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21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL
Tema A1a Diseño mecánico: Metodología del diseño de un dispositivo para la mejora de procesos
industriales.
“Diseño conceptual de un dispositivo cartesiano para forrado de bastidores en
bordadoras industriales”
García Martínez L.a, Miranda Galindo L.b, Zacarías García M.b
a (^) Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico Superior de Teziutlán / CA. Innovación y Desarrollo Tecnológico. Fracción l y ll S/N, Aire Libre, Teziutlán, Puebla. 73960. b (^) _Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico Superior de Teziutlán / División de Ingeniería Mecatrónica. Fracción l y ll S/N, Aire Libre, Teziutlán, Puebla. 73960.
- Autor contacto: luis.gm@teziutlan.tecnm.mx_ R E S U M E N Este proyecto describe el diseño de un dispositivo mecatrónico para el forrado y delimitación de geometrías para bastidores de máquinas de bordado computarizadas. La propuesta permite mejorar los tiempos de obtención de productos, al reducir el periodo de configuración del bastidor mediante un equipo cartesiano. Así, se mejora la productividad y usabilidad de las máquinas de bordado, minimizando las demoras entre cada ciclo de trabajo. Adicionalmente, el dispositivo de configuración cartesiana minimiza las condiciones de trabajo inseguras en operación. La propuesta de diseño está basado en los resultados del desarrollo de un estudio de métodos, el cual permite mejorar los procesos productivos y en consecuencia las labores de diseño. Se describe el desarrollo de la ingeniería básica a partir de los resultados de dicho estudio, y su importancia para optimizar las labores de la metodología de diseño lineal. Palabras Clave: Dibujo asisto por computadora (CAD), Métodos, Layout, Iteración, Matriz. A B S T R A C T This project describes the design of a mechatronic device for the lining and delimitation of frame geometries of computerized embroidery machines. The proposal allows to improve the times of obtaining products, by reducing the period of configuration of the frame using Cartesian equipment. Thus, the productivity and usability of the embroidery machines is improved, minimizing the delays between each work cycle. In addition, the Cartesian configuration device minimizes unsafe working conditions in operation. The design proposal is based on the results of the development of a method study, which allows improving production processes and consequently design work. The development of basic design engineering is described from the results of said study, and its importance for the optimization of laboratories of the linear design methodology. Keywords: Computer Aided Design (CAD), Methods, Layout, Iteration, Matrix.
1. Introducción El municipio de Teziutlán situado en la sierra nororiental del estado de Puebla, tiene como principal actividad económica el sector industrial textil, donde las labores de bordado juegan un papel fundamental en la personalización de prendas que permitan brindar identidad, incrementando el valor agregado. Para esta tarea, se cuenta con máquinas bordadoras computarizadas, que cumplen con su cometido al plasmar diseños bajo condiciones y parámetros establecidos mediante un código de programación. Sin embargo, es un proceso de alta demanda de atención para los operadores, ya que las máquinas al ser de cabezales
21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL múltiples requieren de sumo cuidado en las labores de preparación y puesta en marcha. Se tiene registro de deficiencias de producción, derivadas principalmente del tiempo de preparación de los bastidores; así como una incidencia de accidentes laborales originados por la falta de condiciones seguras en la operación. Por lo cual, se propone un método para hacer más eficiente las labores de preparación, mediante la automatización de las tareas del forrado del bastidor, que al mismo tiempo genere la delimitación de la geometría básica de la pieza a bordar. El proceso actual para alistar el bastidor comienza cuando el operador sujeta una capa de pellón en el marco sobre el cual se realizará el bordado, posteriormente, lo cubre con cinta adhesiva y realiza la marcación del espacio que ocuparán las piezas mediante punteo. Finalmente se coloca sobre el punteo cinta doble cara, que fungirá como soporte de las prendas bajo cada uno de los cabezales. El proceso de bordado inicia colocando las prendas a lo largo del bastidor sobre la cinta de sujeción de acuerdo con el número de cabezales. Posteriormente, se carga el código en la máquina, se ajusta el dispositivo y se realiza el bordado. Este trabajo se enfoca en mejorar el proceso de preparación, puesto que es el más demandante para los operadores. Se propone un dispositivo de tipo cartesiano que mediante un sistema de sujeción y movimiento solidario permita realizar el forrado de un bastidor portable, el cual pueda ser colocado sobre el bastidor original de las máquinas. Con base en la literatura consultada, existen diversos modelos de robots cartesianos que podrían emplearse para desarrollar esta labor, sin embargo, una solución de estas características no sería viable para los pequeños productores de la región, por los costos que implica su implementación. De ahí que, conociendo las necesidades específicas de la industria a nivel regional, se plantea un automatismo hecho a medida y que pueda ser escalable a otros formatos de bordadoras. La metodología se basa en el modelo lineal del diseño mecánico, a partir de la aplicación de un estudio de métodos, que sirva para discretizar las diferentes etapas del proceso y así determinar las posibles dimensiones, localización y movimientos dentro del proceso.
2. Estudio de métodos 2.1 Estudio de tiempos y movimientos Dentro de las labores de automatización, conocer el proceso de producción es fundamental, como también lo es su simplificación para obtener un resultado adecuado. La Automatización de Bajo Costo, o ABC, es un principio que se basa en la aplicación de tecnologías accesibles tanto por costo, como por disponibilidad; y que requiere además de un análisis cualitativo y cuantitativo de las diferentes operaciones para lograr identificar aquellas que se consideran críticas dentro de los procesos industriales [ 8 ]. Para ello, la primera fase del proceso de diseño fue plantear el estudio de tiempos y movimientos del personal que labora dentro de un taller típico de bordado en la región, como lo es Comercializadora Rosel y Bordados S. de R.L. Se analizaron los procesos productivos mediante el análisis del trabajo de dos operadores, quienes con base en su experiencia permitieron obtener un desempeño promedio y así, concebir resultados generalizados para cada actividad en cuestión. La bordadora del estudio es el modelo YIRET YRT 1509-I, que cuenta con catorce cabezales. Se trata de un equipo computarizado cuyo tiempo observado tras diez ciclos de trabajo se muestra en las imágenes 1 y 2. Imagen 1. Tiempos del primer operador Imagen 2. Tiempos del segundo operador Con base en la escala Westinghouse [7] se determina el tiempo estándar que el trabajador calificado medio puede mantener durante la jornada, el cual sirve de base para la planificación y el control de las operaciones. Se busca establecer la velocidad con que el operario ejecuta el trabajo en relación con su propia idea de velocidad normal englobando cuatro aspectos que son: A) Habilidad B) Esfuerzo C) Condiciones D) Consistencia
21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL 2.2 Layout El layout es el bosquejo de distribución de un diseño específico de la información de un proyecto, que se expone a sus directores antes, durante o a punto de dar por finalizado el trabajo [3]. Se desarrolló el layout del proyecto, para representar el espacio de trabajo y con base en esto, dimensionar eficientemente el dispositivo, con base en las características propias del taller [11]. La primera versión del layout se desarrolló en Sweet Home 3D aplicando un área de trabajo sobre un plano en 2D. Se obtuvo, además, una vista previa en 3D, que se muestra en la imagen 6. De acuerdo con lo observado en la figura 1 se tienen dos alternativas, que implican no modificar la posición de la bordadora. La primera otorga más espacio de colocación adaptándola en la entrada marcada en azul, mientras que la segunda con menor espacio podría establecerse al costado derecho de la cortadora laser, marcada con rojo. Con base en el estudio de recorridos del producto y la materia prima, se opta por la opción marcada en color azul. Imagen 6. Layout en 2D y 3D
3. Iteraciones de diseño La ingeniería básica de un proyecto de diseño consiste en describir de manera general las funcionalidades de un equipo. Para ello, se debe elegir entre aquellas opciones que puedan ser viables. En este estudio, se elaboraron tres distintas alternativas de diseño, con el propósito de poder comparar sus funciones y morfología de tal forma que se pueda tener un punto de comparación y elegir la que cumpla de mejor manera las especificaciones dictadas en los resultados anteriores [4]. 1. Primera iteración: La primera interación que se plantea localizada en la imagen 7, es una configuración con apoyo en cada uno de los extremos de los eslabones del mecanismo, su diseño se basa en una estructura rectangular construida mediante perfiles de aluminio sobre los cuales deslizan los ejes X, Y, Z. La principal característica de este diseño es que, por su forma de construcción, y a que la herramienta se mueve en los 3 ejes, su área de trabajo puede alcanzar valores grandes. Imagen 7. Primera iteración de diseño. El dispositivo, será capaz de ir colocando el pellón y consecutivamente la bolsa (o pieza según sea el caso) en el espacio de trabajo de cada cabeza de la máquina, trabajando con una válvula de vacío neumática y un tipo de mecanismo cuatro barras que será el encargado de girar a una deposito donde de colocan las bolas y el pellón. 2. Segunda iteración: La segunda iteración de diseño ubicada en la imagen 8, está compuesta por una mesa de trabajo y un bastidor en donde se apoya la herramienta, su diseño se basa en perfiles de aluminio para la estructura y una lámina de mayor peso para la mesa de apoyo en donde se desliza otra plataforma en los ejes (X, Y). Imagen 8. Segunda iteración de diseño. Cuando la maquina sujeta este bastidor es capaz de colocar las bolsas y el pellón en las distancias estandarizadas de la bordadora para cada cabezal, y al término de la operación sobrepone una capa que no permitirá que la bolsa se mueva, dejando de lado la cinta doble cara.
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3. Tercera iteración: La tercera y última iteración de diseño (imagen 9), pretende tener una cama por la cual se coloque el pellón para después mediante motores avance la cama esta opción es un sistema consta de una mesa que realiza el movimiento en los ejes X, Y teniendo un brazo que solo trabaja en el eje Z el que realiza el proceso de forrado del bastidor. Imagen 9. Tercera iteración de diseño. 4. Selección de diseño Para tomar una decisión adecuada se partió del despliegue de la función calidad o QFD (Quality Function Deployment) es un sistema usado en la ingeniería de la calidad para crear productos que se adapten a los gustos y necesidades del usuario. Con ayuda del diseño de una matriz de valoración válida y confiable para evaluar el desempeño de las tres iteraciones CAD [ 1 ]. Ahora bien, para dar inicio con los parámetros del QFD se hace necesario establecer las necesidades del usuario, por lo que se debe tomar en cuenta los resultados del estudio de métodos, así mismo establecer los parámetros sobre experiencias de operarios por medio de una aproximación en su contexto laboral, obtenido entonces la lista de los requerimientos, presentados en la imagen 10. Imagen 10: Tabla de requerimientos Requerimiento Porcentaje 1 - Dimensión 21. 2 - Facilidad de uso 8. 3 - Mejora de tiempo de producción
4 - Mantenimiento 13. 5 - Seguridad 13. 6 - Fabricación 17. 7 - Coste 13. En la imagen 11 se confrontan los requerimientos del cliente en una matriz cuadrada, en donde se ubican horizontal y verticalmente los requerimientos y se establece una relación entre cada uno de ellos, ubicando un valor de 1 si existe una relación y 0 si no, al final se suma y se otorgan porcentajes para así obtener la relevancia de cada uno de los requerimientos. Imagen 11: Matriz de ponderación de los requerimientos Matriz de ponderación de requerimientos del cliente 1 2 3 4 5 6 7 Total Porcentaje 1 - 1 0 1 1 1 1 5 21. 2 1 - 0 0 1 0 0 2 8. 3 1 1 - 1 0 0 0 3 13. 4 0 0 1 - 1 1 0 3 13. 5 1 1 0 1 - 0 0 3 13. 6 1 0 0 1 1 - 1 4 17. 7 1 0 0 1 0 1 - 3 13. Total 23 100 Con las iteraciones definidas y los requerimientos establecidos, se realiza un contraste entre ellas aplicando una matriz de decisión mostrada en la imagen 12, los criterios de selección se establecieron mediante una reunión entre los participantes del proyecto, el asesor interno y los directivos de la empresa. Imagen 12: Matriz de decisión de diseño
21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL Como parte de la descripción de la parte eléctrica del sistema, se hace mención que este prototipo consta de tres motores a pasos para cada eje, como se aprecia en la imagen 14 , generando accionamientos directos mediante engranes e indirectos mediante bandas dentadas. Se utilizan motores a pasos por el nivel de exactitud en los movimientos, siendo esta la principal razón por lo que son los más utilizados en sistemas cartesianos de precisión. Se utilizan fines de carrera para limitar el movimiento lineal, así como sensores ultrasónicos en secciones de la máquina donde el operario interactuara, cuya función específica, será la de generar interrupciones del ciclo de trabajo para que esta no perjudique la integridad del operarador. Imagen 15. Partes eléctricas del sistema. El dispositivo tiene la característica de ser escalable para ser aplicado en bordadoras de otros tipos en diferentes industrias, al tener una configuración cartesiana tiene la ventaja de poder realizar las tareas repetitivas de manera rápida al trabajar mediante coordenadas en los tres ejes mencionados previamente. Ahora bien, el dispositivo contará con una interfaz hombre maquina en la que se realizará la interacción de la preparación de la máquina así mismo la selección de la operación, la talla de preparación, entre otros parámetros. Como complemento de la interfaz de usuario se añade un pequeño tablero con botones físicos en los que se encontraran botones de inicio, paro y paro de emergencia.
6. Conclusión El estudio de métodos permite canalizar el desarrollo de la ingeniería básica de forma adecuada, dando paso a la selección de un diseño en donde se elige la alternativa que mejor se adapta a los requerimientos del cliente. Haciendo que las labores de diseño sean más eficientes. Con base en el estudio, se logra dimensionar adecuadamente el dispositivo, modelándolo en 3D por medio de software especializado, como es SolidWorks. Que permitió establecer las geometrías sobre las cuales se desarrollarán los cálculos estructurales de los componentes críticos como son: las vigas principales y perfiles de los carros. El desarrollo CAD en SolidWorks entrega como resultado la validación del prototipo sin la necesidad de tenerlo de manera física, puesto que brinda la posibilidad de integrar el diseño de los modelos mecánicos del proyecto permitiendo anticipar las posibles interferencias o errores de montaje, generando un menor número de prototipos gracias a la posibilidad de configurar y probar el sistema simulando en un entorno real antes de fabricarlo. De esta forma se evitan errores costosos y ahorro de tiempo en la etapa de detalle. De ahí que el desarrollo de este concepto de diseño permite generar la tarea de preparación de bordado en la maquina Yiret YRT 1509-I, no obstante, el concepto de preparación planteado se ajusta a una gran variedad de máquinas basadas en la misma forma del bastidor y de costura como son modelos de los fabricantes Brother o Tajima. Agradecimientos A la empresa “Comercializadora Rosel y Bordados S. de R.L.” por la confianza y disposición en el desarrollo del proyecto y al Instituto Tecnológico Superior de Teziutlán, por las facilidades otorgadas durante este periodo. REFERENCIAS [1] J. L. D. Peirotén, «quality function deployment (Q.F.D.) ». [2]J. Storch de Gracia and M. Storch de Gracia, Organizació n, gestió n y ejecuci ón de proyectos industriales. Madrid: Ediciones Dí az de Santos, 2019. [3]"Software de diseño CAD | Diseño asistido por computadora...". [Online]. Available: https://www.autodesk.mx/solutions/cad-design. [Accessed: 2020]. [4]"CAD / Diseño asistido por ordenador". [Online]. Available: https://www.plm.automation.siemens.com/global/es/our- story/glossary/computer-aided-design-cad/12507. [Accessed: 2020]. [5]P. Escorsa Castells and J. Valls Pasola, Tecnologí a e innovaci ón en la empresa. Madrid: Universitat Politè cnica de Catalunya, 2003. Motor eje Z Motor eje Y Motor eje X Sensores de Mesa de seguridad trabajo
21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL [6]R. Martínez, "Criterios para Seleccionar Sistemas de Diseño y Manufactura Asistidos por Computadora (CAD/CAM)", Información tecnológica, vol. 15, no. 2,
- Available: 10.4067/s0718-7642004000200016. [7] Westinghouse Electric railway transportation. Chicago: Central Electric Railfans' Association, 1979. [8] B. W. Niebel y F. Andris, Ingenieria industrial "Metodos, estandares y diseño del trabajo", Mc Graw Hill. [9] G. Eliot, The mill on the Floss. Toronto: G.N. Morang,
[10] R. Schroeder, Administración de operaciones, McGraw-Hill. [11] G. Lobo, Diseño de una redistribución de planta en una empresa de Mechas, 1998.
