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Diseño y control de un apilador / desapilador de palets

De
189 pages

Hoy en día, el tiempo invertido en realizar un trabajo y el coste de la mano de obra necesaria para desarrollarlo, son dos aspectos cuyo valor se intenta reducir lo máximo posible. Para ello, a lo largo de los años, se han ido diseñando máquinas cada vez más avanzadas, capaces de realizar los mismos trabajos que el hombre, pero con una mayor precisión, en un tiempo más reducido y con un coste menor. Se ha recurrido a técnicas como la automatización industrial, la cual se podría definir como el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. Este sistema de funcionamiento está presente cada vez en más sectores dedicados a la elaboración y almacenamiento de materia prima para realizar un trabajo con la mínima intervención del hombre y en el menor tiempo posible. En este tipo de sectores, el espacio es un problema fundamentalComo el coste de las naves industriales es bastante elevado, las empresas intentan almacenar su carga, y aprovechar el espacio, de la mejor manera posible. La forma más rentable de optimizar el espacio, es aquella en la que se consigue aprovechar el mayor número de metros cúbicos posible. Debido a ello, los almacenes suelen tener su carga distribuida, no sólo a lo largo y ancho, sino también a lo alto, en una serie de estanterías que van formando pasillos desaprovechando el mínimo espacio posible. Los almacenes de gran envergadura, además suelen tener otra zona, compuesta por una serie de mesas transportadoras, a través de las cuales se realiza toda la distribución de la misma. La mayor parte de la carga se manipula a través de un proceso automatizado; dicho proceso se lleva a cabo mediante máquinas eléctricas, hidráulicas, neumáticas, etc., que regidas por un programa informático, son capaces de realizar trabajos de forma cíclica, necesitando la intervención del hombre únicamente para la puesta en marcha, para el mantenimiento o en caso de emergencia. Uno de los sistemas más utilizados para el desplazamiento y/o almacenamiento de la carga, es el palet. Los palets se encargan de sujetar la carga en todo momento y facilitan su manipulación, debido a la existencia de máquinas diseñadas para recoger y depositar en los mismos. Cuando la carga es retirada del palet y éste deja de servir temporalmente como base de transporte, normalmente se apilan, almacenándolos de forma que ocupen poco espacio y para que estén accesibles a la hora de volver a utilizarlos. Del mismo modo, cuando están apilados y es necesario volver a utilizarlos para poner carga encima, lo que se debe hacer es desapilar. Existen diferentes tipos de máquinas para realizar el trabajo de apilado/desapilado, dependiendo de diversos factores; el objetivo de este proyecto, es diseñar un apilador/desapilador que cumpla una serie de requisitos, detallados en el pliego de condiciones. Se trata de diseñar una máquina capaz, de apilar y desapilar, un número determinado de palets, de una forma rápida y sencilla, y totalmente automatizada. Se persigue que la intervención del hombre sea mínima en este proceso. Tanto el control del apilador, como el control de las mesas, se debe realizar mediante sensores, que enviarán las señales correspondientes a un autómata, cuyo programa controlará todo el proceso. Al mismo tiempo, se pide que la máquina tenga un coste asequible y que sea competente frente a lo que hoy en día ofrece el mercado.
Ingeniería Técnica en Electrónica
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID





PROYECTO FIN DE CARRERA




DISEÑO Y CONTROL DE UN
APILADOR / DESAPILADOR
DE PALETS


DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA




AUTOR: ALBERTO SOTO VILCHES

TUTOR: JOSÉ LUIS SAN ROMÁN GARCÍA INTRODUCCIÓN ............................................................................. 1
INTRODUCCIÓN...................................................................................................... 2
PLIEGO DE CONDICIONES............................................................. 4
CONDICIONES DE DISEÑO DE LA MÁQUINA ................................................ 5
Finalidad.................................................................................................................. 5
Estructura ............................................................................................................... 5
Instalación ............................................................................................................... 5
Materiales................................................................................................................ 6
Control..................................................................................................................... 6
Seguridad................................................................................................................. 7
Especificaciones del diseño .................................................................................... 7
COMPONENTES.............................................................................. 9
ELEMENTOS QUE CONFORMAN LA MÁQUINA.............................................. 10
Conjunto bastidor fijo (plano nº2)....................................................................... 10
Bastidor móvil (plano nº6).................................................................................... 10
Conjunto grupo elevación (plano nº7)................................................................. 11
Conjunto accionamiento palas (plano nº10)....................................................... 11
Conjunto detectores (plano nº 22) ....................................................................... 12
Varios..................................................................................................................... 13
FUNCIONAMIENTO ...................................................................... 15
MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA ..................................... 16
Proceso de apilado ................................................................................................ 16
Proceso de desapilado........................................................................................... 25
Proceso de acceso al recinto de la máquina........................................................ 31
Parada de emergencia y del bloqueo de la máquina ......................................... 33
SISTEMA NEUMÁTICO ................................................................. 34
CIRCUITO NEUMÁTICO .................................................................................... 35
Esquema del circuito neumático ......................................................................... 35
Elementos del circuito neumático ....................................................................... 35
Sistema de funcionamiento del circuito neumático ........................................... 37
SISTEMA ELÉCTRICO .................................................................. 41
CIRCUITO ELÉCTRICO....................................................................................... 42
Esquemas eléctricos.............................................................................................. 42
Constructivos ........................................................................................................ 52
Materiales para la fabricación de los cuadros ................................................... 54
CÁLCULOS.................................................................................... 56
DIMENSIONES CILINDROS NEUMÁTICOS ................................................... 57
Diámetro y carrera del cilindro de elevación..................................................... 57
Diámetro y carrera de los cilindros de accionamiento de las palas ................. 59
CONSUMO NEUMÁTICO DE LA MÁQUINA.................................................. 60
Consumo del cilindro de elevación...................................................................... 60
Consumo de los cilindros de accionamiento de las palas .................................. 61
Consumo medio de la máquina ........................................................................... 61
CÁLCULOS ELÉCTRICOS................................................................................... 66
Secciones de las líneas de alimentación............................................................... 66 Protecciones de las líneas de alimentación ......................................................... 68
TENSIÓN SOPORTADA POR EL TRAVESAÑO SUPERIOR ........................ 69
SEGURIDAD.................................................................................. 73
MEDIDAS DE SEGURIDAD.................................................................................. 74
MARCADO CE ............................................................................... 78
MARCADO CE DE LA MÁQUINA ...................................................................... 79
Directivas contempladas ...................................................................................... 79
Pegatina del marcado CE .................................................................................... 81
AUTOMATIZACIÓN....................................................................... 82
AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA ................................................................ 83
Entradas y salidas................................................................................................. 83
Diagramas de estado............................................................................................. 84
Estados y transiciones .......................................................................................... 86
Programación en lenguaje de contactos (LD) .................................................... 94
PRESUPUESTO........................................................................... 107
PRESUPUESTO DE LA MÁQUINA................................................................... 108
Calderería y el mecanizado................................................................................ 108
Material de comercio.......................................................................................... 112
Material neumático............................................................................................. 113
Ensamblaje y del vestido de la máquina........................................................... 114
Materiales eléctricos........................................................................................... 114
COMPARATIVA........................................................................... 115
COMPARATIVA CON MÁQUINAS SIMILARES........................................... 116
Apiladores fijos ................................................................................................... 117
Apiladores móviles.............................................................................................. 119
Conclusión........................................................................................................... 122
LISTAS DE MATERIAL................................................................ 123
PLANOS ...................................................................................... 156











































______________INTRODUCCIÓN






















PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y CONTROL DE UN APILADOR / DESAPILADOR DE PALETS
INTRODUCCIÓN

Hoy en día, el tiempo invertido en realizar un trabajo y el coste de la mano de
obra necesaria para desarrollarlo, son dos aspectos cuyo valor se intenta reducir lo
máximo posible. Para ello, a lo largo de los años, se han ido diseñando máquinas cada
vez más avanzadas, capaces de realizar los mismos trabajos que el hombre, pero con
una mayor precisión, en un tiempo más reducido y con un coste menor.

Se ha recurrido a técnicas como la automatización industrial, la cual se podría definir
como el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias o
procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que la
simple mecanización de los procesos, ya que la automatización provee a operadores
humanos de mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, y reduce
ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una
disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la
instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los
sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y
las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones
de plantas o procesos industriales.

Este sistema de funcionamiento está presente cada vez en más sectores dedicados a la
elaboración y almacenamiento de materia prima, ya que se trata de una técnica de
trabajo indispensable, para realizar un trabajo con la mínima intervención del hombre y
en el menor tiempo posible.

En este tipo de sectores, el espacio es un problema fundamental, sobre todo en aquellos
que necesitan almacenar gran cantidad de carga diariamente. Como el coste de las naves
industriales es bastante elevado, las empresas intentan almacenar su carga, y aprovechar
el espacio, de la mejor manera posible.

La forma más rentable de optimizar el espacio, es aquella forma en la que se consigue
aprovechar el mayor número de metros cúbicos posible. Debido a ello, los almacenes
suelen tener su carga distribuida, no sólo a lo largo y ancho, sino también a lo alto, en
una serie de estanterías que van formando pasillos desaprovechando el mínimo espacio
posible.

Los almacenes de gran envergadura, además de tener una zona con estanterías, para
almacenar la carga, suelen tener otra zona, compuesta por una serie de mesas
transportadoras, a través de las cuales se realiza toda la distribución de la misma. En
este tipo de instalaciones se distinguen diferentes zonas en función de lo que se haga
con la carga: zona de entrada y/o salida de carga, zona de reacondicionamiento de carga,
zona de conformado de carga, etc. La mayor parte de la carga se manipula a través de
un proceso automatizado; dicho proceso se lleva a cabo mediante máquinas eléctricas,
hidráulicas, neumáticas, etc., que regidas por un programa informático, son capaces de
realizar trabajos de forma cíclica, necesitando la intervención del hombre únicamente
para la puesta en marcha, para el mantenimiento o en caso de emergencia.

Uno de los sistemas más utilizados para el desplazamiento y/o almacenamiento de la
carga, es el palet. Los palets se encargan de sujetar la carga en todo momento y facilitan
su manipulación, debido a la existencia de máquinas diseñadas para recoger y depositar



DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA (UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID) 2PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y CONTROL DE UN APILADOR / DESAPILADOR DE PALETS
en los mismos. Cuando la carga es retirada del palet y éste deja de servir temporalmente
como base de transporte, normalmente se apilan, almacenándolos de forma que ocupen
poco espacio y para que estén accesibles a la hora de volver a utilizarlos. Del mismo
modo, cuando están apilados y es necesario volver a utilizarlos para poner carga
encima, lo que se debe hacer es desapilar. Existen diferentes tipos de máquinas para
realizar el trabajo de apilado/desapilado, dependiendo de diversos factores; el objetivo
de este proyecto, es diseñar un apilador/desapilador que cumpla una serie de requisitos,
detallados en el pliego de condiciones.

El problema que se plantea es el siguiente. En una instalación con un gran
volumen de carga y con un gran flujo de manipulación de la carga, a lo largo de la línea
de transporte, es muy probable que en algún punto sea necesario realizar un apilado o un
desapilado de palets.

Se trata de diseñar una máquina capaz, de apilar y desapilar, un número determinado de
palets, de una forma rápida y sencilla, y totalmente automatizada. Se persigue que la
intervención del hombre sea mínima en este proceso.

Tanto el control del apilador, como el control de las mesas, se debe realizar mediante
sensores, que enviarán las señales correspondientes a un autómata, cuyo programa
controlará todo el proceso.

Al mismo tiempo, se pide que la máquina tenga un coste asequible y que sea
competente frente a lo que hoy en día ofrece el mercado.





























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____ PLIEGO DE CONDICIONES
























PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y CONTROL DE UN APILADOR / DESAPILADOR DE PALETS
CONDICIONES DE DISEÑO DE LA MÁQUINA

A continuación se describen todas y cada una de las condiciones que debe
cumplir la máquina, tanto a nivel de diseño, como a nivel de control, y las condiciones
de la instalación en la que ha de trabajar.

Finalidad

La máquina a diseñar debe ser capaz de apilar y desapilar palets vacíos, situada
físicamente sobre una mesa transportadora, en una línea de transporte.

El proceso de apilado se debe desarrollar de tal manera, que cada vez que se aloje un
palet nuevo en la pila, éste pase a ser el palet base. Del mismo modo, el proceso de
desapilado se debe desarrollar de tal manera, que cada vez que se desaloje un palet de la
pila, éste debe ser el palet base. Según estos procesos, se puede decir que se persigue un
sistema LIFO, es decir, un sistema en el que el último palet que entra en la pila, debe ser
el primero en salir.

En el proceso de apilado, se debe conducir el palet vacío (siempre de uno en uno) hasta
el apilador mediante mesas transportadoras, la pila debe levantarse para introducir
debajo el nuevo palet, y ésta debe ser apoyada sobre el mismo para que éste pase a
formar parte de la pila. Este ciclo se repetirá hasta alcanzar el número máximo de palets,
y acto seguido la pila podrá ser evacuada.

En el proceso de desapilado, se debe conducir la pila de 10 palets hasta el desapilador
mediante mesas transportadoras, a continuación, se debe levantar la pila completa
liberando el palet base, para que éste pueda ser evacuado. Este ciclo se repetirá hasta
evacuar los 10 palets que han de formar la pila.

Estructura

La máquina debe constar de un conjunto bastidor fijo apoyado en el suelo,
formado por un travesaño apoyado sobre dos postes verticales anclados al suelo.

Dentro del bastidor fijo se debe desplazar un bastidor móvil a lo largo de unas guías
fijadas en las columnas, con el fin de subir y bajar la pila verticalmente.

El bastidor móvil debe tener cuatro palas giratorias en la parte inferior, las cuáles se
introducirán lateralmente en uno de los palets de pila, soportando el peso de dicho palets
y de todos los que se encuentren apoyados encima.

Instalación

La máquina está diseñada para trabajar en una instalación con las siguientes
características. En primer lugar debe existir una línea de transporte formada por un
conjunto de 3 mesas de cadenas alineadas, para situar la máquina en la parte central de
la mesa intermedia. Las mesas deben tener las características detalladas en las
especificaciones del diseño.




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Esto es así, porque de cara al sistema de control, existe la mesa de entrada, la mesa de
apilado o desapilado, y la mesa de salida.

El palet o la pila de palets se deben desplazar centrados y de tal manera que los lados de
menor longitud, deben apoyar sobre los extremos de las mesas, debido a que el diseño
de la máquina requiere que lleguen en dicha posición, para poder ser manipulados
correctamente.

Tanto para depositar los palets en la mesa de entrada como para retirar los palets de la
mesa de salida, la instalación puede adaptar mesas transportadoras o utilizar otro de
maquinaria en función de las necesidades de la instalación.

Materiales

El material principal de la estructura de la máquina debe ser el acero. El resto de
materiales se pondrán en función de lo que se considere más conveniente en cada caso.

Control

El sistema debe estar automatizado mediante un ciclo automático, es decir, el
proceso desarrollado por la máquina será inicializado por un operario, mediante un
pulsador, y a partir de ese momento será autónomo, es decir, estará gobernado en su
totalidad por un autómata. En el autómata se podrán cargar dos programas distintos, y
en función de éste la máquina realizará un proceso de apilado o un proceso de
desapilado.

La elevación del bastidor móvil, y el giro de las palas, se realizará empleando cilindros
neumáticos, que serán controlados por el autómata a través de electroválvulas.

En el proceso de apilado, será necesario detectar la saturación de la pila para finalizar el
proceso, mediante un sensor óptico, que enviará dicha información al autómata. Del
mismo modo, se utilizará un sensor óptico en el proceso de desapilado, para detectar
que queda un único palet en la pila.

Las tres posiciones del bastidor móvil, serán detectadas por sensores inductivos,
activados por una placa metálica solidaria al bastidor móvil, que enviarán dicha
información al autómata.

En uno de los postes verticales, se deben colocar un armario eléctrico, que contendrá el
autómata y todos los elementos de protección eléctrica necesarios, en el cual se
centralizarán todas las señales de los diferentes sensores y desde donde serán
alimentados, y una placa de montaje para agrupar las electroválvulas, que se utilizarán
para gobernar los cilindros neumáticos.

Como medida de seguridad prioritaria, se debe vallar la máquina, incluyendo la mesa de
apilado/desapilado, formando un recinto cerrado al cual únicamente se puede acceder
mediante una puerta. Por lo tanto, se debe diseñar un sistema de petición de paso a
través de una botonera de control, para evitar interrumpir un ciclo de apilado o
desapilado, y sea el cliente quien decida en qué momento se puede acceder al recinto.




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En cuanto al control del movimiento de las mesas de cadenas, el autómata no las
gobernará de forma directa, sino que mandará órdenes al sistema del cliente para que
éste sea quien active o detenga su marcha. Es necesario colocar sensores de presencia en
las mesas para que el autómata sepa en que momento debe dar órdenes de avance o de
paro a las mesas transportadoras.

Seguridad

Se deben plantear todas las medidas de seguridad que se consideren oportunas,
para que el sistema sea fiable y seguro, siempre que estén dentro de la normativa
vigente.

Por otro lado, la máquina debe cumplir todos los requisitos necesarios para recibir el
marcado CE.

Especificaciones del diseño

• Condiciones de la máquina:

Altura máxima: 4000 mm
Anchura máxima: 2500 mm
Profundidad máxima: 1500 mm
Nº máximo de palets: 10
Alturas trabajo palas desde nivel transporte: 80, 205 y 305 mm
Distancia palas solidarias (entre ejes): 475mm

• Condiciones de la instalación:

Temperatura de servicio: 20ºC
Pérdidas neumáticas de los cilindros: 10%
Pérdidas mecánicas de los cilindros: 20%
Tiempo muerto procesos apilado/desapilado: 10%
Tipo mesas de transporte: mesas de cadenas
Velocidad de transporte: 20m/min
Altura mesas (altura de transporte): 600 mm
Anchura mesas (entre ejes): 1150mm
Longitud mesa de entrada: 1500mm
Longitud mesa de apilado/desapilado: 4000mm
Longitud mesa de salida: 1500mm
Distancia entre mesas (entre ejes): 100mm
Distancia entre sensor mesa entrada y sensor inicio mesa máquina: 1300mm
Distancia entre sensor inicio y sensor centro mesa máquina: 1400mm
Distancia entre sensor centro y sensor fin mesa máquina: 1400mm
Distancia entre sensor fin mesa máquina y sensor mesa de salida: 1600mm
Tipos de palet: tarima nacional A o tarima nacional B
Dimensiones palet: 1220x1020x145mm
Peso palet: 20Kg




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