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Cuando la barra es empujada, sale del arreglo de forma perpendicular a este y es detenida por topespivotados (Ilustración 15) de forma que detienen la barra y cuando esta cae, los hace rotardejándolos de forma horizontal, con lo cual la barra toma la misma orientación (Ilustración 16). Estopermite que la barra quede alineada con el plano sobre el cual debe deslizarse para entrar al troquelde corte. Junto a estos topes, se ubican sensores a fin de detectar la presencia de la barra una vezha sido tomada del arreglo.Ilustración 15. Tope pivotado.Ilustración 16. Funcionamiento del tope pivotado.14

Una vez la barra a cortar se encuentra en posición, es desplazada desde su extremo posterior porun actuador lineal de forma que se ubica sobre el mecanismo responsable por la alimentación deltroquel de corte.5.1.2. Análisis del precedenteComo se mencionó anteriormente, el prototipo estudiado ha dado buenos resultados y,adicionalmente, puede adaptarse de forma sencilla a la línea de producción existente y es de fácilmontaje y mantenimiento. Por esto, se decidió emplear el mismo diseño analizado. Sin embargo,en el marco del proyecto, la materia prima tiene cierta variación dimensional, por lo cual se modificóligeramente a fin de garantizar el correcto funcionamiento del subsistema con barras que no soncompletamente rectas.5.1.3. PropuestaEn la Ilustración 17 se observa el rack de almacenamiento con el subsistema de toma de las barrasensamblado. El troquel de corte y el alimentador se encuentran ubicados en el costado izquierdode la imagen. La barra sale del rack por ese lado, a la misma altura a la que se encuentra la entradadel alimentador, de forma que puede ingresar directamente en este.Ilustración 17. Rack de almacenamiento, alimentador de barra y troquel de corte.15

El rack, que ya existe en la planta, es una estructura de perfiles tubulares cuadrados 50x50x4 mmsoldados y láminas de 3mm de espesor (ver Ilustración 18). Dicha estructura genera un planohorizontal sobre el cual se depositan los atados de barras a procesar y un plano inclinado sobre elcual reposan las barras una vez son extraídas del atado y organizadas por un operario. La estructurase encuentra anclada al suelo mediante pernos ubicados en platinas soldadas a sus patasIlustración 18. Estructura del rack de almacenamiento.A lo largo del rack se ubican varios actuadores lineales y topes, como se puede ver en la Ilustración19 y en la Ilustración 20. El primer actuador, de referencia Festo DSBC-63-40-PPVA-n3 [1] seencuentra sujeto a la estructura del rack y tiene acoplada una platina en su extremo. Con ella, seencarga de empujar la barra que se encuentra en la parte inferior del arreglo mientras que elmovimiento de las demás barras es restringido por un tope. Este se encuentra montado sobre laestructura y permite graduar su posición y de forma manual. Consta de una platina ranurada que sesujeta mediante perno a una segunda platina acoplada a la estructura del rack. Adicionalmente, hayuna lámina que se sujeta a los extremos móviles de todos los actuadores de forma que se vincula sumovimiento. El funcionamiento de estos elementos se puede observar en la Ilustración 21.16

Ilustración 19. Actuadores instalados en el rack de almacenamiento.Ilustración 20. Actuadores instalados en el rack de almacenamiento.17

Ilustración 21. Funcionamiento de actuador y tope para la toma de barras.Un segundo tope se encarga de detener el avance de la barra empujada por el actuador lineal, comose observa en la Ilustración 22, este tope se encuentra en el extremo de un balancín calibrado pararotar con el peso de la barra, de forma que esta queda ubicada horizontalmente. Un segundoactuador de referencia Festo ADN-40-30-A-P-A [2], sujeto a la estructura del rack y con una láminaacoplada en su extremo móvil empuja la barra de forma que se alinea contra el tope del balancín,como se puede ver en la Ilustración 23.Ilustración 22. Funcionamiento balancín.18

Ilustración 23. Funcionamiento del segundo actuador lineal.En el extremo del rack se instala un actuador neumático de referencia Festo DSBC-50-500-PPVA-n3[1] que se acopla a una platina a la que se le sujetan los ejes de cuatro rodillos de guía que sedesplazan horizontalmente siguiendo la estructura del rack. En la parte superior de la platina sesujeta un ángulo en acero AISI 1020 que es el encargado de empujar la barra a procesar cuando seactiva el actuador mencionado, como se aprecia en la Ilustración 24 e Ilustración 25.Ilustración 24. Actuador que empuja la barra hasta la entrada del alimentador.19

Ilustración 25. Actuador que empuja la barra hasta el alimentador.A la salida del rack se instala un pisador para garantizar el control de la posición vertical de la barraalimentada. Este se compone de una lámina doblada de 3mm de espesor a la que se sujete mediantepernos un actuador lineal de referencia Festo ADN-40-60-PA [2] que tiene acoplada una rueda deguía en su extremo, que gira de forma libre mientras la barra es alimentada, pero la presionaverticalmente contra la estructura, como se puede ver en la Ilustración 26 e Ilustración 27.Ilustración 26. Pisador y tope a la salida el rack.20

Ilustración 27. Pisador y pieza para alinear barras a la salida del rack.Para garantizar que las barras entren rectas al alimentador, se adiciona una pieza en acero 1020sujetada mediante pernos a la estructura del rack, como se puede ver en la Ilustración 27. Esta piezase encarga de alinear la barra que entra al alimentador, permitiendo que las barras a procesartengan una desviación horizontal de 1.5 cm, por lo tanto, barras con una variación dimensionalmayor no podrán ser procesadas.5.2. Alimentador de barra5.2.1. Precedentes5.2.1.1. Prototipo desarrollado en una de las plantas del grupo MustadEste mecanismo, presentado en la Ilustración 28, se conforma por un piñón y seguidor conectadospor medio de una cadena de transmisión y ubicados bajo la barra a alimentar. El piñón recibe supotencia de un motor eléctrico. Adicionalmente, un grupo de dos rodillos desplazables en el ejevertical se ubica sobre la barra para generar una fuerza normal sobre esta y poder ajustarse a losdiferentes espesores de las barras a procesar.Ilustración 28. Mecanismo de alimentación del troquel de corte.21

Un actuador lineal ubicado de forma perpendicular a la barra que va a ser alimentada se activa,haciendo descender un rodillo sobre la barra (Ilustración 29). Este rodillo garantiza una fuerzanormal que impide que la barra se mueva de forma vertical.Ilustración 29. Rodillo.Cuando la barra es introducida en el troquel una distancia apropiada para cortar el blanco deseado,activa un sensor de fin de carrera (Ilustración 30), activando el troquel. El sensor puede desplazarselinealmente mediante la activación de un actuador lineal. Este movimiento cumple un doblepropósito: por un lado, el sensor se retrae cuando el blanco es cortado para que caiga en una bandatransportadora (Ilustración 31) que lo lleva a la siguiente etapa, y por otro lado, permite ubicarlo endiferentes posiciones a fin de variar la longitud de los blancos que se cortan en función del tipo deherradura a producir.Ilustración 30. Sensor de final de carrera.22

Ilustración 31. Salida de la etapa de corte.5.2.1.2. Alimentador de alambreSe tomó como referencia el alimentador de alambre modelo NAD desarrollado por Wittels-Albert[3], presentado en la Ilustración 32. Se puede ver en la Ilustración 33 que el alimentador tiene unpar de rodillos móviles que se ubican en la parte inferior del sistema, a fin de ajustar el calibre dealambre a procesar. Por otro lado, la transmisión se realiza mediante un sistema de poleas. Estemecanismo, a pesar de no ser para la misma aplicación del presente proyecto, sirve como referenciapara la configuración general del sistema diseñar.Ilustración 32. Alimentador de alambre Witels-Albert.23

Ilustración 33. Planimetría de alimentador de barra [4].5.2.2. Análisis de los precedentesComo se observa en la Ilustración 30, la operación del troquel de corte está determinada por unsensor de fin de carrera activado por la barra que va a ser procesada. Sin embargo, por lasdimensiones de las barras utilizadas en la línea a automatizar, no es viable replicar dicho sistema.Esto, pues las barras más cortas no sobresalen de la bancada lo suficiente como para alcanzar aactivar el sensor, lo cual implica buscar una alternativa para el control de la alimentación.Adicionalmente, el alimentador empleado en el prototipo cuenta con tracción únicamente en labanda inferior mientras que la superior únicamente ayuda a generar una fuerza normal, lo cualocasiona deslizamientos relativos entre las barras y las bandas de forma esporádica, condición nodeseable.Por otro lado, se puede ver en la Ilustración 32 que el alimentador de alambre utiliza un sistema derodillos en lugar de bandas. Esto es deseable desde el punto de vista del mantenimiento ya quepermite la intervención independiente de cada rodillo y no se debe asegurar una tensión adecuadade la banda que, para fines prácticos tiene poca influencia sobre la tracción en el espacio entre losrodillos.El mecanismo utiliza un sistema de poleas para la transmisión de potencia desde un motor eléctrico.Esto tiene la ventaja de que la cadena permite el movimiento relativo de los ejes motrices de formaque se puede ajustar la altura de los rodillos para procesar alambres de diferente calibre. Sinembargo, cuenta con la desventaja de una baja eficiencia en comparación con otros mecanismos detransmisión como, por ejemplo, los engranajes.Finalmente, se descartó la opción de tener rodillos desplazables en la mitad inferior del sistema puesse debe garantizar que estos se encuentren alineados permanentemente con la entrada del troquelde corte. Para permitir el ajuste a los diferentes espesores de barra a procesar se optó por dejarfijos los rodillos inferiores y desplazar los superiores.24

5.2.3. PropuestaTras el análisis anterior, se optó por realizar el control de la alimentación a partir de la posiciónangular de los rodillos del alimentador. Esto permite, por un lado, simplificar el sistema dealimentación al eliminar la necesidad de instalar un subsistema con sensores adaptables a variasposiciones y, por otro lado, garantiza que se puedan procesar todas las longitudes de blanco querequiere la línea de producción.Debido a esta decisión, se optó por un sistema de rodillos similar al del alimentador de alambre [4],con tracción en todos los rodillos, de forma que se garantice la eliminación del deslizamientoesporádico entre los rodillos y las barras alimentadas. También se optó por el uso de rodillos enlugar de bandas por la facilidad de mantenimiento y las demás razones expuestas en el análisis.Adicionalmente, se optó por un sistema de transmisión de piñón y engranaje en lugar de piñón ycadena, de forma que se maximice la eficiencia de transmisión. Esto implicó el diseño de unmecanismo que permita variar la posición de los rodillos a fin de ajustarse a los diferentes espesoresde barra a procesar, teniendo en cuenta que la variación de espesores es únicamente de 5mm.Esquema generalIlustración 34 se presenta una vista general del sistema propuesto. La potencia es suministrada porun motorreductor al eje b, mediante un acople flexible. Esta es transmitida mediante engranajes alos ejes a, a’, d y e. Siendo fijos los dos primeros mientras que los dos últimos pueden rotar alrededordel eje b. Este, cumple dos propósitos: por un lado, permite la inversión del sentido de giro de losejes d y e y, por el otro lado, sirve como pivote para que estos puedan girar sin desacoplarse delsistema de transmisión.Ilustración 34. Esquema general del alimentador.25

Un mecanismo de biela-manivela-pistón se utiliza para convertir el movimiento rotacional de losejes d y e alrededor del eje b en un movimiento lineal, de forma que se puede ubicar un par deactuadores lineales en la parte superior del sistema para controlar la posición de estos ejes ypermitir que se ajusten a los diferentes espesores de barra a procesar. Esto es posible debido a quelos espesores varían únicamente 5 mm, con lo cual pueden rotar los ejes sin que su posiciónhorizontal con respecto a los ejes a y a’ varíe de forma considerable. El funcionamiento de estemecanismo puede apreciarse en la Ilustración 35.Ilustración 35. Funcionamiento del mecanismo de ajuste.Adicionalmente, se consideraron dos disposiciones posibles para el alimentador, como se pude veren la Ilustración 36. La primera opción cuenta con la ventaja de que se disminuyen los momentosflectores a los que se someten los rodillos y los protege del exterior. Sin embargo, dicha opcióndificulta el mantenimiento del sistema. Esto, pues implica el desmonte de la bancada y los ejes cadavez que se desee tener acceso a los rodillos. Por lo anterior, se optó por la segunda opción puesfacilita el acceso a los rodillos en caso de ser necesario. Cabe aclarar que esta opción se escogió apesar de que implica mayores momentos flectores, puesto que las cargas de operación sonrelativamente bajas en comparación con las que podría soportar el sistema como se verá másadelante. A continuación, se discutirá la metodología empleada para el diseño de los elementos quecomponen el alimentador.26

Ilustración 36. Alternativas consideradas para la disposición del alimentador.27

5.2.3.1.1. Determinación de requerimientos del nNúmero de barras para cortar 30 blancos [-]Cadencia objetivo [blancos/min]Distancia de puntas [mm]Fuerza normal en cada rodillo [N]Número de golpes por barra [-]Longitud de barra [mm]Distancia por alimentar para cortar 30 blancos [mm]Longitud del blanco [mm]Longitud del retazo [mm]Número de blancos que se sacan por barra [-]Potencia máxima por rodillo [W]Torque de entrada de los rodillos [Nm]Aceleración/Desaceleración de la barra [mm/s2]Distancia entre blancos [mm]Fuerza de tracción sobre la barra [N]Fuerza de tracción sobre cada rodillo [N]Masa de la barra (supone sección máxima) [kg]Tiempo para procesar una barra [min]Tempo por ciclo de la prensa [min]Tiempo consumido en corte por barra [min]Tiempo disponible entre cortes [s]Tiempo para movimiento por barra [min]Tiempo para movimiento por blanco [min]Ancho de rodillos [mm]Velocidad máxima de la barra [mm/s]Velocidad media de la barra [mm/min]Peso de cada rodillo [N]Diámetro de rodillos [mm]Aceleración angular del rodillo [rad/s 2]Coeficiente de fricción estática A36/caucho [-]Densidad de las barras [kg/m3]Velocidad angular máxima rodillo [rad/s]Velocidad angular media rodillo [rad/s]Tabla 1. Nomenclatura empleada para los cálculos generales.28

Lo primero que se necesita conocer son las condiciones a las que deben operar los rodillos delalimentador. Estas son impuestas por la cadencia a la que se deben procesar las barras y fuerondeterminadas según el siguiente procedimiento (ver Ilustración 37 y Tabla 1).Ilustración 37. Nomenclatura de parámetros geométricos de barras y blancos.Para cada una de las longitudes de los blancos a procesar se halló el número de blancos que puedensacarse de cada barra de 6 metros de largo utilizadas como materia prima. Con esta información secalculó el número de golpes que debe dar el troquel y la longitud que tienen los retazos resultantesdel procesamiento de las barras, según la Ecuación 1.𝐿𝑟 𝐿𝐵 𝐷 𝑑 𝑁𝑏(𝐿𝑏 𝑑)Ecuación 1. Longitud de los retazos de corte.También se halló el tiempo necesario para procesar una barra, 𝑡𝐵 , sabiendo que se deben cortar 30blancos cada minuto y conociendo el número de blancos que pueden cortarse por cada barraprocesada. Con este tiempo, y sabiendo que el tiempo que toma cada corte de la prensa, 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 , sehalló el tiempo disponible para el movimiento de la barra, 𝑡𝑚𝐵 , según la Ecuación 2.𝑡𝑚𝐵 𝑡𝐵 𝑡𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑡𝐵 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝐺𝐵Ecuación 2. Tiempo disponible para el movimiento de la barra.Para cumplir con la cadencia objetivo, es necesario considerar que no solo se debe alimentar unacantidad de barra cuya longitud sea equivalente a la de 30 blancos, sino que se debe alimentar deforma adicional la Distancia D, necesaria para garantizar que el troquel de corte quedacompletamente apoyado sobre la barra y la distancia d, correspondiente a la separación entre cadauno de los blancos cortados. Con estas distancias, y sabiendo cuantas barras son necesarias paraobtener 30 blancos, se halló la distancia a alimentar, 𝐿𝑎𝑙 , para cada tipo d

del troquel de corte, lo cual facilita el proceso de alimentación, por lo que no se plantea ninguna modificación en su posición. Por otro lado, se observa que el horno de inducción se ubica de forma que los blancos que salen del troquel de corte deben realizar un giro de 90 para entrar al buffer del horno.