medible: Es el rango de variación de longitud de la galga, cuando ésta se somete a una deformación. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la longitud de la galga.

•

Temperatura de funcionamiento: Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de la galga se encuentra dentro de los parámetros proporcionados por el fabricante.

•

Resistencia de la galga: Es la resistencia de la galga cuando ésta no está sometida a ninguna deformación. Es la resistencia de referencia y suele acompañarse de un porcentaje de variación.

•

Factor de galga: Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K característica de cada galga. Determina la sensibilidad de ésta. Este factor es función de muchos parámetros, pero especialmente de la aleación empleada en la fabricación.

•

Coeficiente de temperatura del factor de galga: La temperatura influye notablemente en las características. A su vez, cualquier variación en estas Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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características influye en el factor de galga. Este coeficiente se mide en % / ºC, que es la variación porcentual del valor nominal del factor de galga respecto al incremento de temperatura. •

Prueba de fatiga: Esta característica nos indica el número de contracciones o deformaciones a una determinada tensión que puede soportar la galga sin romperse. Este factor resulta de lo mas decisivo, junto con la fuerza nominal que soporta la galga, puesto que durante el testeo el sensor ha de realizar numerosos ciclos.

•

Material de la lámina: Esta característica nos define el material del que está hecho el hilo conductor o el material semiconductor.

•

Material de la base: Esta característica nos define el material del que está constituida la base no conductora de la galga.

•

Factor de expansión lineal: Representa un error que se produce en la magnitud de salida en ausencia de señal de entrada, es decir, en ausencia de deformación. Este error depende de la temperatura ambiente a la que esta sometida la galga.

2.3.3. Configuración física El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. Existen tres tipos de montajes básicos: con una, dos y cuatro galgas. La medida se suele realizar por deflexión, es decir midiendo la diferencia de tensión existente entre los terminales de salida del sensor.

Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la sensibilidad y la capacidad de compensación del efecto de temperatura. Esta compensación consiste en suprimir los efectos de la temperatura en el valor de la resistencia de la galga; cuando en Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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un puente de medida coinciden dos o cuatro galgas de iguales características, los efectos de la temperatura se anulan ya que ésta les afecta por igual.

1. Puente de medida con una galga:

Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad. Por otro lado al sólo haber una galga ésta no está compensada en temperatura.

2. Puente de medida con dos galgas (Medio Puente):

Debido a la utilización de dos galgas se consigue duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que para una misma deformación tengamos una mayor

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señal de salida para una tensión de alimentación dada. La disposición de las galgas, permiten la compensación en temperatura.

3. Puente de medida con cuatro galgas (Puente Completo):

La utilización de cuatro galgas cuadruplica la sensibilidad del puente respecto al puente de una sola galga. De igual forma que en el caso anterior, las galgas están compensadas en temperatura.

A la hora de construir el programa en Labview la configuración en puente resultará importante desde el punto de vista de que el propio lenguaje, dispone de una aplicación específica para la adquisición de datos de una célula de carga, de manera que seleccionando el tipo de puente y los parámetros de entrada, el propio programa traduce la señal de tensión a datos de fuerza.

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2.3.4. Fundamentos del puente de Wheatstone Observando el puente de Wheatstone de la figura observamos que es un montaje eléctrico con cuatro resistencias.

El puente de Wheatstone está equilibrado cuando la diferencia de potencial entre los puntos A y B es nula, en esta situación, I1 representa la corriente eléctrica que pasa por R1 y también por RX ya que al ser VAB = 0, no pasa corriente por AB. Además I2 es la corriente que circula por R2 y R3. Se cumple que:

Y de las ecuaciones anteriores se deduce que:

(1)

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Desde el punto de vista práctico el puente de Wheatstone se sustituye por el puente de hilo, R2 y R3 se reemplazan por un hilo de sección constante, y al ser la resistencia directamente proporcional a la longitud de hilo, se puede escribir R2 = kL1 y R3 = kL2. El cursor B que se desplaza sobre el hilo y según sea su posición sobre él, así serán las resistencias R2 y R3. Para ciertas posiciones del cursor B, el potencial de A es mayor que el de B, para otras ocurrirá al revés y habrá una única posición para la que VAB = 0 y entonces el puente está en equilibrio. Si se aplica la ecuación (1) en las condiciones de equilibrio resulta.

Si se conoce de antemano R1 y se miden las longitudes L1 y L2 se puede determinar el valor de la resistencia RX.

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2.4.

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APLICACIÓN DE LA CARGA

El entendimiento de la forma exacta en que una carga o fuerza debe ser aplicada a la celda de carga es de vital importancia para el buen diseño de un sistema de peso, permitiendo además una correcta selección del modelo de celda de carga adecuado para su aplicación.

2.4.1. El caso ideal Las especificaciones técnicas de las celdas de cargas han sido determinadas bajo condiciones de laboratorio, aplicando la carga o fuerza a la celda bajo condiciones lo más cercanas posibles a la perfección.

En la figura vemos una simple aplicación con una celda de carga de tipo viga de flexión. Uno de los lados está firmemente fijado a una base rígida, con el extremo opuesto libre para flexionar de acuerdo al peso o carga aplicada. Bajo condiciones ideales, la superficie será perfectamente plana, horizontal y totalmente rígida. La carga F se introduce en forma vertical con un mínimo de fuerzas extrañas aplicadas. Las celdas de carga están preparadas para ser insensibles en lo posible a todas las fuerzas distintas a la vertical. Lamentablemente, en el mundo real, el montaje de las celdas y las condiciones de aplicaciones de fuerzas están generalmente alejados del ideal. La incorrecta aplicación de fuerzas es muchas veces la causa encontrada por un buen técnico en problemas de precisión de una balanza. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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Aunque en este caso la discusión está centrada en las celdas tipo viga de flexión, la mayoría de estos principios son igualmente aplicables para otros tipos de celdas.

2.4.2. Fuerzas angulares Esta es una condición en que la fuerza F es introducida al orificio de recepción de carga en un ángulo en relación con el eje central. Esta fuerza se anula si el componente angular llega a los 90° en relación con el eje central. Este componente horizontal es una fuerza lateral, a la que la celda de carga es totalmente insensible. Por ejemplo, si la fuerza F está inclinada en 4° en relación a al eje central, en ese caso la fuerza registrada por la celda de carga se reduce en un 0.4° pues se aplica una fuerza lateral de 0.1F.

Si esta dirección de la fuerza aplicada es constante, la calibración compensará este error y la balanza será precisa. En cambio, si este ángulo varía al aplicar el peso, se producirá falta de linealidad en la balanza, fricciones en el sistema mecánico y errores por histéresis. Las fuerzas angulares se pueden producir por accesorios de montaje no alineados debidamente, una base poco rígida, expansión o contracción térmica, deflexión al aplicar la carga etc.

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2.4.3. Cargas excéntricas Esta es una condición en que la fuerza es aplicada a la celda en forma vertical pero la línea del eje de acción está apartada del eje del orificio de carga de la celda de carga.

Esta condición no afectará el normal funcionamiento de la balanza o sistema de pesaje si la posición es constante, pues al calibrar se compensará el error. En cambio, si este punto de aplicación varía durante el funcionamiento del sistema, se producirán errores de linealidad e histéresis. Las cargas excéntricas se producen generalmente por accesorios de montaje defectuoso o mal diseñados y por expansión o contracción por acción térmica.

2.4.4. Cargas laterales

Esta es una condición en que la fuerza F está acompañada por otra fuerza R aplicada a 90° en relación a F. Esta fuerza podría ser constante, pero casi siempre varía en el tiempo produciendo errores de linealidad e histéresis. La celda de carga ideal debe ser totalmente insensible a estas fuerzas laterales, sin embargo en la práctica se producen errores de precisión por causa de estas fuerzas y

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generalmente no todas las celdas reaccionan en la misma forma ante problemas similares. Un problema similar es la fuerza P, similar a la anterior pero que actúa sobre el extremo de la celda de carga. Las fuerzas laterales son causadas por expansión o contracción térmica, montajes no nivelados y movimientos de los contenedores (silos, tanques, tolvas).

2.4.5. Fuerzas giratorias o de torque Generalmente, las fuerzas laterales no actúan directamente sobre un eje neutro, causando una fuerza de torque, adicional a la fuerza lateral. Una celda puede ser afectada por fuerzas de torque (T) de muchas maneras. En la figura (a) se ilustra una condición en que la línea de acción de la fuerza lateral, es apartada del eje neutro por una distancia h resultante del torque sobre Rh.

La figura (b) ilustra una condición en que el peso cuelga del eje de la celda por medio de un perno. Cualquier fuerza lateral aplicada a este sistema tendrá un efecto de torque mucho mayor, aumentado por la distancia h1 en relación al eje de fuerzas.

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Finalmente se ve una fuerza de torque de magnitud Fy como causa de la fuerza aplicada fuera del eje de carga de la celda. La causa esta generalmente determinada por accesorios de montaje no nivelados, expansión / contracción térmica, deflexión de las estructuras de soporte, fuerzas dinámicas laterales causadas por acción de agitadores o batidores en los tanques, etc. Teniendo en cuenta que estas fuerzas son generalmente variables, no es posible predeterminar la forma en que pueden degradar la precisión del sistema de pesaje.

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3. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES El prototipo se compondrá de las siguientes partes: •

Estructura portante.

•

La mesa de trabajo.

•




Placa metálica.




L metálica.




Regulación.

Sistema de medida de fuerza de impacto.


Célula de carga.




Convertidor analógico para células de carga.




Tarjeta de adquisición de datos.




Estructura. o Placa. o Base. o H metálica.

•




Posicionamiento y guiado de la fuerza sobre la célula de carga.




Reducción mecánica del esfuerzo (estudio de la barra).

Instalación neumática.


Esquema general. o Válvula de pie con enclavamiento. o Válvula antirretorno. o Unidad de mantenimiento. o Válvula 3/n Electroválvula. o Válvula 5/n Electroválvula. o Antirretorno estranguladora. o Reguladora de presión. o Cilindro Blumec pneumatic cylinder. o Silenciadores UC. o Racores rápidos.

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o Tubos flexibles de material sintético.

•




Cálculo del consumo de la instalación neumática.




Simulación de funcionamiento.

Elementos de automatización y control.


Parte Operativa o Sensores o Preactuadores o Actuadores




Parte de mando o PLC o Programa de control de apertura y cierre de las electroválvulas

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3.1.

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ESTRUCTURA PORTANTE

La estructura portante es la encargada de proporcionar estabilidad mecánica, permitiendo la instalación de los demás elementos requeridos para el correcto funcionamiento del prototipo.

En un principio se opta por una estructura portante con un pórtico soldado a la estructura principal de manera que sobre él colocamos la célula de carga y sobre él se realizara el impacto.

Posteriormente este modelo se rechaza, y se opta por una estructura en forma de Z, sacrificando levemente la comodidad en la colocación y regulación del balancín, pero consiguiendo una mayor robustez estructural, logrando que a la larga, la mesa resista mejor los impactos, así como una estructura más compacta y el consiguiente ahorro de material. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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Básicamente lo que se intenta conseguir son dos mesas, con dos patas en común, colocadas a distintos niveles de manera que la base del balancín se situará en el nivel inferior y el impacto tendrá lugar en el nivel superior.

Para este proyecto se ha seleccionado un tipo de estructura construida con tubos de acero de perfil cuadrado de medidas 60mm x 60mm y con un espesor de 5mm. La necesidad de tal espesor es la de soportar tanto el peso de la mesa de trabajo, como de las instalaciones necesarias para el comandado del proceso de impacto, así como del propio impacto, puesto que resulta de una elevada magnitud.

La unión entre dichos tubos de acero se realizará mediante soldadura, a 45º en las esquinas y a 90º en los puntos en los que los tubos se encuentren perpendicularmente.

Colocaremos pues cuatro tubos soldados, para crear una superficie plana, logrando así el nivel inferior. Posteriormente y unidos mediante soldadura a los cuatro tubos anteriores a 90º colocaremos dos tubos a modo de patas.

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En el tubo corto del lado contrario, soldaremos al lateral del tubo otras dos patas en este caso, de mayor longitud, puesto que estas definirán el nivel superior. Con estas dos patas, más una de las cortas antes mencionadas rematadas en unas placas metálicas de 120mm x 120mm, taladrados con unos agujeros de diámetro 18, de manera que se puedan atornillar al suelo, fijando la estructura, se define la superficie de apoyo de la estructura, logrando la estabilidad, utilizando una cuarta pata regulable en altura mediante un tornillo ( M36x80) sujeto al tubo por una placa metálica taladrada y soldada a este.

Para acabar de definir la superficie del nivel superior, se sueldan dos tubos a la superficie del nivel inferior a modo de pórtico, y colocaremos dos tubos de refuerzo, quedando así la superficie superior totalmente definida.

Puesto que sobre este pórtico va a ir colocado el sensor, es decir recibirá todo el impacto del balancín, para evitar la flexión de los tubos inferiores, se colocan dos patas de equilibrio a la altura a la que soldamos el pórtico de manera que este queda apoyado no solo sobre los largueros si no también sobre el suelo. Primeramente se consigue pues, definir la superficie de apoyo con las tres patas fijas, posteriormente, la estabilidad se logra con la pata de equilibrio y finalmente, se ajustan estos dos apoyos, de manera que se consigue una mayor resistencia al impacto y mayor estabilidad de la mesa.

Se disponen cuatro placas de acero soldadas en las esquinas del nivel inferior, con unas dimensiones de 160mm x 60mm y de 10mm de espesor. Estas placas irán taladradas,

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con dos agujeros ranurados de métrica M16, para atornillar la mesa de trabajo a la estructura.

Se opta por la solución de colocar estas placas para facilitar el montaje y desmontaje de la mesa, puesto que irán fijas, soldadas a la estructura de la mesa y a la hora de montar y desmontar la superficie de trabajo, se atornillan éstas directamente sobre las placas, evitándo el tener que colocar contratuercas.

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El ultimo elemento estructural de la mesa de trabajo son dos placas de acero de 2mm que irán soldadas tanto en la superficie inferior como en la superior de manera que crean en la mesa dos espacios aprovechables para colocar elementos de mando y control.

3.2.

LA MESA DE TRABAJO

La mesa de trabajo, va a proporcionar una superficie plana sobre la que vamos a colocar el balancín, esta mesa, deberá resistir la fuerza de impacto que el propio balancín ejercerá sobre su estructura durante el impacto así como permitir la regulación en los tres ejes, para testear diferentes balancines, permitiendo el intercambio de balancines con distintas dimensiones.

Dentro de la mesa de trabajo se distinguen, una placa metálica que genera la superficie de trabajo, y una L metálica sobre la que irá atornillado el balancín.

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3.2.1. Placa metálica Se coloca, atornillada sobre la estructura lograda con los tubos metálicos y las placas de acero soldadas a estos, una placa de aluminio de dimensiones 600mm x 491mm y de 20mm de espesor.

Como se puede ver en la imagen, la placa ira taladrada en las esquinas de manera que estos agujeros coincidan con los agujeros roscados de las placas que la unirán a la estructura. A estos agujeros además se les practica una cajera, de manera que al atornillar el tornillo, la cabeza de éste, no sobresalga sobre la superficie de la placa.Se usa para la sujeción de la mesa, tornillos ISO 4762 (DIN 912) de métrica M16 de acero, de cabeza cilíndrica y cajera hexagonal.

También se puede ver que se le practicarán dos ranuras horizontales a la placa de 275mm de largo por 16,6mm de ancho, con una separación entre ellas de 100mm, estas dos ranuras nos van a permitir la regulación del balancín en el eje X, cuando deslice sobre esta la L sobre la que se apoya el balancín.

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3.2.2. L metálica La otra parte de la mesa de trabajo, la compone una L metálica, que se obtiene soldando dos placas de acero de 300mm x 300mm la que hará de soporte horizontal y de 300mm x 350mm la que hará de soporte vertical, ambas de 20mm de espesor.

Se refuerza la L con dos escuadras metálicas soldadas en la unión de 10mm de espesor, con el fin de conseguir mayor resistencia.

Z

Y

Como se puede observar la pieza en L también va ranurada en este caso las dimensiones de la L se corresponden con 150mm de largo por 16,3mm de ancho y con una Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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separación de 150mm entre ellas, tanto en el eje Z como en el Y, como la placa metálica. Como en el caso de la placa, esto responde también a la necesidad de dar regulación, en este caso para el eje Y con las ranuras de la placa horizontal y en el eje Z con las ranuras de la placa vertical. La ranura central que se aprecia en la figura, más ancha y de mayor longitud que las otras, responde a la necesidad de alojar las tuercas que amarraran el balancín a la placa metálica que se une a la pieza en L.

Debido a que se necesita regulación del eje Z en el balancín y al impacto que este genera durante el funcionamiento, no es factible atornillarlo directamente sobre la L, de manera que se utiliza una placa de acero, de modo que sobre ella se amarra el balancín, con dos tornillos de métrica dieciséis apretando la base del balancín contra la placa mediante tuercas y un tornillo centrador de métrica ocho, según marca la norma: “PSA PEUGEOT – CITROËN Normes Biens d'Equipement E34.55.202.G ICS: 25.160.30 SOUDAGE

ELECTRIQUE

PAR

RESISTANCE

UNITES

DE

SOUDAGE

CULBUTEURS PNEUMATIQUES SIMPLES SPECIFICATIONS GENERALES”.

Donde se indica que el balancín deberá sujetarse a la base portante mediante dos tornillos ISO 4762 M16, los cuales se alojaran en unos casquillos aislantes Ø16/18 que a su vez irán ubicados en la base del balancín, y además, deberán montarse un juego de tres arandelas, en el siguiente orden desde la base al tornillo, arandela aislante, arandela Zv16 y arandela W16.

A mayores de estos dos tornillos se colocara un tornillo centrador ISO 4026 M8 grado A de acero con cajera hexagonal y punto fijo, que irá insertado en un casquillo aislante Ø10 H8 insertado en la base del balancín.

Para asegurar la fijación de la base del balancín, estos tornillos se amarran con contratuercas contra la placa metálica, la ranura realizada en la pieza en L se hace para poder permitir la regulación con la presencia de estas tuercas.

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Dicha placa ira a su vez sujeta a la L mediante cuatro tornillos con sus correspondientes arandelas y tuercas de manera similar a como se efectúa para la regulación en el eje X e Y.

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3.2.3. Regulación Con las ranuras practicadas tanto en la placa metálica de la base como en la L sobre la que va a ir montado el balancín, se logra dar regulación al prototipo en los tres ejes, X, Y y Z.

En este caso se trata de una regulación manual, puesto que solo la vamos a necesitar para colocar el balancín en su punto de impacto para realizar las medidas correspondientes.

La regulación en el eje X e Y la se consigue deslizando la L sobre la superficie plana de la placa, mediante las ranuras de la placa y de la L, una vez conseguida la posición que se quiere dar en estos ejes, se fijará la L mediante cuatro tornillos ISO 4762 (DIN 912) de métrica M16 de acero de cabeza cilíndrica y cajera hexagonal, con sus correspondientes tuercas ISO 4032 (DIN 934) métrica M16 de acero grado A hexagonal y arandelas ISO 7089 (DIN 125) 16x30 de acero grado A plana normal series e ISO 7093-1 (DIN 9021) 16x50 de acero grado A plana large series.

Utilizando los mismos elementos conseguiremos la regulación en el eje Z, esta vez deslizando la placa metálica en la que sujetamos el balancín sobre la superficie vertical de la L metálica.

La regulación ha de permitir colocar la punta del electrodo sobre la sufridera que se coloca en la barra del montaje del sensor, puesto que es sobre esta sobre la que se deberá efectuar el impacto del balancín.

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Z

X Y

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3.3.

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SISTEMA DE MEDIDA DE LA FUERZA DE IMPACTO

Se deberá en todo momento controlar la fuerza que se aplica en el impacto del balancín, puesto que las normas PSA PEUGEOT – CITROËN Normes Biens d'Equipement E34.53.205.G ICS : 25.160.30 SOUDAGE ELECTRIQUE PAR RESISTANCE UNITE SOUDAGE PINCES CE MULTIPOINTS PNEUMATIQUES A DEGAGEMENT N ET P 216 y PSA PEUGEOT – CITROËN Normes Biens d'Equipement E34.55.202.G ICS : 25.160.30 SOUDAGE ELECTRIQUE PAR RESISTANCE UNITE DE SOUDAGE CULBUTEURS PNEUMATIQUES AUTO-RETRACTABLES que nos exigen que el impacto se realice dentro de unos límites de fuerza (marcando que como máximo, la fuerza ejercida por el balancín no puede ser inferior al 95% de la nominal marcada para tal aplicación), según el modelo de balancín y la distancia del apoyo del electrodo a la punta de éste. De ahí la necesidad de la que parte el proyecto de testear la fiabilidad mecánica del balancín y por tanto la importancia de controlar en todo momento la fuerza que ejercemos durante el ciclo de soldaje.

En la figura podemos ver una gráfica que relaciona la fuerza aplicada en la punta del electrodo en función de la distancia de éste al punto de apoyo del mismo.

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3.3.1. Célula de carga Dentro del sistema que se ha dispuesto para controlar la fuerza de impacto, el principal componente de dicho sistema, es el sensor de medida, en este caso una célula de carga. El funcionamiento de este tipo de sensores se describe en la introducción de este proyecto.

Como se puede observar se trata de una célula de carga, en forma de viga simple y al igual que todas las células de este tipo trabaja a cizalla (auque algunos modelos parecidos también trabajan a flexión), mediante galgas extensiométricas.

En este caso la disposición del puente de Wheatstone de la célula elegida, es a medio puente cuya configuración y conversiones son las siguientes:

Todas las características de la célula de carga se incorporan en la parte de anexos. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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De la misma forma que la configuración y funcionamiento de las células de carga se explica en la introducción, también se hace patente la necesidad de explicar el modo en que se ha de aplicar la carga, dependiendo de la fuerza que se vaya a medir, en nuestro caso será la fuerza vertical, y solo esta va a ser el motivo de nuestro estudio, puesto que es la ejercida por el balancín. Por tanto como veíamos al principio, debemos aproximar la aplicación de la carga al modelo ideal:

Con tal fin la célula se monta con un bulón, de manera que la carga se ejerce sobre este, intentando no generar cargas excéntricas ni momentos que pueden desviar la resultante de su punto de aplicación. Con tal fin se ha dispuesto el sistema siguiente, que montaremos sobre la estructura descrita anteriormente.

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La señal que va a sacar la célula de carga, ira a una tarjeta de adquisición de datos para que mediante un programa informático podamos tratar los datos que esta genera. Sin embargo, esta señal no es posible incorporarla directamente a la tarjeta de adquisición, puesto que como se observa en la hoja de características de la célula (véanse anexos), la señal de salida que esta produce es de 1,940 ± 0,002 mV/V.

Esto quiere decir que por la máxima señal de salida que va a dar la célula de carga es de 1,940 ± 0,002 mV por cada voltio de alimentación que le proporcione a la célula (redondeando a 2 mV) que en este caso, según la hoja de características, puede estar en el rango de 5-20 V, por lo tanto, a carga nominal, la señal de salida máxima que se obtendría es de 20*2=40mV.

La precisión de la tarjeta de adquisición, con ganancia máxima es de 0,01V con lo que a carga nominal y con la máxima alimentación, lo único que obtendría de las mediciones serian ruidos.

Por lo tanto para todo este tipo de células de carga se hace necesario amplificar y acondicionar la señal de salida y es imprescindible incorporar al sistema de medición de fuerza un convertidor de señal.

3.3.2. Convertidor analógico para células de carga En este caso se trata del convertidor analógico SGA-A/SGA_D de utilcell. El convertidor SGA es un acondicionador de señal para células de carga y para transductores basados en galgas extensiométricas de puente de Wheatstone en general. Convierte las señales de salida de las células de carga a diversos tipos de salidas estándar en instrumentación industrial. Mediante la selección de pequeños interruptores DIL se puede seleccionar: salida de corriente 0-20 mA o 4-20 mA, salida de tensión unipolar 0-5V o 0-10V y salida de tensión bipolar ±5V o ±10V.

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Dicho convertidor dispone de filtro de paso bajo integrado con frecuencia de corte seleccionable desde 1Hz hasta 5 KHz, permitiendo reducir las fluctuaciones inducidas por vibraciones o por ruido eléctrico, y proporcionar lecturas estables bajo condiciones adversas.

CARACTERÍSTICAS •

Selección de salida analógica de tensión o corriente en un mismo equipo: ±10V, ±5V, 0-10V, 0-5V, 0-20mA, 4-20 mA.

•

Fuente de alimentación de las células de carga incorporada: 4 células de carga de 350 Ω o 8 células de carga de 700 Ω.

•

Sensibilidades de transductor seleccionables mediante interruptores DIL y potenciómetro de ajuste fino de ganancia (span).

•

Ajuste de cero hasta un 80% mediante interruptores DIL y potenciómetro de ajuste fino de cero.

Para las características técnicas ver anexos. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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3.3.3. Tarjeta de adquisición de datos NI pci-1200 La Familia 1200 son los dispositivos multifunción de bajo costo, dispositivos de E / S con hasta 100 kS / s, 12 bits con 8 terminales sencillas o 4 entradas analógicas diferenciales. Las características digitales de la Familia 1200: capacidad de disparo, 16 bits, contadores / temporizadores de 8 MHz, dos salidas analógicas de 12 bits; y 24 tomas digitales de E / S.

Entrada Analógica

La familia 1200 cuenta con ocho terminales simples o 4 canales de entrada analógica diferencial de 12 bits. La gama de voltaje de entrada es un software programable de 010 V (unipolar) o ± 5 V (bipolar). La ganancia del amplificador se selecciona entre 1, 2, 5, 10, 20, 50 ó 100.

El único canal de frecuencia de muestreo de la ADC es de 100 kS / s. El PCI, DAQCard, y Lab-PC pueden sostener este ritmo, pero la DAQPad no puede. La transferencia de datos sostenible para un PC en puerto paralelo es de 25 kS / s (dependiendo de tu ordenador). Si necesitamos una solución externa con el muestreo más rápido, se debe considerar la posibilidad de el DAQPad-6020E USB, (100 kS / s) y la DAQPad-6070E IEEE 1394 (1,25 MS / s). Cuándo se da el rastreo de múltiples canales, la máxima velocidad de muestreo para todos los productos de la familia 1200 de es 83,3 kS / s con ganancia de 1.

En este caso el problema se traducía en que para una entrada analógica, aunque se estuviéra trabajado con una ganancia elevada, la señal que la célula de carga transmite a la tarjeta de adquisición de datos no es suficiente como para que dicha señal sea detectada como impulso, puesto que aún a ganancia elevada, la resolución de la tarjeta no es suficiente.

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Lo que se obtenía, eran una serie de ruidos, debido al entorno de la señal, que se confundían con la misma. La solución a dicho problema, surgió de la utilización de un convertidor analógico para células de carga que acondiciona la señal de manera que se detecta en la tarjeta de adquisición.

La adquisición de datos con los dispositivos de la familia 1200 está disponible en tres modos:

1) Adquisición continua de un solo canal

2) Adquisición multicanal continua con la digitalización

3) Adquisición multicanal con intervalo de escaneo con una resolución de 1 µ S.

En este caso, aplicaremos la adquisición continua de un solo canal, puesto que la célula de carga transmite una señal analógica continua.

La familia 1200 tiene dos dispositivos de modos de disparo por hardware el modo pretrigger y el modo de posttrigger.

En pretrigger, el dispositivo recoge muestras hasta que un disparador recibe del exterior una activación de entrada, y luego sigue reuniendo un determinado número de muestras.

En posttrigger, el dispositivo reúne un número determinado de muestras después de recibir una señal externa del disparador.

Salida analógica

La familia 1200 cuenta con dos doble-buffered 12-bit DACs que están conectados a dos canales de salida analógica. Se puede configurar independientemente cada canal

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a través de software para unipolar (0-10 V) o bipolar (± 5 V). La resolución de la de 12 DAC bits es 2,44 mV en ambas polaridades.

Las entradas y salidas analógicas de la familia 1200 han se ser autocalibradas para corregir la ganancia y compensar los errores.

Digital I / O

La familia de dispositivos digitales 1200 tiene 24 líneas de E / S de 5 V / TTL compatible y configurable como tres de 8 bits para los puertos de entrada, de salida, bidireccional, o protocolo de modos

de transporte.

La salida digital de

los puertos de la serie 1200 puede asumir 2,5 mA en cada línea.

Contador / Timer

La Familia 1200 utiliza dos circuitos integrados contadores / temporizadores 82C53, cada uno con tres posibilidades independientes de contadores / temporizadores de 16 bits.

Una 82C53 se dedica para A / D y D / A de calendario. Los tres contadores en los demás 82C53 están relacionados con funciones de tiempo en general, como el reloj de salida, salida de pulso y contador. De estos tres mostradores, uno de ellos podrá ser requerido para calendario de analógico I / O, y tiene un built-in de 20 MHz de fuente de reloj.

I / O Connector

El I / O es un conector de 50 pines.

ACH son ocho canales de entrada analógica.

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DAC0OUT y DAC1OUT son los dos canales de salida analógica.

EXUPDATE, EXTCONV, y EXTTRIG son líneas TTL a través del cual se puede conectar externamente un control analógico I / O.

CLKB , GATB , y outb son el reloj y la salida por puerta del usuario de contadores disponibles.

PA , PB , y PC son las tres salidas de 8 bits digitales.

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DAQPad-1200 Power

El DAQPad-1200 se alimenta de cualquier fuente de 9 a 42 VDC. Con el adaptador AC se puede alimentar la DAQPad-1200 de cualquier fuente estándar de 120 VAC o 230 VAC.

Las características técnicas de la tarjeta de adquisición de datos se incluyen en los anexos.

3.3.4. Placa de sujeción Este conjunto se sitúa en la estructura, sobre el pórtico, puesto que será necesaria una gran resistencia, debido a que sobre él ejerceremos todo el impacto de los testeos. Este conjunto se compone de, una placa de acero que irá soldada al tubo estructural que compone el larguero del pórtico. Como podemos observar, esta placa va taladrada en sus esquinas.

Esto responde a que buscamos la facilidad de montaje de la mesa y en caso de aparición de una posible fractura en la base, cambiar la pieza sin necesidad de desmontar todo el

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armazón. Sobre esta placa, se incorpora la base del sistema de medida de fuerza a modo similar a como se hizo con la placa metálica a la superficie inferior.

3.3.5. Base de apoyo La base se trata fundamentalmente de una barra de acero sobre la que se incorporan todos los elementos estructurales necesarios para controlar el impacto del balancín durante el ciclo de funcionamiento.

Como se puede observar, en la parte superior, se pueden ver los cuatro taladros en las esquinas que unirán la base a la placa soldada a la estructura. Además se observan, dos taladros de menor dimensión, en los que irán los tornillos que sujetan el sensor, de manera que no se pueda mover respecto a la base.

En los laterales, se contemplan cinco taladros que resulta pasantes (1), este taladro, alberga un perno roscado ISO 4017 M8x70 steel grade a hexagon head. Este perno, se corresponde con una pieza metálica, en forma de H, que será la encargada de desplazare a lo largo de la barra, moviendo el punto de apoyo de la barra sobre la que aplicaremos el impacto, logrando así, distintas reducciones de fuerza sobre el sensor. Estas reducciones darán una mayor flexibilidad a la hora de hacer medidas con distintos Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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balancines, puesto que no solo se dispondrá del margen de carga de la célula, sino que además se tienen una serie de reducciones según el punto de aplicación de la fuerza.

También en el lateral se pueden ver dos taladros de menor tamaño (2), en este caso no son pasantes, y se utilizan en la unión del sistema de guiado de la fuerza sobre el sensor de carga, mediante tornillos ISO 10642 M3x8 steel hexagon socket countersunk head.

El sensor debe deformarse para realizar la medida, por tanto no puede ir directamente apoyado sobre la superficie plana de la base. Para que esto no ocurra, debemos levantarlo unas décimas de milímetro sobre la base. Para no tener que mecanizar la base se coloca una placa, que irá sujeta a la barra mediante los tornillos que sujetan el sensor a la base y la base a la estructura.

Habrá de tenerse en cuenta que el grosor de esta placa se el suficiente como para realizar las medidas, pero que además nos sirva de protección para el sensor, a fin de que el sensor no alcance una deformación excesiva. Observando la deformación máxima que

establece el fabricante, pondremos una placa que levante el sensor

aproximadamente 0,3mm. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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3.3.6. H metálica Se incorpora una pieza en forma de H realizada en acero, que servirá de apoyo para el mecanismo de reducción de fuerza y además nos permitirá deslizar el punto de apoyo de dicho mecanismo sobre la base, logrando así mayor flexibilidad a la hora de testear distintos niveles de fuerza.

Como se puede observar, la pieza en H irá taladrada en las alas de manera que mediante pernos roscados ISO 4017 M8x70 más contratuerca y arandela, ira sujeta tanto a la base como a la barra de transmisión del impacto.

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3.3.7. Posicionamiento y guiado de la fuerza sobre la célula de carga Se describe un conjunto de montaje para utilizar en combinación con una célula de carga adaptada para medir la fuerza de un balancín. El conjunto de montaje comprende una parte fija que tiene una base y un medio de soporte, y una plataforma móvil adaptada para ser sustentada por el medio de soporte cuando está en su posición instalada (no en funcionamiento). La plataforma esta adaptada adicionalmente para elevarse de su posición de funcionamiento a una posición de no funcionamiento mediante una palanca encargada de transmitir el impacto sobre la barra, estando sustentada la plataforma por la célula de carga en su posición de no trabajo.

Dicha plataforma ira guiada por un taladro realizado en la base de manera que la fuerza se ejerza según los patrones descritos en la introducción. Además esta plataforma se unirá a la barra transmisora del impacto mediante un taladro ciego practicado en ésta.

3.3.8. Reducción mecánica del esfuerzo Una parte importante a proteger dentro de la máquina es la célula de carga, no en tanto a su valor económico, si no a que de ella debemos extraer valores que posteriormente serán motivo de análisis, por lo tanto, se debe cuidar que su funcionamiento se encuentre dentro de los límites que establece el fabricante, preferiblemente dentro de los inferiores. Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

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A tal efecto, se coloca una barra a modo de palanca que permitirá transmitir el fuerte impacto dado por el balancín al sensor, de modo que este ultimo sufra lo menos posible, de esta manera, no solo no se efectúa el impacto sobre el propio sensor, sino que además se consigue amortiguar la fuerza que se ejecuta sobre el mismo mediante una palanca sencilla.

Con ello se consigue utilizar una célula de carga con un margen de sensibilidad menor y por lo tanto una menor incertidumbre en la medida, de modo que obtenemos un valor de esfuerzo más próximo al real.

En un principio, se piensa en usar una barra de perfil en doble T, intentando así conseguir que el momento de inercia suba y reducir la flexión de la barra, que establecerá un error a la hora de transmitir el esfuerzo a la célula de caga, pero finalmente se opta por una barra de acero maciza, puesto que la flexión de la misma, no dista mucho de la del perfil en doble T, y se consigue una mayor robustez en la parte en la que dicha barra esta taladrada, ya que es aquí donde está el apoyo y donde la barra va a sufrir parte del impacto ocasionado por el balancín.

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Para evitar el excesivo desgaste de la barra al contacto directo con el balancín, se coloca una placa metálica a modo de sufridera, fácilmente reemplazable, que además nos marcara el punto de impacto. Este punto se debe alcanzar con el electrodo antes de empezar cada testeo, gracias a la regulación que permite la máquina en los tres ejes.

Por otro lado, el cliente medirá distintos balancines en el prototipo, por lo tanto, se debe flexibilizar al máximo la capacidad de la maquina, sin perder la eficiencia en la medición realizada, para ello, se debe mantener dentro de los márgenes de carga nominal que el fabricante de la célula establezca.

Por tanto, se diseña sobre la barra una serie de taladros que permitirán establecer una posición óptima de medida del impacto. Esto es, si la célula de carga se mueve en un margen de 300 a 800 N de carga nominal, intentaremos que la medida se realice siempre en torno a los 600 N.

Diseño y desarrollo para un banco de ensayo de un balancín de soldadura

MEMORIA

F

60

F´

R R´

F *R F ´= R´ De modo que R y R´ varían según desplacemos el apoyo por la barra, permitiéndo acercarse al punto óptimo de medida.

El rango de fuerzas para los balancines utilizados según la norma se establece para, F