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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria en
Ingeniería y Tecnologías Avanzadas
UPIITA
Trabajo Terminal
“Prototipo de una máquina automática para pesar y embolsar azúcar”
Que para obtener el título de
Ingeniero en Mecatrónica
Presentan:
Peña Montes Benjamín
Ruiz Orozco Sergio Jesús
Sánchez Martínez Juan Carlos
Asesores:
Campos Vázquez Alfonso
Escamilla Navarro Alejandro
Rodríguez Gómez Jesús Leopoldo
México, D. F., Junio de 2012
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria en
Ingeniería y Tecnologías Avanzadas
UPIITA
Trabajo Terminal
“Prototipo de una máquina automática para pesar y embolsar azúcar”
Que para obtener el título de
Ingeniero en Mecatrónica
Presentan:
Peña Montes Benjamín
Ruiz Orozco Sergio Jesús
Sánchez Martínez Juan Carlos
Asesor Asesor
__________________________ __________________________
M. en C. Campos Vázquez M. en C. Escamilla Navarro
Alfonso Alejandro
Asesor
______________________
Ing. Rodríguez Gómez
Jesús Leopoldo
Presidente del Jurado Profesor Titular
__________________________ __________________________
Ing. Alejandra Sofía M. en C. Cecilia
Herrera Ramírez Fernández Nava
III
Agradecimiento
Instituto Politécnico Nacional
Manifestamos nuestro agradecimiento al Instituto Politécnico Nacional (IPN), por permitirnos la
oportunidad de pertenecer a su lista de alumnos, y de esta manera llegar a la realización de nuestra
formación académica.
IV
ÍNDICE GENERAL
TÍTULO ............................................................................................................................. XV
RESUMEN ........................................................................................................................ XV
ABSTRACT ..................................................................................................................... XVI
OBJETIVO GENERAL. ................................................................................................ XVII
OBJETIVOS PARTICULARES. .................................................................................. XVII
PALABRAS CLAVE. ................................................................................................... XVIII
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ XVIII
PARTE I ................................................................................................................................. 1
“PANORAMA GENERAL”. ................................................................................................. 1
Capítulo 1............................................................................................................................ 2
ANTECEDENTES Y GENERALIDADES ....................................................................... 2
1.1 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................... 3
1.1.1 Megapack........................................................................................................... 3
1.1.2 Gusther............................................................................................................... 4
1.1.3 Sima ................................................................................................................... 5
1.2 MARCO DE REFERENCIA .................................................................................... 6
Capítulo 2............................................................................................................................ 7
DISEÑO Y SELECCIÓN DE SUBSISTEMAS................................................................. 7
2.1 DOSIFICACIÓN DE AZÚCAR ............................................................................... 8
2.1.1 Propiedades físicas del azúcar ........................................................................... 8
2.1.2 Medios granulares.............................................................................................. 8
2.1.3 Tipos de dosificadores de uso más común ........................................................ 9
2.1.4 Tipos de alimentadores .................................................................................... 12
2.1.5 Selección de diseño ......................................................................................... 14
2.1.6 Posibles configuraciones del dispositivo ......................................................... 14
2.1.7 Selección de diseño conceptual ....................................................................... 16
2.1.8 Virtualización de diseño seleccionado ............................................................ 18
2.1.9 Selección de componentes ............................................................................... 20
2.1.10 Selección de materiales ................................................................................. 22
V
2.2 MÓDULO PARA PESAR ...................................................................................... 25
2.2.1 Formas de pesar. .............................................................................................. 25
2.2.2 Materiales para los contenedores de pesado. ................................................... 27
2.2.3 Tipos de actuadores ......................................................................................... 28
2.2.4 Selección de diseño ......................................................................................... 29
2.2.5 Posibles configuraciones del sistema .............................................................. 30
2.2.6 Selección de diseño conceptual ....................................................................... 31
2.2.7 Virtualización del diseño conceptual ............................................................... 33
2.2.8 Selección de componentes ............................................................................... 34
2.3 SISTEMA DE EMBOLSADO................................................................................ 42
2.3.1 Tipos de embolsado ......................................................................................... 42
2.3.2 Tipos de plásticos para embolsado. ................................................................. 43
2.3.3 Tipos de embolsado automatizado .................................................................. 44
2.3.4 Selección de diseño ..................................................................................... 45
2.3.5 Posibles configuraciones del sistema .............................................................. 45
2.3.6 Selección de diseño conceptual ....................................................................... 47
2.4 SISTEMA DE SELLADO ...................................................................................... 50
2.4.1 Técnicas de sellado plástico ............................................................................ 50
2.4.3 Tipos de plásticos para embolsado. ................................................................. 53
2.4.4 Selección de diseño ..................................................................................... 54
2.4.5 Posibles configuraciones del sistema .............................................................. 54
2.4.6 Selección de diseño conceptual ....................................................................... 55
2.4.7 Virtualización del diseño conceptual ............................................................... 56
2.4.8 Actuador neumático ......................................................................................... 58
2.4.9 Control de temperatura .................................................................................... 62
2.5 ESTRUCTURA ....................................................................................................... 64
2.5.1 Selección de materiales para la estructura ....................................................... 64
Capítulo 3.......................................................................................................................... 67
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL ELECRONICO Y NEUMATICO .................. 67
3.1 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN NEUMÁTICA ................................................. 68
3.1.1 Aire comprimido.............................................................................................. 68
VI
3.1.2 Proceso de preparación de aire ........................................................................ 69
3.1.3 Alimentación de los dispositivos neumáticos .................................................. 69
3.1.4 Unidad de mantenimiento ................................................................................ 71
3.1.5 Válvula............................................................................................................. 72
3.2 SISTEMA DE CONTROL...................................................................................... 74
3.2.1 Lenguaje de escalera ........................................................................................ 75
3.2.2 Sistema de control propuesto ........................................................................... 77
3.2.3 Contactor ......................................................................................................... 78
3.2.4 PLC .................................................................................................................. 79
3.2.5 Simulación del sistema neumático .................................................................. 80
Capítulo 4.......................................................................................................................... 82
VALIDACIÓN DE SUBSISTEMAS ............................................................................... 82
4.1 VALIDACIÓN ........................................................................................................ 83
4.1.1 Dosificador ...................................................................................................... 84
4.1.2 Dosificadores para pesar .................................................................................. 87
4.1.3 Barra de alojamiento de bolsa ......................................................................... 90
4.1.4 Estructura ......................................................................................................... 91
PARTE II .............................................................................................................................. 96
“MANUFACTURA Y ARMADO DE LA MAQUINA” .................................................... 96
Capítulo 5.......................................................................................................................... 97
Estructura Mecánica.......................................................................................................... 97
5.1 Estructura base ........................................................................................................ 98
5.1.1 Herramienta utilizada ...................................................................................... 98
5.1.2 Componentes de Acero Inoxidable.................................................................. 99
5.1.3 Estructura de PTR .......................................................................................... 102
5.1.4 Acople de estructura base .............................................................................. 103
Capítulo 6........................................................................................................................ 105
Control electrónico y neumático ..................................................................................... 105
6.1 Control electrónico ................................................................................................ 106
6.1.1 Sensores para pesado ..................................................................................... 106
6.1.2 Control del subsistema de embolsado ........................................................... 108
VII
6.2 Control Neumático ................................................................................................ 113
6.2.1 Componentes del control neumático ............................................................. 113
6.2.2 Subsistema de sellado y corte ........................................................................ 114
Conclusiones. .............................................................................................................. 115
ANEXOS ........................................................................................................................ 116
COSTOS......................................................................................................................... B
Costo estimado .......................................................................................................... B
ACERCA DEL DISEÑO ............................................................................................... C
LLUVIA DE IDEAS ....................................................................................................... E
ANÁLISIS MORFOLÓGICO ........................................................................................ E
PROCEDIMIENTO: .................................................................................................. E
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE DOSIFICACIÓN. ... F
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE PESADO. .............. G
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE EMBOLSADO. ..... H
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE DOSIFICACIÓN ......... I
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE PESADO ......................J
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE EMBOLSADO .......... K
VIRTUALIZACIÓN DE DISEÑOS CONCEPTUALES............................................... L
SELECCIÓN DEL DISEÑO CONCEPTUAL ............................................................... L
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE DOSIFICADO. ................................................ L
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE PESADO. ........................................................ O
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE EMBOLSADO ................................................ R
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE SELLADO ...................................................... U
VIII
Índice de Figuras
Figura 1. Embolsadora V-9................................................................................................................ 4
Figura 2. Embolsadora TA1 ............................................................................................................... 4
Figura 3. Embolsadora ALM-250-V .................................................................................................. 5
Figura 4. Dosificador volumétrico. .................................................................................................... 9
Figura 5 Dosificador con tornillo sin fin. ........................................................................................ 10
Figura 6. Dosificador con pistón. .................................................................................................... 10
Figura 7. Dosificador por gravedad. ............................................................................................... 11
Figura 8. Dosificador con canales vibratorios................................................................................. 11
Figura 9. Alimentador por banda .................................................................................................... 12
Figura 10. Alimentador de tornillo .................................................................................................. 12
Figura 11. Alimentador vibratorio ................................................................................................... 13
Figura 12. Alimentador de estrella .................................................................................................. 13
Figura 13. Diseño conceptual del dispositivo de dosificación ......................................................... 18
Figura 14. Sistema americano del diseño conceptual de la tova de dosificación ............................. 19
Figura 15. Sistema americano del diseño conceptual de las rampas de dosificación ...................... 19
Figura 16. Motor de CC marca Crouzet 82 850 0 ........................................................................... 22
Figura 17. Acero inoxidable 304 AISI .............................................................................................. 24
Figura 18. Báscula Mecánica .......................................................................................................... 25
Figura 19. Báscula electrónica ........................................................................................................ 26
Figura 20. Acero inoxidable 304. ..................................................................................................... 27
Figura 21. Nylamid grado alimenticio. ............................................................................................ 27
Figura 22. Diseño conceptual del dispositivo de pesado ................................................................. 33
Figura 23. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de pesado.............................. 33
Figura 24. Celda de Carga tipo TDA: 1042 BRAUNKER ............................................................... 36
Figura 25. DSNU-8-100-P-A ........................................................................................................... 39
Figura 26. Forma de montaje. ......................................................................................................... 40
Figura 27. Máquina para embolsado horizontal. ............................................................................. 44
Figura 28. Máquina para embolsado vertical. ................................................................................. 45
Figura 29. Diseño conceptual del dispositivo de embolsado............................................................ 48
Figura 30. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de embolsado ........................ 48
Figura 31. Diseño conceptual del abastecedor ................................................................................ 49
Figura 32. Sistema americano del diseño conceptual del abastecedor ............................................ 49
IX
Figura 33.Sellado de polipropileno con prensa. .............................................................................. 50
Figura 34. Sellador térmico ............................................................................................................. 51
Figura 35.Sellador ultrasónico. ....................................................................................................... 52
Figura 37. Ejemplo del plástico polietileno. .................................................................................... 53
Figura 38. Ejemplo del plástico polipropileno postal. ..................................................................... 53
Figura 39. Ejemplo del plástico polipropileno biorientado. ............................................................ 53
Figura 40. Diseño conceptual del dispositivo de sellado ................................................................. 56
Figura 41. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de sellado horizontal ............ 57
Figura 42. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de sellado vertical ................ 58
Figura 43. DSNU-12-125-P-A ......................................................................................................... 58
Figura 44. DGP-40-400-PPV-A-B ................................................................................................... 61
Figura 45. Controlador de Temperatura Inteligente TET-612 ......................................................... 64
Figura 46. PTR ................................................................................................................................ 64
Figura 47. Perfil de aluminio ........................................................................................................... 65
Figura 48. Acero inoxidable 304 AISI .............................................................................................. 66
Figura 49. Unidad de Mantenimiento. ............................................................................................. 70
Figura 50 Unidad de Mantenimiento. .............................................................................................. 71
Figura 51. DSNU-8-100-P-A ........................................................................................................... 73
Figura 52. Diagrama de Flujo. ........................................................................................................ 74
Figura 53.Ejemplo de programación en lenguaje de escalera. ........................................................ 76
Figura 54.Sistema de control propuesto para el PLC. ..................................................................... 77
Figura 55. Diagrama a detalle de un relevador. .............................................................................. 78
Figura 56. Contactor seleccionado. ................................................................................................. 78
Figura 57. PLC Allen Bradley Micrologics 1000 ............................................................................. 79
Figura 58. Conexión neumática. ...................................................................................................... 80
Figura 59. División de la mecánica. ................................................................................................ 83
Figura 60. Análisis estático del dosificador ..................................................................................... 85
Figura 61. Representación de resultado. ......................................................................................... 86
Figura 62. Deformaciones en el acero inoxidable. .......................................................................... 86
Figura 63. Representación de resultados. ........................................................................................ 87
Figura 64. Análisis estático del dosificador para pesar. .................................................................. 88
Figura 65. Representación de resultados. ........................................................................................ 88
Figura 66. Deformaciones en el acero inoxidable. .......................................................................... 89
Figura 67. Representación de resultados. ........................................................................................ 89
X
Figura 68. Análisis estático de la barra de bolsa. ............................................................................ 90
Figura 69. Representación de resultados. ........................................................................................ 90
Figura 70. Deformaciones en el acero inoxidable. .......................................................................... 91
Figura 71. Representación de resultados. ........................................................................................ 91
Figura 72. Reacciones en el abastecedor de bolsa. .......................................................................... 92
Figura 73. Soporte de la barra para bolsa (A) ................................................................................. 92
Figura 74. Representación de resultados. ........................................................................................ 93
Figura 75. Soporte de la barra para bolsa (B) ................................................................................. 93
Figura 76. Representación de resultados. ........................................................................................ 93
Figura 77. Soporte de la barra para bolsa (A) ................................................................................. 94
Figura 78. Representación de resultados. ........................................................................................ 94
Figura 79. Deformaciones en el acero inoxidable. .......................................................................... 95
Figura 80. Representación de resultados. ........................................................................................ 95
Figura 81. Planta para soldar y guates de seguridad ...................................................................... 98
Figura 82. Cortadora, casco para soldar y lentes de seguridad ...................................................... 98
Figura 83. Calibración de la cortadora para ángulos rectos ........................................................... 99
Figura 84. Corte de PTR. ................................................................................................................. 99
Figura 85. Tolva de dosificación, vista lateral. ................................................................................ 99
Figura 86. Tolva de dosificación, vista inferior ............................................................................. 100
Figura 87. Tolva de dosificación, vista superior ............................................................................ 100
Figura 88. Rampas vibratorias. ..................................................................................................... 100
Figura 89. Tolva principal, vista lateral ........................................................................................ 101
Figura 90. Tolva principal, vista superior ..................................................................................... 101
Figura 91. Tolva principal, vista inferior ....................................................................................... 101
Figura 92. Dispositivos de pesado. ................................................................................................ 101
Figura 93. PTR utilizado ................................................................................................................ 102
Figura 94. PTR cortado ................................................................................................................. 102
Figura 95. Soldado de PTR ............................................................................................................ 102
Figura 96. Estructura básica de PTR ............................................................................................. 102
Figura 97. Prueba de ajuste de la estructura. ................................................................................ 103
Figura 98. Estructura de soportes de las rampas vibratorias. ....................................................... 103
Figura 99. Rampas vibratorias unidas a la estructura de los soportes. ......................................... 103
Figura 100. Rampas vibratorias añadidas a la estructura base ..................................................... 104
Figura 101. Tolva principal añadida a la estructura general. ....................................................... 104
XI
Figura 102. Contenedores de pesado unidos a la estructura base ................................................. 106
Figura 103. Celdas de carga unidas a la estructura ...................................................................... 106
Figura 104. Controlador de temperatura tipo PID y cable utilizado. ............................................ 106
Figura 105. PLC Micrologics utilizado.......................................................................................... 107
Figura 106. Guías para el deslizamiento de selladores térmicos horizontales............................... 107
Figura 107. Piezas complementarias maquinadas. ........................................................................ 107
Figura 108. Polipropileno Biorientado. ......................................................................................... 108
Figura 109 Motores para el mecanismo de sellado ....................................................................... 108
Figura 110. Tornillo sin fin ............................................................................................................ 108
Figura 111. Bases de nylamid para soporte de ejes. ...................................................................... 111
Figura 112. Control electrónico..................................................................................................... 111
Figura 113. Fuente de alimentación. ............................................................................................. 111
Figura 114 Estructura de soporte para sección de sellado y corte. .............................................. 112
Figura 115. Diagrama de conexión para elementos térmicos. ....................................................... 112
Figura 116. Control electrónico..................................................................................................... 112
Figura 117. Pistones, soportes de sensores y soportes de pistones. ............................................... 113
Figura 118. Unidad de mantenimiento neumático. ........................................................................ 113
Figura 119. Tornillería, bujes y baleros. ....................................................................................... 113
Figura 120. Apertura y cierre de sistema de sellado térmico. ........................................................ 114
Figura 121. Caja de engranes. ....................................................................................................... 114
Figura 122. Funcionamiento de los cilindros neumáticos en el dispositivo de sellado. ................. 114
Figura 1-A. Esquema del diseño secuencial y del diseño concurrente. ............................................. C
XII
Índice de Tablas
Tabla 1 Análisis morfológico. .......................................................................................................... 14
Tabla 2. Características del diseño conceptual 1 ............................................................................. 15
Tabla 3. Características del diseño conceptual 2 ............................................................................. 15
Tabla 4. Características del diseño conceptual 3 ............................................................................. 16
Tabla 5. Ponderaciones para criterios de selección......................................................................... 16
Tabla 6. Criterios de selección ......................................................................................................... 17
Tabla 7. Tabla de pertenencia de los criterios de selección ............................................................. 17
Tabla 8. Ponderación de los diseños conceptuales .......................................................................... 18
Tabla 7. Características de los motores. .......................................................................................... 20
Tabla 8. Ponderaciones.................................................................................................................... 21
Tabla 9. Criterios de selección. ........................................................................................................ 21
Tabla 10. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 21
Tabla 11. Selección del proveedor. .................................................................................................. 21
Tabla 12. Características del dosificador. ....................................................................................... 22
Tabla 13. Ponderaciones. ................................................................................................................. 23
Tabla 14. Criterios de selección. ...................................................................................................... 23
Tabla 15. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 23
Tabla 16. Selección del proveedor. .................................................................................................. 24
Tabla 17. Sensores para pesar. ........................................................................................................ 26
Tabla 18. Análisis morfológico ........................................................................................................ 29
Tabla 19. Características del diseño conceptual 1 ........................................................................... 30
Tabla 20. Características del diseño conceptual 2 ........................................................................... 30
Tabla 21. Características del diseño conceptual 3 ........................................................................... 31
Tabla 22. Ponderaciones para criterios de selección....................................................................... 31
Tabla 23. Criterios de selección ....................................................................................................... 31
Tabla 24. Tabla de pertenencia de los criterios de selección ........................................................... 32
Tabla 25. Ponderación de los diseños conceptuales ........................................................................ 32
Tabla 26. Características de la celda de carga. ............................................................................... 34
Tabla 27. Proveedores de cilindros neumáticos. .............................................................................. 34
Tabla 28. Ponderaciones. ................................................................................................................. 35
Tabla 29. Criterios de selección. ...................................................................................................... 35
XIII
Tabla 30. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 35
Tabla 31. Selección del proveedor. .................................................................................................. 35
Tabla 32. Datos técnicos TDA: 1024 ............................................................................................... 36
Tabla 33. Características del cilindro neumático. ........................................................................... 37
Tabla 34. Proveedores de cilindros neumáticos. .............................................................................. 38
Tabla 35. Ponderaciones. ................................................................................................................. 38
Tabla 36. Criterios de selección. ...................................................................................................... 38
Tabla 37. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 38
Tabla 38. Selección del proveedor. .................................................................................................. 39
Tabla 39. Características del cilindro neumático seleccionado. ...................................................... 39
Tabla 40. Análisis morfológico ........................................................................................................ 45
Tabla 41. Características del diseño conceptual 1 ........................................................................... 46
Tabla 42. Características del diseño conceptual 2 ........................................................................... 46
Tabla 43. Características del diseño conceptual 3 ........................................................................... 46
Tabla 44. Características del diseño conceptual 4 ........................................................................... 46
Tabla 45. Ponderaciones para criterios de selección....................................................................... 47
Tabla 46 Criterios de selección ........................................................................................................ 47
Tabla 47. Tabla de pertenencia de los criterios de selección ........................................................... 47
Tabla 48. Ponderación de los diseños conceptuales ........................................................................ 47
Tabla 49. Análisis morfológico ........................................................................................................ 54
Tabla 50. Características del diseño conceptual 1 ........................................................................... 54
Tabla 51. Características del diseño conceptual 2 ........................................................................... 54
Tabla 52. Características del diseño conceptual 3 ........................................................................... 55
Tabla 53. Ponderaciones para criterios de selección....................................................................... 55
Tabla 54. Criterios de selección ....................................................................................................... 55
Tabla 55. Tabla de pertenencia de los criterios de selección ........................................................... 55
Tabla 56. Ponderación de los diseños conceptuales ........................................................................ 56
Tabla 57. Características del cilindro neumático seleccionado. ...................................................... 59
Tabla 58. Características del actuador lineal seleccionado............................................................. 61
Tabla 59 Características de Controladores de Temperatura ........................................................... 62
Tabla 60. Ponderaciones para criterios de selección....................................................................... 63
Tabla 61. Criterios de selección ....................................................................................................... 63
Tabla 62. Tabla de pertenencia de los criterios de selección ........................................................... 63
Tabla 63. Ponderación de los diseños conceptuales ........................................................................ 63
XIV
Tabla 64. Características del dosificador. ....................................................................................... 64
Tabla 65. Ponderaciones. ................................................................................................................. 65
Tabla 66. Criterios de selección. ...................................................................................................... 65
Tabla 67. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 65
Tabla 68. Selección del proveedor. .................................................................................................. 66
Tabla 69. Aplicaciones y Calidad del aire para aplicaciones neumáticas. ...................................... 68
Tabla 70. Datos técnicos de la unidad de mantenimiento Neumático .............................................. 71
Tabla 71. Características de las electroválvulas propuestas ........................................................... 72
Tabla 72. Ponderaciones. ................................................................................................................. 72
Tabla 73. Criterios de selección. ...................................................................................................... 72
Tabla 74. Pertenencia criterios de selección. ................................................................................... 73
Tabla 75. Selección de componente. ................................................................................................ 73
Tabla 76. Simbologia del diagrama de escalera. ............................................................................. 75
Tabla 77. Características del contactor elegido. .............................................................................. 78
Tabla 78. Caracterización de PLC ................................................................................................... 79
Tabla 79. Propiedades mecánicas .................................................................................................... 84
Tabla 80. Propiedades mecánicas PTR ............................................................................................ 92
Tabla 1-A Costos del proyecto. ......................................................................................................... B
XV
TÍTULO
“Prototipo de una máquina automática para pesar y embolsar
azúcar”
RESUMEN
La empresa “GRUPO COMERCIAL JUANES” dedicada en parte a la venta de productos
granulados al menudeo, contactó al equipo de trabajo y le propuso el patrocinio de una
máquina automática para pesar y embolsar azúcar debido a que actualmente compran
costales de este producto al mayoreo, lo pesan en pequeñas cantidades, lo embolsan y sellan
el paquete para la venta al menudeo y ese proceso lo realizan manualmente, es por eso que
les consume demasiado tiempo y trabajo.
La automatización de este proceso ya ha sido hecha y existen empresas tanto en México
como en el extranjero que realizan este tipo de máquinas, sin embargo, el precio comercial
de una máquina de este tipo es excesivamente alto, rebasando 10 veces lo que pudiese
costar en material y mano de obra.
Para la solución del problema se plantea diseñar y manufacturar la máquina que sea más
accesible para la empresa.
La máquina estará dividida en cuatro etapas, que son:
Dosificación del producto
Pesado
Empaquetado
Sellado de la bolsa
Se pretende realizar la máquina para la empresa y en un futuro poder comercializarla en las
empresas que siguen haciendo este proceso manualmente.
XVI
ABSTRACT
The company "GRUPO COMERCIAL JUANES" is also dedicated to the retail trade
granulated products. And this company contacted the team to suggest the sponsorship of
automatic weighing and bagging sugar machine, because actually they buy sugar bags in
bulk, later weigh small quantities of sugar to bag and sale the package for retail sale,
everyhing done manually, is why they consume too much time and effort.
Automating this process has been made already, and there are companies in Mexico and
abroad that perform this type of machine, however, the trading price of machines is
excessively expensive, exceeding 10 times what it might cost in material and workmanship.
As solution of the problem, is to design and manufacture an accessible machine for the
company.
The machine is divided into four stages:
Dosage product
Weighing product
Packaging product
Bag
The aim is make the machine to future business and sale it to companies that are doing this
process manually.
XVII
OBJETIVO GENERAL.
Desarrollar un prototipo de máquina para embolsar y pesar azúcar, a la empresa Juanes
utilizando para ello un modulo de abastecimiento de azúcar, seguido de un modulo de
pesado de azúcar, otro de embolsado, uno más de sellado plástico y finalmente un modulo
de control electroneumático, con un tablero como interfaz de usuario.
OBJETIVOS PARTICULARES.
Investigar las particularidades de cada uno de los procesos internos del prototipo
para el entendimiento de los problemas a resolver.
Comenzar con un análisis de los sistemas implicados en el prototipo a manufacturar.
Realizar la manufactura y armado del sistema diseñado
Realizar las pruebas de funcionamiento y resistencia estructural del sistema
mecatrónico.
XVIII
PALABRAS CLAVE.
Almacenamiento, embolsado, sellado plástico.
INTRODUCCIÓN
La MIPYME “GRUPO COMERCIAL JUANES” a cargo de su propietario el Sr. Juan
Sánchez Hernández, patrocinador de este proyecto, ve limitado el crecimiento de su
empresa por falta de maquinaria que le permita una mayor productividad, además de que
actualmente ha aumentado la demanda de sus productos. Por ello el Sr. Juan Sánchez
Hernández está interesado en la construcción de una máquina capaz de realizar el proceso
de pesar y embolsar de forma automática azúcar.
En la actualidad existen procesos industriales que abarcan diversas ramas de ingeniería, de
ahí parte la necesidad de implementar una disciplina que integre cada una de estas ramas de
una forma óptima, mediante esta integración surge lo que hoy conocemos como
Mecatrónica.
Generalmente la Mecatrónica se aplica a dos ejes fundamentales:
Existencia de factores de riesgo para el ser humano.
Aumento de la productividad.
Basándose el equipo de trabajo en el segundo eje fundamental se propuso diseñar y
manufacturar para poner en servicio una máquina que logre aumentar la productividad de
una micro empresa. Proponiéndose de esta forma un protocolo para el comienzo del
desarrollo del proyecto.
Primeramente se procedió a realizar una investigación sobre la forma de pesar diversos
productos granulares, como lo es en el caso del azúcar, los tipos de sensores que podemos
utilizar, los métodos utilizados con anterioridad y los que se practican en la actualidad.
Posteriormente se desarrolló una búsqueda de información relacionada a los métodos de
embolsado y los diversos materiales disponibles para embolsar, las características y
propiedades que poseen, así como los más adecuados a las necesidades del prototipo.
También acerca de los sistemas de almacenamiento disponibles y los diversos actuadores
que contendrá el mismo para su traslado a los siguientes subsistemas que se desarrollarán
dentro de la máquina. Las maneras existentes de sellado plástico, las técnicas utilizadas de
acuerdo al tipo de producto a embolsar y el material utilizado para el embolsado. Y como
se procederá a realizar el corte del mismo material plástico.
XIX
Una vez finalizada la investigación y búsqueda de información del prototipo de máquina
para pesar y embolsar, se prosiguió con el análisis y diseño de los primeros subsistemas a
tratar contenidos en el cronograma de actividades propuesto en el protocolo aceptado.
Los cuales son primeramente el subsistema de almacenado, en el que se plantean posibles
soluciones para el desarrollo de este proceso y se realiza una selección de acuerdo a las
características ofrecidas por cada una de las propuestas además de su respectiva simulación
y validación. Igualmente se realiza la selección y el diseño del subsistema de pesado para
su posterior simulación y validación. De la misma forma con los subsistemas de embolsado
y sellado..
Después de realizar los respectivos diseños de prototipo se procede con la manufactura y
armado del mismo, de acuerdo a los planos y diseños previamente realizados.
1
PARTE I
“PANORAMA GENERAL”.
2
Capítulo 1
ANTECEDENTES Y GENERALIDADES
3
1.1 ESTADO DEL ARTE
En realidad existen una gran cantidad de maquinarias capaces de realizar el proceso de
pesar y embolsar azúcar con diversas características que las hacen más adecuadas para
determinadas empresas o excedidas para la mayor parte de los pequeños empresarios.
En particular existen, en UPIITA, máquinas similares en ciertos aspectos, a la que se
realizó en este proyecto, puesto que empaquetan o embolsan diferentes productos. A
continuación se muestra los trabajos que tienen mayor similitud realizados en UPIITA:
Empaquetadora de paletas de hielo y congeladas
Máquina embolsadora de envases plásticos
Existen dos diferencias primordiales de estas máquinas con respecto a la que se presenta en
este trabajo que radican en:
1. El producto que se embolsa es azúcar.
2. Realizar el pesado del producto.
En la industria nacional existen máquinas con la capacidad de realizar la tarea que se
solucionará en este trabajo, sin embargo, los precios exceden la capacidad de pequeñas
empresas para poder adquirirlas. A continuación se presentan algunas de estas máquinas:
1.1.1 Megapack
Embolsadora V-9 Pesadora Automática. Esta máquina es de acción mecánica y neumática y
está diseñada para embolsar y pesar cualquier tipo de producto como: líquidos, semisólidos,
polvos impalpables, granulados en diferentes unidades como: piezas y gramos. 1
La embolsadora V-9 (Figura 1) con pesadora automática puede manejar: polietileno,
polipropileno, celofán, laminados y cualquier otro que sea termosellable. Los costos de
dicha embolsadora se presentan a continuación.
Costo de la máquina es de: $13,250.00 dólares.
Costo del sistema de básculas es de $15,416.00 dólares.
Costo total de la máquina es: 28,666 dólares.
1 http://www.megapack-mx.com/index.html
4
Esta empresa está ubicada en: Calzada Club Atlas 535, Club de Golf Atlas. Tlaquepaque,
Jalisco.
Figura 1. Embolsadora V-9
1.1.2 Gusther
Embolsadora Gusther Modelo TA1, diseñada para envasar granos y productos similares en
presentaciones de un peso de 25 a 200 gramos (Figura 2). 2
,
Figura 2. Embolsadora TA1
El costo de este modelo de embolsadora oscila entre $20,000 y $28,000 dólares.
Esta empresa se ubica en diferentes países de América latina.
En la industrial extranjera también existen empresas que se dedican a la manufactura de
máquinas que realizan la tarea de pesar y embolsar producto granulado, se presenta un
ejemplo de este tipo de empresas:
2 http://www.gustherpack.com/envasadogranulados.htm
5
1.1.3 Sima
ALM-250-V Embolsadora Volumétrica para Productos Granulados. Este modelo está
construido sobre una sólida estructura de acero al carbono y los puntos en contacto con el
producto son construidos en acero inoxidable. 3
Todos los accionamientos son realizados por la óptima combinación de sistemas mecánicos
y electrónicos excluyendo de este modo el uso de aire comprimido. Pensado para productos
secos de caída libre.
Figura 3. Embolsadora ALM-250-V
El costo de esta embolsadora se encuentra entre $22,000 y $27,000 dólares.
Esta empresa se localiza en calle Picuiba # 124 Zona. Germán Jordán La Paz – Bolivia4
3 http://simasrl.com/envasadoras-de-granos.html
4 thtp://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%20304.pdf
6
1.2 MARCO DE REFERENCIA
En México las micro, pequeñas y medianas empresas asociadas al nombre de PyMES
constituyen la columna vertebral de la economía Mexicana debido a su impactante
responsabilidad en la generación de empleos y producción de bienes y servicios en el país.
De acuerdo con datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía, en México existen
alrededor de 4 millones 15 mil unidades empresariales, de las cuales 99.8% son PyMES
responsables del 52% del Producto Interno Bruto (PIB) y 72% del empleo en el país.
De acuerdo al párrafo anterior observamos que las PyMES son muy importantes para el
desarrollo de nuestro país, sin embargo, en la actualidad la solvencia económicas de una
gran cantidad de ellas no es idónea para poder adquirir maquinaria que ayude a elevar la
producción de sus producto, este es un obstáculo que trae como consecuencia el
estancamiento de su desarrollo en el ámbito industrial.
Por la importancia de las PyMES, es primordial apoyar este sector para fomentar el
desarrollo económico y productivo del país. Una de las principales actividades realizadas
por las PyMES es la mercantil, refiriéndonos específicamente a compra, venta y
distribución de productos alimenticios y de materia prima, como lo son diversos productos
de tipo granulado, en este caso centrándonos específicamente en el azúcar.
Los productos de tipo granulado son distribuidos por un sector importante perteneciente a
las PyMES, es adquirido en grandes cantidades, para el amortiguamiento de su precio de
adquisición, posteriormente empaquetado y pesado, para finalmente distribuirlo al cliente
final. Este proceso es necesario para la efectiva distribución del producto de estas empresas,
pero a su vez implica tiempos perdidos, fatiga y consiste en una labor tediosa para el
trabajador de estas células económicas.
Esto es realizado ya por maquinaria industrial, pero es utilizado solo para grandes procesos,
con grandes volúmenes de producción, tiempos estrictamente cortos, sistemas complejos,
comúnmente de gran tamaño y ciertamente muy costoso e inaccesible para la mayor parte
de las PyMES.
Es por esto que se propone una solución al problema, con el diseño de un prototipo de
máquina de producción de menor complejidad, sin una gran velocidad de empaquetado,
pero un costo accesible además de una velocidad y exactitud aceptable para las necesidades
del empresario dueño de una PyME. El sistema propuesto es un prototipo de embolsadora
simple pero eficiente de acuerdo a los requerimientos de los pequeños productores y
especialmente distribuidores de productos específicamente granulados en México. La cual
podrá embolsar azúcar y pesarla para mantener la cantidad que será embolsada
automáticamente.
7
Capítulo 2
DISEÑO Y SELECCIÓN DE SUBSISTEMAS
8
2.1 DOSIFICACIÓN DE AZÚCAR
En este apartado se analiza lo referente al módulo de dosificación para el cual se hizo la
siguiente investigación.
Propiedades físicas del azúcar
Medios granulares
Ángulo de reposo
Tipos de dosificadores
Tipos de alimentadores
Con los temas antes mencionados podremos tener una idea general de las posibles
soluciones para el sistema de dosificado.
2.1.1 Propiedades físicas del azúcar
Estado de agregación: sólido
Apariencia: cristales blancos
Densidad: 1587 kg/m3, 1.587 g/cm
3
Punto de fusión: 459ºK (185.85°C) 5
Para estudiar la dinámica del azúcar es necesario conocer su densidad. También
necesitamos conocer el punto de fusión, para estar seguros de que el producto no se
derretirá en la máquina debido al calor generado por roces, pistones, etc.
2.1.2 Medios granulares
Un “medio granular” es un conjunto de partículas de similares características, cuya
dinámica está gobernada por las leyes de la mecánica clásica. Para que se manifiesten las
propiedades colectivas que les son propias del medio, es necesario tener un número elevado
de partículas.
La característica más notable de los medios granulares es que son fuertemente disipativos,
aunque el material del que estén constituidos sea elástico en muy buena aproximación. Ello
es debido a que el número de choques por unidad de tiempo puede tender a infinito, si los
medio granulares son densos (por lo tanto el tiempo entre colisiones tiende a cero).6
La materia granular, en ocasiones, puede parecerse en su comportamiento a un sólido, a un
líquido o a un gas. Sin embargo, el parecido nunca es exacto. Al igual que los líquidos, los
5 http://es.wikipedia.org/wiki/Sacarosa
6 Hernández Cruz Oscar, Lugay Alvarado Henry, Villalobos Maldonado Luis Alberto. ”Sistema automático dosificador
de granos”, Trabajo terminal, Instituto Politécnico Nacional, México D.F. 2006.
9
medios granulares adoptan la forma cuando no están encerrados. Del mismo modo, es
posible hacer fluir un medio granular por una tubería como si de un líquido se tratara, pero
la presión en un medio granular no puede explicarse recurriendo al concepto de la presión
hidrostática propia de los fluidos. El motivo es que los arcos que se forman entre las
partículas distribuyen parte de las fuerzas hacia las paredes del recipiente. Cuando la
concentración de granos es baja y éstos tienen elevada energía cinética, el medio granular
se puede asemejar a un gas. Pero existen grandes diferencias en la dinámica de ambos,
porque un gas granular es fuertemente disipativo. Debido a la definición el conjunto de
azúcar se considera un medio granular, es por eso que trabajaremos con el comportamiento
de los granos.
2.1.3 Tipos de dosificadores de uso más común
Los equipos de envasado, no manuales, utilizan distintos tipos de dosificadores
dependiendo del producto que se trabaje.7 La función del dosificador es fraccionar de forma
precisa y autónoma el producto a envasar.
Aquí se describirán los dosificadores de uso más común, pero puede existir, el uso
combinado de éstos o alguno diseñado específicamente para un requerimiento en particular.
Dosificador volumétrico.
Consiste de una tolva que acumula el producto a envasar y un número determinado de
vasos que contendrán la cantidad de producto que se ubicará en un envase. La tolva puede
ser alimentada por una persona o por un elevador que es manejado de forma automática por
la envasadora (Figura 4).
La cantidad de vasos depende directamente del producto a envasar y las dimensiones de la
bolsa que la máquina realizará.
Figura 4. Dosificador volumétrico.
7 http://www.vescovoweb.com/tiposDosificadores.html.
10
Este dosificador está diseñado para productos sólidos homogéneos tales como azúcar,
garbanzos, porotos, maíz, lentejas, confites, pan rallado, arroz, café en granos, sal, etc.
Dosificador con tornillo sin fin.
A igual que el dosificador volumétrico éste consiste de una tolva que también puede ser
alimentada de forma manual o automática. Dentro de la tolva se encuentra un tornillo sin
fin que es controlado por la envasadora (Figura 5). Dependiendo del tipo de producto a
dosificar y el peso del envase se ajusta la cantidad de vueltas que el tornillo girará.
Dependiendo la cantidad de envases o el ancho del mismo se puede requerir más de un
tornillo dentro de la tolva. Está diseñado para productos en polvo como pimienta, pimentón,
colorantes, orégano, etc.
Figura 5 Dosificador con tornillo sin fin.
Dosificador con pistón.
Se utiliza para productos líquidos y semilíquidos. Este consiste en uno o más recipientes
herméticos donde se ubica el líquido y mediante uno o más pistones el producto es
desalojado del recipiente y llevado hacia un pico que se ubica en el interior de la bolsa ya
confeccionada por la envasadora (Figura 6). Este dosificador es ideal para productos líquidos
densos o viscosos como shampoo, yogurth, grasa, tomate triturado, jaleas, dulce de
membrillo, etc. También se puede utilizar para líquidos como agua, jugos, vinos, etc.
Figura 6. Dosificador con pistón.
11
Dosificador por gravedad.
Consiste en un tanque donde se ubica el líquido que normalmente es alimentado por un
tanque principal y mediante un flotador que tiene en el interior, se habilita o deshabilita la
alimentación del mismo. En la parte inferior posee una llave de paso que es controlada por
la envasadora, la cual permite el paso del líquido en el momento preciso (Figura 7). Se utiliza
únicamente para productos líquidos como agua, jugos, salmuera, vinos, etc.
Figura 7. Dosificador por gravedad.
Dosificador con canales vibratorios.
Este dosificador se utiliza con productos de fácil caída, como pasta, caramelos, productos
deshidratados, partículas no homogéneas, etc. así como con otros productos que no pueden
ser dosificados con un dosificador convencional. El dosificador vibratorio está compuesto
por una tolva vibratoria de acero inoxidable y canales vibratorios grandes y chicos que va
dosificando el producto continuamente a una balanza, sincronizados automáticamente con
cada ciclo de máquina (Figura 8). La intensidad de la vibración se adecua a las características
de cada producto. La cantidad de conjuntos canales y balanzas depende del producto y la
producción buscada.
Figura 8. Dosificador con canales vibratorios.
12
2.1.4 Tipos de alimentadores
Son dispositivos que pueden ser utilizados en diferentes tipos de máquinas de llenado y
tolvas. Proveen la mejor solución para separar o transferir algún material a lo largo de la
linea de producción sin poner en riesgo al operador ni causarle fatiga innecesaria 8
Existen diferentes tipos de alimentadores, que son el siguente paso despues del doisficador
y son los que estarán regulando la proporción de material requerida y que posteriormente
caerá en el sistema de pesao.
Alimentador por banda.
Figura 9. Alimentador por banda
Alimentador de tornillo.
Figura 10. Alimentador de tornillo
8 Enrique Ortega-Rivas, “Manejo y procesamiento de polvos y granulados alimenticios”, Posgrado en ciencia y
tecnología de alimentos, universidad autónoma de Chihuahua, México, Chihuahua 2006.
13
Alimentador vibratorio.
Figura 11. Alimentador vibratorio
Alimentador de estrella.
Figura 12. Alimentador de estrella
14
2.1.5 Selección de diseño
Para realizar la selección del diseño más adecuado se comienza con un análisis morfológico
para el cual es necesario definir cuáles son las características (Tabla 1) de diseño que se
tomaran en cuenta para cada uno de los elementos y materiales así como la forma que
tendrá el módulo para pesar, estas características se explican más a detalle en los anexos.
Tabla 1 Análisis morfológico.
Características
Tipo de
dosificadorVolumétrico
A tornillo
sin fin
Por
gravedad
Por medio de
balanza
multicabezal
Con canales
vibratorios
Forma del
dosificadorCuadrada Cilíndrica
Triangular/c
uadrada
Tipo de
alimentadorDe banda De tornillo Vibratorio De estrella
Sujeción de
actuadoresTornillos Sinchos
Bases
manufactur
adas
MaterialesAcero
inoxidable
Nylamid
grado
alimenticio
Actuadores BandasTornillo sin
finVibradores
motores
electricos
Motores
neumáticos
Alimentación CA CC
Posibles soluciones
2.1.6 Posibles configuraciones del dispositivo
Después se prosigue a realizar los diferentes diseños conceptuales conforme a la elección
de las características y la posible solución de acuerdo la tabla 1, para poder visualizar de
forma clara las posibles configuraciones del dispositivo.
15
Diseño conceptual 1.
Tabla 2. Características del diseño conceptual 1
Características Solución
Tipo de
dosificadorCanales v ibratorios
Forma del
dosificadorCuadrada
Tipo de
alimentadorVibratorio
Sujeción de
actuadoresBases manufacturadas
Materiales Acero inoxidable
Actuadores Vibradores
Alimentación CC
Diseño conceptual 2
Tabla 3. Características del diseño conceptual 2
Características Solución
Tipo de dosificador Tornillo sin fin
Forma del
dosificadorCilíndrica
Tipo de alimentador De banda
Sujeción de
actuadoresSinchos
Materiales Nylamid
Actuadores Bandas
Alimentación CC
16
Diseño conceptual 3
Tabla 4. Características del diseño conceptual 3
Características Solución
Tipo de
dosificadorMulticabezal
Forma del
dosificadorCuadrada
Tipo de
alimentadorTornillos
Sujeción de
actuadores
Bases
manufacturadas
Materiales Acero inoxidable
Actuadores Tornillo sin fin
Alimentación CC
2.1.7 Selección de diseño conceptual
Se procede a mostrar las ponderaciones para los criterios de selección.
Tabla 5. Ponderaciones para criterios de selección
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del diseño conceptual es necesario conocer criterios de selección,
los cuales son características que harán que el diseño conceptual realice su tarea en tiempo
y forma. (La descripción de estas características se muestran en el apéndice A)
17
Criterios de selección
Tabla 6. Criterios de selección
A. Costo de materiales
B. Costo de manufactura
C. Cantidad de piezas a ensamblar
D. Tiempo de manufactura
E. Estética
F. Consumo energítico
G. Acoplamiento
Se realiza la tabla de pertenencia de cada uno de los criterios de selección (Tabla 7).
Tabla 7. Tabla de pertenencia de los criterios de selección
Criterios de selección A B C D E F G Total Pertenencia
A. Costo de materiales 1 0 0 1 1 1 4 0.1905
B. Costo de
manufactura0 1 0 1 1 1 4 0.1905
C. Cantidad de piezas
a ensamblar1 0 1 0 1 1 4 0.1905
D. Tiempo de
manufactura1 1 0 0 1 0 3 0.1429
E. Estética 0 0 1 1 1 0 3 0.1429
F. Consumo energético 0 0 0 0 0 0 0 0.0000
G. Acoplamiento 0 0 0 1 1 1 3 0.1429
21 1Total
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, se continúa realizando la
ponderación de los diseños conceptuales con respecto a los porcentajes dados (Tabla 8).
18
Tabla 8. Ponderación de los diseños conceptuales
Criterios de selección DC1 DC2 DC3 Pertenecia
0.85 0.65 0.45
0.1619 0.1238 0.0857
0.85 0.65 0.45
0.1619 0.1238 0.0857
0.85 0.45 0.45
0.1619 0.0857 0.0857
0.65 0.45 0.45
0.0929 0.0643 0.0643
0.65 0.65 0.85
0.0929 0.0929 0.1214
0.65 0.65 0.65
0.0000 0.0000 0.0000
0.85 0.65 0.45
0.1214 0.0929 0.0643
79.286% 58.333% 50.714%
G. Acoplamiento
0.1905
0.1905
0.1905
0.1429
0.1429
0.0000
0.1429
A. Costo de
materialesB. Costo de
manufacturaC. Cantidad de piezas
a ensamblarD. Tiempo de
manufactura
E. Estética
F. Consumo
energético
Diseño conceptual 1 79.286%
Finalmente se observa que el diseño conceptual 1 es el que cumple los requerimientos y
características para desempeñar de forma óptima la tarea de dosificación.
2.1.8 Virtualización de diseño seleccionado
Diseño conceptual seleccionado.
Figura 13. Diseño conceptual del dispositivo de dosificación
19
Se presenta las vistas en sistema americano del diseño conceptual seleccionado. (Figura 14)
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 14. Sistema americano del diseño conceptual de la tova de dosificación
Rampas de dosificación.
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 15. Sistema americano del diseño conceptual de las rampas de dosificación
20
2.1.9 Selección de componentes
Se realiza la selección del componente funcional que conforma el módulo de dosificación,
esta es efectuada a partir de las características requeridas por las especificaciones.
La selección es justificada mediante métodos de selección como lo son diagramas de rutas
y tablas de decisión, conjuntamente con los requerimientos de los elementos que son
utilizados en este módulo.
En la selección de componentes del módulo de dosificación sólo existe un componente
funcional:
Motores vibratorios
El propósito del componente es realizar un movimiento oscilante de manera constante en
las rampas de dosificación para poder transportar el azúcar. La selección del motor se
realiza a partir de la potencia útil deseada en la salida del motor.
La potencia útil del motor debe ser superior o igual a la potencia útil necesaria. Esta
selección se realiza comprobando que el punto de funcionamiento (par y velocidad de
salida del motor) esté por debajo de la curva de par/velocidad nominal del motor. El par
deseado en la salida del reductor debe ser compatible con el par máximo recomendado para
el funcionamiento continuo. En este caso comparamos 2 motores de marca Crouzet los
cuales tienen las características más parecidas a las deseadas para el dispositivo.
Los motores Crouzet a corriente continua están concebidos y realizados para ser integrados
en aparatos o máquinas que respondan, por ejemplo, a las prescripciones de la norma
máquina:
EN 60335-1 (CEI 335-1, «Seguridad de los aparatos electrodomésticos»). La integración de
los motores Crouzet a corriente continua en aparatos o máquinas, en general, deberá tener
en cuenta las características de seguridad contenidas en la norma.9 Las características
nominales de los motores verificados son los siguientes (Tabla 7):
Tabla 7. Características de los motores.
Potencia
Útil (W)
Par Nominal
(Nm)
Velocidad
Nominal
(rpm)
Tensión de
Alimentación
(V)
Dimensiones
del Motor
(mm)
Matricula del
Motor
32.5 100 3100 12 42 82 850 0
95 270 3360 48 63 82 890 0
9 www.crouzet.com/olc
21
Se aprecian las ponderaciones para los criterios de selección. (Tabla 8)
Tabla 8. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del material es necesario conocer criterios de selección, los cuales
son características indispensables para el uso del material.
Criterios de selección
Tabla 9. Criterios de selección.
Norma
Costo
Eficiencia
Facilidad de acople
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección. (Tabla 10)
Tabla 10. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C Total Pertenencia
A.Costo 0 1 1 0.2500
B.Eficiencia 1 1 2 0.5000
C.Facilidad de acople 0 1 1 0.2500
Total 4 1
Tabla 11. Selección del proveedor.
Criterios de selección Acero Inox. Nylamid M Pertenecia
Norma 0,85 0,65 0,5
0,4250 0,3250
Costo 0,65 0,35 0,25
0,1625 0,0875
Eficiencia 0,65 0,35 0,5
0,3250 0,1750
Facilidad de acople 0,35 0,65 0,25
0,0875 0,1625
Total 0,9125 0,5875
22
Finalmente se observa que motor (Figura 16) idóneo y que cumple las características es el
siguiente:
Motor Crouzet 828500
Figura 16. Motor de CC marca Crouzet 82 850 0
Con lo anterior se finaliza el diseño a detalle del módulo de dosificación.
2.1.10 Selección de materiales
A continuación se realiza la selección del material que se utilizará para los dosificadores
(Tabla 12).
Tabla 12. Características del dosificador.
Función Contener azúcar
Restricciones Material de grado alimenticio.
Sufrir deformaciones mínimas.
Objetivo Evitar la contaminación del azúcar.
Variables libres Material
Para poder realizar la selección del material es necesario conocer algunos que cumplan
NORMAS o ESTANDARES, en los cuales se indique que pueden entrar en contacto
directo con alimentos de consumo humano.
Los materiales más conocidos para el manejo de alimentos son:
1. Acero inoxidable
2. Nylamid M
El acero inoxidable a norma internacional NSF/ANSI 51 establece que el acero inoxidable
usado debe ser de los tipos AISI 200, 300 ó 400, incluyendo aleaciones de estas series o sus
anteriores.
De acuerdo a esta norma, el Acero Inoxidable que debe utilizarse en las zonas que entran en
contacto directo o accidental con los alimentos, debe tener un contenido mínimo de cromo
del 16%, lo que constituye el GRADO ALIMENTICIO.
23
El cromo en la aleación evita la descomposición química del acero con las variaciones de
temperatura, ya que esta descomposición podría contaminar los alimentos con sustancias no
aptas para su consumo.
El Nylamid M (M = Mecánico) es de color hueso y está aprobado para trabajar en contacto
directo con alimentos de consumo humano, por la SECOFI (NMX-E-202-1993-SCFI).
Este Nylamid es producido por la polimerización directa de monómeros para formar
polímeros de nylon 6/12, al ser vaciados a presión atmosférica. Este proceso ofrece la
ventaja de poder fabricar piezas de mucho mayor volumen que con la inyección y
extrusión.
Teniendo el conocimiento de los materiales más utilizados en la industria alimenticia
procedemos a realizar la selección de uno de ellos, mediante tablas de decisión.
La siguiente tabla contiene los criterios de selección. (Tabla 13)
Tabla 13. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del material es necesario conocer criterios de selección, los cuales
son características indispensables para el uso del material.
Criterios de selección
Tabla 14. Criterios de selección.
Norma
Costo
Facilidad de manufactura
Facilidad de ensamble
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección. (Tabla 15)
Tabla 15. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C D Total Pertenencia
A.Norma 1 1 1 3 0,5000
B.Costo 0 1 0 1 0,1667
C.Facilidad manufactura 0 0 1 1 0,1667
D.Facilidad ensamble 0 1 0 1 0,1667
Total 6 1
24
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, procedemos a realizar la
ponderación de los proveedores con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 16)
Tabla 16. Selección del proveedor.
Criterios de selección Acero Inox. Nylamid M Pertenecia
Norma 0.85 0.65 0.5
0.4250 0.3250
Costo 0.65 0.85 0.1667
0.1084 0.1417
Facilidad manufactura 0.65 0.85 0.1667
0.1084 0.1417
Facilidad ensamble 0.85 0.65 0.1667
0.1417 0.1084
Total 0.6417 0.6084
Finalmente se observa que el material (Figura 17) idóneo y que cumple las características es
el siguiente:
Acero inoxidable con 68.50%
Figura 17. Acero inoxidable 304 AISI
25
2.2 MÓDULO PARA PESAR
En este apartado se analiza lo referente al módulo de pesado, refiriéndose a él como un
dispositivo Mecatrónico, por ello se tiene que ejecutar una investigación de los siguientes
temas:
Forma de pesar (tipo de sensores).
Material utilizado para la construcción de los dosificadores.
Tipos de actuadores.
Con los temas mencionados se podrá tener una idea general de las posibles soluciones
existentes para el adecuado funcionamiento del dispositivo de pesado.
2.2.1 Formas de pesar.
Antes de comenzar a mencionar los dispositivos que se utilizaran para realizar esta función,
es necesario definir los siguientes puntos:
Pesar: Determinar la cantidad de masa de una persona o cosa por medio de ciertos
aparatos.
Sensor: Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas
variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.
Generalmente la forma de pesar es mediante una báscula, que es un aparato que sirve para
determinar la masa de los cuerpos. En el mercado existen dos tipos de básculas las cuales
son:
Básculas mecánicas: Estas actúan por medio de relación de palancas (Figura 18).
Figura 18. Báscula Mecánica
Básculas electrónicas: Utilizan un sensor conocido como celda de carga que varía su
resistencia si aumenta o disminuye el peso (Figura 19).
26
Figura 19. Báscula electrónica
Para este caso el estudio será referente a la báscula electrónica debido que se maneja
mediante un sensor del tipo celda de carga.
Para la construcción de este módulo es necesario contar con sensores que puedan hacer la
conversión de una fuerza ejercida en un área determinada y señales eléctricas para poder
pesar la cantidad de azúcar que se está agregando en el dosificador. Se mencionan algunos
sensores que cumplen esta característica (Tabla 17)
Tabla 17. Sensores para pesar.
Sensor Características
Galga extensométrica
Sensor basado en el efecto piezorresistivo.
Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su
resistencia eléctrica.
Consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una
base flexible y aislante.
Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son
aleaciones metálicas, como: Constantán, nicrom o elementos
semiconductores como el silicio y el germanio.
Sensor piezoeléctrico
Consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un
material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto
reversible.
Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.
Sintéticos: cerámicas.
Detección de magnitudes mecánicas.
Alta sensibilidad y bajo coste, con alta rigidez mecánica apta para
medir variables esfuerzo (fuerza presión).
Celda de carga
Dispositivos electrónicos desarrollados con la finalidad de detectar
cambios eléctricos provocados por una variante en la intensidad de
un peso aplicado sobre la báscula o balanza.
Forma compacta.
27
2.2.2 Materiales para los contenedores de pesado.
Hoy en día existen miles de materiales cada uno con diferentes características debido a los
tratamientos industriales que estos han recibido para mejorar sus propiedades según su
campo de aplicación.
Existen muchas formas de clasificar a los materiales una de ellas es la siguiente:
Metales.
Cerámicos.
Polímeros.
Materiales compuestos.
A continuación se muestran algunos materiales que más se utilizan en la industria.
Acero inoxidable
Figura 20. Acero inoxidable 304.
Nylamid grado alimenticio
Figura 21. Nylamid grado alimenticio.
28
2.2.3 Tipos de actuadores
Los actuadores se definen como dispositivos mecánicos cuya función es proporcionar
fuerza para mover otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene
de tres fuentes posibles:
Eléctrica.
Neumática.
Hidráulica.
Eléctricos.
Ventajas
Simple en comparación con los otros dos sistemas.
Ideal cuando es necesario generar fuerza rápidamente.
Posicionamiento preciso.
Genera movimientos rotatorios para diferentes aplicaciones.
Bajo costo
Desventajas:
Complicado sistema de control.
Baja potencia.
Neumática
La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire. Los sistemas
neumáticos proporcionan un movimiento controlado con el empleo de cilindros y motores
neumáticos y se aplica en herramientas, robots, vibradores, etc.
Ventajas:
Bajo costo en sus componentes.
Facilidad de diseño e implementación.
El bajo par constituye un factor de seguridad.
Riesgo nulo de explosión.
Transmisión de energía a grandes distancias.
Construcción y mantenimiento fácil.
Desventajas:
Imposibilidad de tener velocidades estables.
Alto costo en la energía neumática.
Las fugas reducen el rendimiento.
29
Hidráulicos
La hidráulica utiliza básicamente los fluidos (aceite), como medio de presión para mover
actuadores. Los sistemas hidráulicos se usan típicamente en dispositivos móviles tales
como maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadores y sistemas donde
se requiera una gran potencia.
Ventajas:
Gran potencia.
Buen control y regulación.
Disipación favorable de temperatura.
Desventajas:
Riesgo de incendio.
Peligro a las excesivas presiones.
Dependencia de la temperatura por cambios en la viscosidad.
2.2.4 Selección de diseño
Para realizar el análisis morfológico es necesario definir cuáles son las características (Tabla
18) de diseño que se toman en cuenta para cada uno de los elementos y materiales así como
la forma que tendrá el módulo para pesar.
Tabla 18. Análisis morfológico
Característica Posibles soluciones
Forma de
dosificador
Cuadrada Cilíndrica Triangular/cuadrada
Sensor para pesar Celda de carga Galga
extensométrica
Sensor piezoeléctrico
Sujeción de sensores
y actuadores
Tornillos Sinchos Bases manufacturadas
Materiales Acero
inoxidable
Acrílico grado
alimenticio
Acople de
actuadores al
dosificador
Acoplamiento
directo
Engranes Bandas
Actuadores Neumático Eléctrico Hidráulico
Alimentación CA CC
Localización del
sensor
Parte inferior Parte lateral
Localización de
actuadores
Enfrente Parte trasera Parte lateral
Apertura/cierre
dosificador
Mecanismo
móvil
Mecanismo
rígido
30
2.2.5 Posibles configuraciones del sistema
Se visualizan en las siguientes tablas las configuraciones del dispositivo.
Diseño conceptual 1.
Tabla 19. Características del diseño conceptual 1
Característica Solución
Forma de dosificador Cuadrada
Sensor para pesar Sensor piezoeléctrico
Sujeción de sensores y
actuadores
Tornillería
Materiales Acero inoxidable
Acople de actuadores al
dosificador
Mecanismo rígido
Actuadores Neumático
Alimentación CC
Localización del sensor Parte inferior del dosificador
Localización de actuadores Enfrente del dosificador
Apertura/cierre dosificador Mecanismo móvil
Diseño conceptual 2.
Tabla 20. Características del diseño conceptual 2
Característica Solución
Forma de dosificador Cilíndrica
Sensor para pesar Galga extensométrica
Sujeción de sensores y actuadores Bases manufacturadas
Materiales Acero inoxidable
Acople de actuadores al
dosificador
Piñón-cremallera
Actuadores Eléctrico
Alimentación CC
Localización del sensor Parte inferior del dosificador
Localización de actuadores Enfrente del dosificador
Apertura/cierre dosificador Mecanismo móvil
31
Diseño conceptual 3.
Tabla 21. Características del diseño conceptual 3
Característica Solución
Forma de dosificador Cuadrada/triangular
Sensor para pesar Celda de carga
Sujeción de sensores y actuadores Bases manufacturadas
Materiales Acero inoxidable
Acople de actuadores al dosificador Acople directo
Actuadores Neumático
Alimentación CC
Localización del sensor Parte inferior del dosificador
Localización de actuadores Enfrente del dosificador
Apertura/cierre dosificador Mecanismo móvil
2.2.6 Selección de diseño conceptual
Procedemos a dar las ponderaciones para los criterios de selección.
Tabla 22. Ponderaciones para criterios de selección
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Los criterios de selección son características que harán que el diseño conceptual realice su
tarea en tiempo y forma, a continuación se presenta la descripción de cada criterio:
Criterios de selección
Tabla 23. Criterios de selección
Precisión
Velocidad de pesado
Costo de elementos
Procesos de manufactura
Cableado
Acoplamiento
Desgaste mecánico
Consumo energético
Costo de manufactura
32
La tabla 24 presenta la pertenencia de cada uno de los criterios de selección.
Tabla 24. Tabla de pertenencia de los criterios de selección
Criterios de selección A B C D E F G H I Total Pertenencia
A.Precisión 1 1 1 1 1 1 1 1 8 0,2222
B.Velocidad de pesado 0 1 1 1 1 1 1 1 7 0,1944
C.Costo de elementos 0 0 1 1 0 1 1 0 4 0,1111
D.Procesos de manufactura 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0,0556
E.Cableado 0 0 0 0 0 1 1 0 2 0,0556
F.Acoplamiento 0 0 1 1 1 1 1 0 5 0,1389
G.Desgaste mecánico 0 0 0 1 0 0 1 1 3 0,0833
H.Consumo energético 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0,0278
I.Costo de manufactura 0 0 1 1 1 1 0 0 4 0,1111
36 1Total
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, se realiza la ponderación de
los diseños conceptuales con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 25)
Tabla 25. Ponderación de los diseños conceptuales
Diseño 1 Diseño 2 Diseño 3 Pertenencia
Precisión 0.45 0.65 0.85 0.2222
0.09999 0.14443 0.18887
Velocidad de pesado 0.65 0.65 0.85 0.1944
0.12636 0.12636 0.16524
Costo de elemento 0.45 0.45 0.45 0.1111
0.049995 0.049995 0.049995
Proceso de manufactura 0.85 0.45 0.65 0.0555
0.047175 0.024975 0.036075
Cableado 0.45 0.65 0.85 0.0555
0.024975 0.036075 0.047175
Acoplamiento 0.45 0.45 0.85 0.1388
0.06246 0.06246 0.11798
Desgaste mecànico 0.45 0.45 0.85 0.0833
0.037485 0.037485 0.070805
Consumo energético 0.65 0.65 0.65 0.0277
0.018005 0.018005 0.018005
Costo de manufactura 0.65 0.65 0.65 0.1111
0.072215 0.072215 0.072215
Total 0.53866 0.572 0.76636
Finalmente se observa que el diseño conceptual 3 es el que mejor cumple los
requerimientos y características para poder desarrollar de forma óptima la tarea que realiza
el módulo de para pesar.
Diseño conceptual 3 76.64%
33
2.2.7 Virtualización del diseño conceptual
Figura 22. Diseño conceptual del dispositivo de pesado
Se presentan las vistas en sistema americano del diseño conceptual seleccionado. (Figura 23)
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 23. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de pesado
34
2.2.8 Selección de componentes
Se realiza la selección de los componentes que forman el dispositivo para pesar, esta es
efectuada a partir de las características requeridas por cada uno de los componentes y sus
propiedades, ya sean mecánicas o electrónicas.
La selección es justificada mediante diversos métodos como lo son diagrama de rutas y
tablas de decisión conjuntamente con los requerimientos de los componentes que son
utilizados en todo el dispositivo.
Celda de carga.
El propósito del componente es realizar la conversión de la cantidad de azúcar que se
encuentre en el dosificador en señales eléctricas para poder cuantificarla.
Factores que influyen en la selección de la celda de carga:
Disponibilidad.
Dimensiones.
Velocidad de sensado
Resolución.
Limites funcionales para la celda de carga (Tabla 26):
Tabla 26. Características de la celda de carga.
CARACTERISTICA VALOR REQUERIDO
Rango de pesado 1-5 kg
Impedancia 500 Ohm
Alimentación 12 V
Material Aluminio
En la actualidad existe una gran cantidad de fabricantes de celdas de carga, pero en este
caso solo se tomaran un par de ellas para lograr la selección de la monocelda (Tabla 27).
Braunker.
Futek.
Tabla 27. Proveedores de cilindros neumáticos.
Proveedor Modelo Rango
pesado
[Kg]
Alimentación
[V]
Material Impedancia
[Ohm]
BRAUNKER TDA:1042 5 12 Aluminio 350
FUTEK LBB200 3 12 Aluminio 1000
35
A continuación se procede a realizar la elección de la celda de carga mediante tablas de
decisión.
Se aprecian las ponderaciones para los criterios de selección (Tabla 28).
Tabla 28. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del cilindro neumático es necesario conocer criterios de selección,
los cuales son características de trabajo de acuerdo a las especificaciones del fabricante.
Criterios de selección
Tabla 29. Criterios de selección.
Rango para pesar
Costo
Disponibilidad
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección (Tabla 30).
Tabla 30. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C Total Pertenencia
A.Rango para pesar 1 0 1 0,3333
B.Costo 0 1 1 0,3333
C.Disponibilidad 1 0 1 0,3333
Total 3 1
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, procedemos a realizar la
ponderación de los proveedores con respecto a las calificaciones propuestas (Tabla 31).
Tabla 31. Selección del proveedor.
Criterios de selección BRAUNKER FUTEK Pertenecia
Rango para pesar 0.85 0.65 0.3333
0.2833 0.2166
Costo 0.65 0.65 0.3333
0.2166 0.2166
Disponibilidad 0.85 0.65 0.3333
0.2833 0.2166
Total 0.7833 0.6499
36
Una vez que se realizó la selección del proveedor, y siguiendo el diagrama de rutas tenemos
que la cela de carga (Figura 24) que se ajusta a nuestros requerimientos es:
Figura 24. Celda de Carga tipo TDA: 1042 BRAUNKER
Se presentan las características de la celda de carga TDA: 1024
Tabla 32. Datos técnicos TDA: 1024
Característica TDA: 1024
Capacidad 5 Kg
Código de colores 8
Salido m V/V 2
Impedancia 350
Material Aluminio
Con lo anterior se finaliza el diseño del módulo para pesar.
Actuador neumático
Proporciona el movimiento de apertura y cierre de la puerta del dosificador, además de
tener la fuerza para poder moverla cuando contenga la cantidad máxima de azúcar.
Factores que influyen en la selección de cilindro neumático:
Disponibilidad.
Dimensiones.
Fuerza de avance y retroceso.
facilidad de sujeción.
Carrera.
Para poder elegir de manera correcta el cilindro neumático que se utilizara es necesario
conocer cuál es la fuerza que ejerce el azúcar en la puerta de apertura, para ello se realiza el
siguiente análisis:
Conocemos que la cantidad máxima de azúcar que puede contener el dosificador en la parte
inferior que es de .
El valor estándar de la gravedad (g) es de
37
De acuerdo con la Segunda Ley de Newton:
De modo que 1 kilogramo-fuerza o kilopondio equivale a .
Para el caso del dosificador la fuerza ejercida en la parte inferior es de:
Sin embargo la compuerta se encuentra en la parte frontal, esto nos indica que la fuerza en
ella es menor a la que se calculó.
Además debemos considerar cual es el peso que la compuerta, el cual es de:
Partiendo de lo anterior podemos conjeturar que la fuerza de retorno del pistón debe ser
mayor a la suma de la fuerza ejercida en la puerta de apertura y el peso de la misma, para
poder realizar la apertura y cierre.
Finalmente tenemos que la fuerza de retroceso debe de ser mayor a 18.23 N, al momento de
realizar la selección del cilindro neumático.
Los límites funcionales para el actuador neumático se muestran a continuación. (Tabla 33)
Tabla 33. Características del cilindro neumático.
CARACTERISTICA VALOR REQUERIDO
Presión nominal 6 bar
Fuerza de retorno 23 N
Carrera 100 mm
Peso 0.063 kg
En la actualidad existe una gran cantidad de fabricantes de cilindros neumáticos, pero en
este caso solo se tomaran tres de ellos para lograr la selección del componente. (Tabla 34)
Festo.
Parker.
Metal Work Neumatics.
38
Tabla 34. Proveedores de cilindros neumáticos.
Proveedor Modelo Presión
[bar]
Fuerza de
retorno [N]
Carrera
[mm]
Peso
[kg]
FESTO DSNU-8-100-P-A 6 23 100 0.063
PARKER P1A Series 10 30 100 0.063
METAL
WORK
Mini-cylinders 10 35 100 0.070
A continuación se procede a realizar la elección del cilindro neumático mediante tablas de
decisión.
Damos las ponderaciones para los criterios de selección. (Tabla 35)
Tabla 35. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del cilindro neumático es necesario conocer criterios de selección,
los cuales son características de trabajo de acuerdo a las especificaciones del fabricante.
Se presenta la descripción de cada criterio de selección:
Criterios de selección
Tabla 36. Criterios de selección.
Fuerza de retorno
Presión
Disponibilidad
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección. (Tabla 37)
Tabla 37. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C Total Pertenencia
A.Fuerza de retorno 1 0 1 0,3333
B.Presion 0 1 1 0,3333
C.Disponibilidad 1 0 1 0,3333
Total 3 1
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, se realiza la ponderación de
los proveedores con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 38)
39
Tabla 38. Selección del proveedor.
Criterios de selección FESTO PARKER METAL WOK Pertenecia
Fuerza de retorno 0,85 0,65 0,65 0,3333
0,2833 0,2166 0,2166
Presión 0,85 0,45 0,45 0,3333
0,2833 0,1500 0,1500
Disponibilidad 0,85 0,85 0,45 0,3333
0,2833 0,2833 0,1500
Total 0,8499 0,6499 0,5166
Una vez que se realizó la selección del proveedor, y siguiendo el diagrama de rutas se tiene
que el cilindro neumático (Figura 25) que se ajusta a nuestros requerimientos es:
DSNU-8-100-P-A FESTO
Figura 25. DSNU-8-100-P-A
Una vez que se tiene el cilindro seleccionado se presentan sus características:
Cilindro Neumático FESTO DSNU-8-100-P-A. (Tabla 39)
Tabla 39. Características del cilindro neumático seleccionado.
Característica
Tipo DSNU-8-100-P-A
Diámetro de embolo [mm] 8
Carrera [mm] 100
Fuerza de avance [N] 23
Fuerza de retorno [N] 30
Peso [Kg] 0.063
Diámetro vástago [mm] 4
Se obtienen los parámetros completos del cilindro10
:
10
Neumática e Hidráulica. Antonie Creuse Solé Alfaomega
40
Dónde:
P = Presión del aire [bar]
D = Diámetro del embolo [mm]
d = Diámetro del vástago [mm]
De la ecuación 1 tenemos:
De la ecuación 2 tenemos:
El rozamiento del cilindro en su movimiento equivale a un valor comprendido entre 3% y
el 10% la fuerza calculada.
Fuerza de carga del cilindro
La carga depende básicamente de la forma de montaje del cilindro para el caso del módulo
para pesar la forma de montaje es la siguiente. (Figura 26)
Figura 26. Forma de montaje.
El montaje no absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y el plano de las superficies
de montaje no coincide con dicha línea por lo que, al aplicar la fuerza, se produce un
momento de giro que tiende a hacer girar el cilindro alrededor de los pernos de montaje.
Consumo de aire
41
El consumo de aire del cilindro es una función de la relación de compresión, del área del
pistón y de la carrera, según la fórmula:
Dónde:
d = diámetro del embolo o vástago (mm)
h = carrera (cm)
P = Presión de trabajo (bar)
Conociendo los parámetros procedemos a obtener el consumo de aire del cilindro
seleccionado:
d = 8 mm
h = 10 cm
P = 6 bar
Consumo de aire para el avance:
Consumo de aire en el retroceso:
d = 4 mm (vástago)
Finalmente se tiene un consumo de aire total:
42
Se considera que el cilindro neumático tendrá:
Entonces se tiene que:
Finalmente:
Se concluye la selección y caracterización del cilindro neumático.
2.3 SISTEMA DE EMBOLSADO
En esta sección se analiza lo referente al módulo de embolsado para el cual se hizo la
siguiente investigación.
Tipos de embolsado.
Tipos de plásticos para embolsado.
Tipos de embolsado automatizado.
Con los temas antes mencionados podremos tener una idea general de las posibles
soluciones para el sistema de embolsado.
2.3.1 Tipos de embolsado
El embolsado es aquel proceso mecánico mediante el cual aplicamos diferentes tipos de
plástico en forma de funda y termosellado a un producto, ya sea granular, en polvo, en
estado líquido, solido, en una o en varias piezas. El principal objetivo del embolsado es
proteger el producto de los agentes externos que le pudieran ejercer algún daño. Así el
cliente recibirá el producto final en perfectas condiciones.11
Un producto retractilado se refiere a un objeto que se ha envuelto en una película plástica
sellada. La película plástica utilizada suele ser de un grosor muy delgado y no es necesario
que vaya al vacío, de hecho, comúnmente no suele estarlo.
11 http://www.gupostonline.com/servicios-mailing/embolsados.aspx
43
Los embolsados se usan mucho en producción de impresos para proteger revistas o libros.
También para facilitar la entrega de paquetes con varios objetos por ejemplo una revista,
una promoción publicitaria u otros diversos objetos.
En ocasiones, los embolsados también permiten ver el contenido del mismo en caso de que
el plástico sea neutro, utilizando esta característica como impacto publicitario directo e
indirecto, que ayuda en la creación de notoriedad y percepción del producto.
Existen multitud de tipos de plástico para embolsados con diferentes objetivos. Las
principales diferencias entre los diversos plásticos para el embolsado se pueden diferenciar
mediante las siguientes propiedades:
Galga: Grosor del plástico.
Densidad: Baja o alta, dependiendo de la transparencia que se desee aportar.
Impreso o neutro: Con algún tipo de impresión o totalmente transparente
De compuestos especiales: Plástico para embolsados en contacto con alimentos,
biodegradables, fotodegradables, etc.
Los plásticos más comúnmente utilizados para el embolsado son:
Polipropileno: Son plásticos brillantes para embolsado automático. Estos pueden ser suministrados en diferentes anchuras y espesores.
Polietileno: Son plásticos de embalaje general empleados en aplicaciones de
enfajado retráctil y embolsado. Es un plástico menos vistoso, pero tiene un coste
inferior que se repercute al cliente final.
2.3.2 Tipos de plásticos para embolsado.
Hay múltiples tipos y sistemas de embolsado y cada uno de ellos utiliza una gama de
plásticos específica en función del tipo de resistencia, presentación y producto a embolsar.12
Los más importantes de estos tipos de plásticos son los que se describen a continuación:
Polipropileno Retráctil: Plásticos de gran brillo y transparencia, empleados en
promociones de productos con muy buen nivel de acabado.
Poliolefina Retráctil: Plásticos de alta resistencia, brillo y transparencia, ideales para presentaciones de producto o promociones.
Complejo: Plásticos compuestos por dos o más componentes laminados o co-extruidos para aplicaciones de alto nivel de acabado.
Polietileno: Plásticos para embalaje general empleados en aplicaciones de enfajado retráctil, embolsado y con máquinas llenadoras verticales.
Polietileno Postal: Plásticos especialmente indicados para la envoltura con
máquinas horizontales de productos publicitarios comúnmente.
12 http://www.belca.com.mx/producto.php?id=21&lang=1
44
Estirable: Plásticos de envoltura aplicables en máquinas de envoltura de tipo
específico con espesores de 17 a 50 micras.
PVC: Plásticos de embalaje general tanto en retráctil como para envoltura o estirable. es económico y de sencilla adaptación.
Polipropileno Biorientado: Plásticos brillantes para embolsado automático no retráctil con máquinas horizontales o verticales.
2.3.3 Tipos de embolsado automatizado
Para el embolsado automatizado existen dos formas de realizarse, estos dependen del tipo
de producto a embolsar y presentan diferentes características especialmente de posición y
orientación de los componentes, sin embargo, la función a realizar en cualquiera de los dos
tipos sigue siendo la misma.13
Embolsado horizontal.
En este tipo de embolsado la maquina realiza el proceso en una banda trasportadora y es
utilizado para empezar comúnmente productos formados por una sola pieza. (Figura 27)
Figura 27. Máquina para embolsado horizontal.
Embolsado vertical.
En este tipo de embolsado la maquina realiza el proceso utilizando de por medio
comúnmente una tolva o en el caso de líquidos un eyector para realizar el llenado de la
bolsa. Es comúnmente utilizado para empacar granos, polvos y líquidos ya que aprovecha
la caída del producto para el llenado de las bolsas. (Figura 28)
13 http://www.belca-web.com/producto.php?id=2&lang=1.
45
Figura 28. Máquina para embolsado vertical.
2.3.4 Selección de diseño
Tabla 40. Análisis morfológico
Característica Posibles Soluciones
Material de Embolsadora Aluminio Acero Inoxidable Hierro Plástico
Tipo de Dobladores De Rodillos 2 Láminas de
Forma Redondeada
2 Láminas de
Forma Cuadrada
Tipo de Embolsado Vertical Horizontal Inclinado
Posición del Abastecedor
Plástico
Vertical Horizontal Inclinado
Material del Abastecedor
Plástico
Aluminio Acero Inoxidable Hierro Plástico
2.3.5 Posibles configuraciones del sistema
Después se procede a realizar los diferentes diseños conceptuales14
conforme a la elección
de las características y la posible solución de acuerdo la tabla 42, para poder visualizar de
forma clara las posibles configuraciones del dispositivo.
14
Clifford M., Case Studies in Engineering Design, London: John Wiley & Sons, Inc, 1998.
46
Diseño conceptual 1.
Tabla 41. Características del diseño conceptual 1
Característica Solución
Material de
Embolsadora
Aluminio
Tipo de Dobladores De Rodillos
Tipo de Embolsado Inclinado
Posición del Abastecedor
Plástico
Inclinado
Material del Abastecedor
Plástico
Aluminio
Diseño conceptual 2.
Tabla 42. Características del diseño conceptual 2
Característica Solución
Material de Embolsadora Hierro
Tipo de Dobladores 2 Láminas de Forma
Cuadrada
Tipo de Embolsado Inclinado
Posición del Abastecedor
Plástico
Vertical
Material del Abastecedor
Plástico
Hierro
Diseño conceptual 3.
Tabla 43. Características del diseño conceptual 3
Característica Solución
Material de Embolsadora Plástico
Tipo de Dobladores 2 Láminas de Forma
Cuadrada
Tipo de Embolsado Horizontal
Posición del Abastecedor
Plástico
Horizontal
Material del Abastecedor
Plástico
Acero Inoxidable
Diseño conceptual 4.
Tabla 44. Características del diseño conceptual 4
Característica Solución
Material de Embolsadora Acero Inoxidable
Tipo de Dobladores 2 Láminas de Forma
Redondeada
Tipo de Embolsado Vertical
Posición del Abastecedor
Plástico
Horizontal
Material del Abastecedor
Plástico
Plástico
47
2.3.6 Selección de diseño conceptual
Se procede a dar las ponderaciones para los criterios de selección.
Tabla 45. Ponderaciones para criterios de selección
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Criterios de selección
Tabla 46 Criterios de selección
A. Facilidad de maquinado
B. Facilidad de mantenimiento
C. Agilización del proceso
D. Costo
E. Simplicidad del proceso
Tabla 47. Tabla de pertenencia de los criterios de selección
Criterios de selección A B C D E Total Pertenencia
A. Facilidad de maquinado 1 0 1 0 2 0.2
B. Facilidad de mantenimiento 0 0 0 1 1 0.1
C. Agilización del proceso 1 1 0 1 3 0.3
D. Costo 0 1 1 1 3 0.3
E. Simplicidad del proceso 1 0 0 0 1 0.1
10 1Total
Una vez realizada la comparación de los criterios de selección, se procede a realizar la
ponderación de los diseños con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 48)
Tabla 48. Ponderación de los diseños conceptuales
Criterios de selección DC1 DC2 DC3 DC4 Pertenecia
0.45 0.65 0.65 0.65
0.0900 0.1300 0.1300 0.1300
0.45 0.65 0.65 0.85
0.0450 0.0650 0.0650 0.0850
0.45 0.65 0.45 0.85
0.1350 0.1950 0.1350 0.2550
0.65 0.85 0.65 0.65
0.1950 0.2550 0.1950 0.1950
0.45 0.65 0.65 0.85
0.0450 0.0650 0.0650 0.0850
51.000% 71.000% 59.000% 75.000%
0.2
0.1
0.3
0.3
0.1
A. Facilidad de maquinado
B. Facilidad de
mantenimiento
C. Agilización del proceso
D. Costo
E. Simplicidad del proceso
Diseño conceptual 4 75.00%
48
Finalmente se observa que el diseño conceptual 4 es el que cumple los requerimientos y
características para poder desarrollar de forma óptima la tarea que debe de realizar el
módulo para embolsar.
Figura 29. Diseño conceptual del dispositivo de embolsado
Se presenta las vistas en sistema americano del diseño conceptual seleccionado, para el
dispositivo de embolsado.
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 30. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de embolsado
49
Figura 31. Diseño conceptual del abastecedor
Se presenta las vistas en sistema americano del diseño conceptual seleccionado, para el
abastecedor.
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 32. Sistema americano del diseño conceptual del abastecedor
Con esto se finaliza el diseño del módulo de embolsado.
50
2.4 SISTEMA DE SELLADO
En este apartado se analiza lo referente al módulo de sellado para el cual se hizo la
siguiente investigación.
Técnicas de sellado plástico.
Tipos de plásticos para embolsado.
Características de las diferentes técnicas de sellado.
2.4.1 Técnicas de sellado plástico
Las máquinas selladoras de bolsas, permiten el cierre hermético de bolsas plásticas. Existe
una gran variedad de máquinas selladoras de bolsas que se ajustan perfectamente a cada
necesidad del producto, tanto en ancho de la bolsa a sellar, capacidad de sellado frente al
espesor del plástico o producción.
Las uniones de cierre de un embolsado deben de tener la misma solidez e impermeabilidad
que el propio material de embolsado. En la elección del procedimiento (entre métodos de
contacto térmico, impulso térmico y alta frecuencia) se debe tomar en consideración las
peculiaridades del tipo de embolsado. Normalmente, la utilización de adhesivos se limita a
las bolsas con pliegues que recubren bolsas interiores soldadas o selladas en caliente.15
La solides de la unión y el hermetismo que puede conseguirse por soldadura o sellado en
caliente depende de la clase y espesor del material o del recubrimiento termoplástico y del
propio proceso de cierre. La solides de las uniones producidas por el sellado en caliente es
pequeña en los papeles parafinados; por el contrario, es comparable a la del propio material
en materiales como el polipropileno o el polietileno.
Para la obtención de uniones selladas óptimas se requiere la utilización de instrumentos
adecuados, de las temperaturas y tiempos óptimos para cada material, así como el empleo
de prensas. (Figura 36)
Figura 33.Sellado de polipropileno con prensa.
15 Rudolf Plank, Empleo del Frio en la Industria de la Alimentación, (Die Anwendungn der Kalte in der
Lebensmittelindustrie).
51
Sellado térmico
Esta forma de sellado consiste en unir dos láminas de un polímero especifico superpuestas,
utilizando energía calorífica generada mediante una resistencia térmica, que hace llegar al
punto de fusión durante un breve periodo de tiempo una sección de cada polímero para
unirlas entre sí. Esta técnica necesita de un alto gasto de energético debido a que las
resistencias térmicas implican un elevado gasto de potencia disipado en el calor generado y
una baja eficiencia energética.
Este método sin embargo, es útil para cualquier clase de producto, incluidos los productos
alimenticios como es el caso del prototipo, expuesto en este trabajo, debido a que no
requiere del uso de sustancias adhesivas, resinas o pegamentos que pudieran resultar
toxicas o causar daños a la salud.
Aun cuando el sellado térmico tiene una baja eficiencia en el aprovechamiento energético
es la técnica más fácil de aplicar, ya que no necesita de equipo especial, de costo elevado,
ni es necesario mantenimiento, repuestos ni representa mayores inconvenientes.
Figura 34. Sellador térmico
Sellado ultrasónico
Esta técnica es una de las maneras más modernas e innovadoras en cuanto a formas de
sellado y polímeros que utilizan altas frecuencias de sonido para unir los materiales
plásticos por medio de su estructura molecular.
Una de las ventajas que presenta esta metodología es que su eficiencia energética es muy
elevada, por lo que es una técnica muy amigable con el ambiente.
Aquí las piezas no son unidas mediante la aplicación de una fuerza mecánica y la
aplicación de vibraciones mecánicas de alta frecuencia, sin hacer llegar al material a su
punto de fusión como en el caso del sellado térmico.
52
Las frecuencias utilizadas para el procesamiento de plástico en los campos industriales con
de entre 2Khz y 1000Khz, mientras que para las aplicaciones de sellado de polímeros
laminados es de entre 25Khz y 30Khz16
.
Las vibraciones ultrasónicas aplicadas producen un reacomodo en las moléculas de ambos
materiales, provocando la fusión de ambos, sin embargo los parámetros de frecuencia
deben de ser calibrados para cada tipo de polímero laminado, dependiendo de su espesor.
Figura 35.Sellador ultrasónico.
Sellado adhesivo
Esta técnica necesita de la aplicación de sustancias adherentes o pegamentos para ser
aplicados a los materiales plásticos y conseguir la unión de estos mismos.
Este método no es utilizado para el embolsado de productos alimenticios o de consumo
tanto humano como animal, debido a la probabilidad de contaminar el contenido del
embolsado con sustancias toxicas o dañinas a la salud.
Esta forma de sellado no requiere de alta tecnología y muy fácil de implementar si uso de
equipo especializado para su utilización y mantenimiento.
16 www.sonotronic.de/technologies/ultrasonic/ultrasonic-welding.
53
2.4.3 Tipos de plásticos para embolsado.
Hay múltiples tipos y sistemas de embolsado y cada uno de ellos utiliza una gama de
plásticos especificados en función del tipo de resistencia, presentación y producto a
embolsar17
.
Los más importantes de estos tipos de plásticos son los siguientes:
Polietileno
Plásticos para embalaje general empleados en aplicaciones de enfajado retráctil, embolsado
y con máquinas llenadoras verticales. (Figura 37)
Figura 37. Ejemplo del plástico polietileno.
Polietileno Postal
Plásticos especialmente indicados para la envoltura con máquinas horizontales de productos
publicitarios comúnmente. (Figura 38)
Figura 38. Ejemplo del plástico polipropileno postal.
Polipropileno Biorientado
Plásticos brillantes para embolsado automático no retráctil con máquinas horizontales o
verticales. (Figura 39)
Figura 39. Ejemplo del plástico polipropileno biorientado.
17 Julio Ernesto Ospina Machado. Características físico mecánicas y análisis de calidad de granos.
54
2.4.4 Selección de diseño
Tabla 49. Análisis morfológico
Característica Posibles Soluciones
Tipo de sellado Térmico Ultrasónico Adhesivo
Actuadores para
sellado
Pistones y barras con
bujes
Motores y tornillos sin
fin
Marco exterior y un
pistón
Disposición de los
procesos
Juntos Separados
Actuador para
deslizamiento vertical
Actuador lineal
neumático
Tornillo sin fin Piñón cremallera
2.4.5 Posibles configuraciones del sistema
Después procedemos a realizar los diferentes diseños conceptuales18
conforme a la
elección de las características y la posible solución de acuerdo la tabla 49, para poder
visualizar de forma clara las posibles configuraciones del dispositivo.
Diseño conceptual 1.
Tabla 50. Características del diseño conceptual 1
Característica Solución
Tipo de Sellado Térmico
Actuadores para sellado Marco exterior con un
pistón
Disposición de procesos Juntos
Actuador para
deslizamiento vertical
Actuador lineal
neumático
Diseño conceptual 2.
Tabla 51. Características del diseño conceptual 2
Característica Solución
Tipo de Sellado Ultrasónico
Actuadores para sellado Motores y tornillo son
fin
Disposición de procesos Juntos
Actuador para
deslizamiento vertical
Piñón cremallera
18 Kenneth Hurst. Engineering Design Principles. New York: Elselvier, 2004.
55
Diseño conceptual 3.
Tabla 52. Características del diseño conceptual 3
Característica Solución
Tipo de Sellado Térmico
Actuadores para sellado Pistones y barras con
bujes
Disposición de procesos Separados
Actuador para
deslizamiento vertical
Tornillo sin fin
2.4.6 Selección de diseño conceptual
A continuación se presentan las ponderaciones para los criterios de selección.
Tabla 53. Ponderaciones para criterios de selección
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Criterios de selección
Tabla 54. Criterios de selección
A. Facilidad de maquinado
B. Facilidad de mantenimiento
C. Agilización del proceso
D. Costo
E. Simplicidad del proceso
Tabla 55. Tabla de pertenencia de los criterios de selección
Criterios de selección A B C D E Total Pertenencia
A. Facilidad de
maquinado1 0 1 1 3 0.3
B. Facilidad de
mantenimiento0 0 0 1 1 0.1
C. Agilización del
proceso0 0 1 1 2 0.2
D. Costo 0 1 1 0 2 0.2
E. Simplicidad del
proceso1 0 1 0 2 0.2
10 1Total
56
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, procedemos a realizar la
ponderación de los diseños conceptuales con respecto a las calificaciones propuestas (Tabla
56).
Tabla 56. Ponderación de los diseños conceptuales
Criterios de selección DC1 DC2 DC3 Pertenecia
0.85 0.45 0.65
0.2550 0.1350 0.1950
0.65 0.65 0.85
0.0650 0.0650 0.0850
0.85 0.65 0.45
0.1700 0.1300 0.0900
0.45 0.65 0.45
0.0900 0.1300 0.0900
0.85 0.45 0.65
0.1700 0.0900 0.1300
75.000% 55.000% 59.000%
A. Facilidad de
maquinadoB. Facilidad de
mantenimientoC. Agilización del
proceso
D. Costo
E. Simplicidad del
proceso
0.3
0.1
0.2
0.2
0.2
Diseño conceptual 1 75.00%
Finalmente se observa que el diseño conceptual 1 es el que cumple los requerimientos y
características para poder desarrollar de forma óptima la tarea que debe de realizar el
módulo de para sellado.
2.4.7 Virtualización del diseño conceptual
Figura 40. Diseño conceptual del dispositivo de sellado
57
Se presenta las vistas en sistema americano del diseño conceptual seleccionado, para el
sellado vertical (Figura 41), sellado horizontal (Figura 42).
a)
Vista superior
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 41. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de sellado horizontal
a)
Vista superior
58
b)
Vista frontal
c)
Vista lateral
Figura 42. Sistema americano del diseño conceptual del dispositivo de sellado vertical
2.4.8 Actuador neumático
Cilindro neumático de doble efecto.
El propósito de actuador consta en proporcionar el movimiento de apertura y cierre al
sellado vertical y horizontal.
Factores que influyen en la selección de cilindro neumático:
Disponibilidad.
Facilidad de sujeción.
Carrera.
En este caso no se realiza el análisis de fuerza, debido a que estos cilindros neumáticos no
estarán sometidos a carga. Para seleccionar el cilindro neumático de este módulo se
considera la característica de carrera.
Anteriormente se seleccionó a FESTO, como el proveedor de los cilindros neumáticos. De
acuerdo a su catálogo se encuentra el siguiente cilindro neumático (Figura 43) que cumple la
restricción que se desea.
DSNU-12-125-P-A FESTO
Figura 43. DSNU-12-125-P-A
59
Una vez que se tiene el cilindro seleccionado se presentan sus características:
Cilindro Neumático FESTO DSNU-8-100-P-A. (Tabla 57)
Tabla 57. Características del cilindro neumático seleccionado.
Característica
Tipo DSNU-12-1025-P-A
Diámetro de embolo [mm] 12
Carrera [mm] 125
Fuerza de avance [N] 68
Fuerza de retorno [N] 51
Peso [Kg] 0.131
Diámetro vástago [mm] 6
Procedemos a obtener los parámetros completos del cilindro:
Dónde:
P = Presión del aire [bar]
D = Diámetro del embolo [mm]
d = Diámetro del vástago [mm]
De la ecuación 1 tenemos:
De la ecuación 2 tenemos:
Consumo de aire
El consumo de aire del cilindro es una función de la relación de compresión, del área del
pistón y de la carrera, según la fórmula:
60
Dónde:
d = diámetro del embolo o vástago (mm)
h = carrera (cm)
P = Presión de trabajo (bar)
Conociendo los parámetros procedemos a obtener el consumo de aire del cilindro
seleccionado:
d = 12 mm
h = 12.5 cm
P = 6 bar
Consumo de aire para el avance:
Consumo de aire en el retroceso:
d = 6 mm (vástago)
Finalmente tenemos un consumo de aire total:
Con esto se finaliza la selección y caracterización del cilindro neumático.
61
Actuador lineal
El propósito del componente consta en proporcionar el movimiento del carro de sellado
vertical.
Factores que influyen en la selección de cilindro neumático:
Disponibilidad.
Dimensiones.
facilidad de sujeción.
Carrera.
Para seleccionar el actuador lineal neumático de este módulo, tomaremos una característica
a considerar, y que nos acotara la selección del mismo la cual es la carrera.
Anteriormente se seleccionó a FESTO, como el proveedor de los cilindros neumáticos. De
acuerdo a su catálogo se encuentra el siguiente cilindro neumático (Figura 44) que cumple la
restricción que se desea.
DGP-40-400-PPV-A-B FESTO
Figura 44. DGP-40-400-PPV-A-B
Una vez que se tiene el actuador lineal seleccionado se presentan sus características:
Cilindro Neumático FESTO DGP-40-400-PPV-A-B. (Tabla 58)
Tabla 58. Características del actuador lineal seleccionado.
Característica
Tipo DGP-40-400-PPV-A-B
Diámetro de embolo [mm] 40
Carrera [mm] 400
Peso [Kg] 4.075
62
Consumo de aire
Se considera que el actuador neumático lineal tendrá:
Entonces tenemos que:
Finalmente:
2.4.9 Control de temperatura
El controlador de temperatura es un dispositivo con el cual se establece la temperatura que
se desea de un medio, con este dispositivo se monitorea la temperatura, y se produce una
orden de cambio para regular la misma, que se hace mediante un control especifico y en
cual se observa en todo momento la temperatura actual.
En el caso de este dispositivo contamos con dos diferentes opciones para utilizar dentro del
prototipo, ambos son controladores de tipo PID con un consumo menor a los 2 W, ambos
son de la tienda AG electronics y tienen características similares las cuales se muestran a
continuación. (Tabla 59)
Tabla 59 Características de Controladores de Temperatura
Tensión de
Alimentación (V)
Tensión mínima
de Activación (V)
Dimensiones
(mm)
Rango
Negativo
Matricula
AC 18-265
DC 18-360
10 48x24x75 No TET - 7100
AC 20-265
DC 20-360
8 48x48x82 Si TET - 612
63
Una vez observadas las características de los controladores propuestos procedemos a
realizar la selección del más adecuado en función de sus características. Se muestran las
ponderaciones para los criterios de selección.
Tabla 60. Ponderaciones para criterios de selección
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Criterios de selección
Tabla 61. Criterios de selección
A. Costo
B. Facilidad de acople
C. Facilidad de uso
Tabla 62. Tabla de pertenencia de los criterios de selección
Criterios de selección A B C Total Pertenencia
A. Costo 1 0 1 0.33333333
B. Facilidad de acople 0 1 1 0.33333333
C. Facilidad de uso 1 0 1 0.33333333
3 1Total
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, se realiza la ponderación de
los diseños conceptuales con respecto a las calificaciones propuestas (Tabla 64).
Tabla 63. Ponderación de los diseños conceptuales
Criterios de selección TET 7100 TET 612 Pertenecia
0.35 0.85
0.1167 0.2833
0.85 0.65
0.2833 0.2166
0.65 0.65
0.2166 0.2166
61.661% 71.660%
A. Costo
B. Facilidad de acople
C. Facilidad de uso
0.3333
0.3333
0.3333
Controlador TET 612 71.66%
64
Finalmente se observa que el controlador TET 612 (Figura 45) es el que cumple los
requerimientos y características más adecuadas para el control de temperatura de los
dispositivos de sellado térmico.
Figura 45. Controlador de Temperatura Inteligente TET-612
2.5 ESTRUCTURA
2.5.1 Selección de materiales para la estructura
A continuación se realiza la selección del material que se utiliza para la estructura (Tabla 64).
Tabla 64. Características del dosificador.
Función Funcionar como base para el prototipo
Restricciones Material poco costoso.
Sufrir deformaciones mínimas.
Objetivo Soportar todos los dispositivos.
Variables libres Material
De acuerdo a la clasificación que se mencionó anteriormente, se procede a investigar cual
serán los posibles materiales que cumplan con las características adecuadas para poder
realizar el estructura que soportará el módulo de pesado.
Algunos materiales que se pueden utilizar son los siguientes:
PTR: es uno de los productos más comerciales en su ramo por su gran versatilidad. El
material es acero grado ASTM A 36. Parte de calibre 14. (Figura 46)
Figura 46. PTR
65
Perfiles de aluminio: anodizados en Blanco y anodizados especiales para estructuras
rectangulares. (Figura 47)
Figura 47. Perfil de aluminio
Más adelante se seleccionará el material adecuado que cumpla con las características para
la tarea que se desea, de acuerdo a criterios de diseño. Teniendo el conocimiento de los
materiales más utilizados como bases para estructura comunes procedemos a realizar la
selección de uno de ellos, mediante tablas de decisión. Las ponderaciones para los criterios
de selección se muestran a continuación. (Tabla 65)
Tabla 65. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del material es necesario conocer criterios de selección, los cuales
son características indispensables para el uso del material.
Criterios de selección
Tabla 66. Criterios de selección.
Disponibilidad
Costo
Facilidad de manufactura
Facilidad de ensamble
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección. (Tabla 67)
Tabla 67. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C D Total Pertenencia
A.Disponibilidad 1 1 1 3 0.5000
B.Costo 0 1 0 1 0.1667
C.Facilidad
manufactura 0 0 1 1 0.1667
D.Facilidad ensamble 0 1 0 1 0.1667
Total 6 1
66
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, procedemos a realizar la
ponderación de los proveedores con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 68)
Tabla 68. Selección del proveedor.
Criterios de selección PTR Aluminio Pertenecia
A. Disponibilidad 0.85 0.35 0.5
0.4250 0.1750
B. Costo 0.85 0.35 0.1667
0.1417 0.0583
C. Facilidad manufactura 0.85 0.65 0.1667
0.1417 0.1084
D. Facilidad ensamble 0.85 0.65 0.1667
0.1417 0.1084
Total 0.7084 0.3417
Finalmente se observa que el PTR es el material (Figura 48) idóneo y que cumple las
características es el siguiente:
PTR con 70.84%
Figura 48. Acero inoxidable 304 AISI
Con lo anterior terminamos el diseño de la estructura.
67
Capítulo 3
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL
ELECRONICO Y NEUMATICO
68
3.1 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN NEUMÁTICA
Para analizar es sistema de alimentación neumática es necesario conocer diferentes
aspectos para la generación de este, tal como son:
Aire comprimido.
Proceso de preparación del aire.
Alimentación directa de los dispositivos neumáticos.
Unidad de mantenimiento.
3.1.1 Aire comprimido
El aire comprimido, por el hecho de comprimirse, comprime también todas las impurezas
que contiene, tales como el polvo, suciedad, hidrocarburos, gérmenes y vapor de agua. A
estas impurezas se suman las partículas que provienen del propio compresor y residuos que
pueden producirse durante el montaje de las tuberías y accesorios.
Estas impurezas pueden crear partículas más grandes (polvo + aceite) por lo que dan origen
muchas veces a averías y pueden conducir a la destrucción de elementos neumáticos.
Es vital eliminarlas en los procesos de producción de aire comprimido y en la preparación
para la alimentación directa de los dispositivos neumáticos.
La norma DIN ISO 8573-1 indica las clases de calidad del aire, las aplicaciones y las clases
de calidad recomendadas para cada aplicación neumática. (Tabla 69)
Tabla 69. Aplicaciones y Calidad del aire para aplicaciones neumáticas.
69
3.1.2 Proceso de preparación de aire
El proceso se puede clasificar en tres fases.
1. La eliminación de partículas gruesas.
2. El secado.
3. La preparación final de aire.
En el compresor, el aire se calienta, por lo que es necesario montar un equipo de
refrigeración del aire inmediatamente detrás del compresor. El aumento de la temperatura
del aire viene dado por la siguiente fórmula:
Siendo:
T1= Temperatura del aire de entrada al compresor en grados Kelvin.
T2 = Temperatura del aire a la salida del compresor en grados Kelvin.
P1 = Presión del aire a la entrada del compresor en bar.
P2 = Presión del aire a la salida del compresor en bar.
K = 1,38 a 1,4.
A continuación, el aire debe secarse para conseguir que su punto de roció (temperatura a la
cual el exceso de agua se condensa) sea bastante inferior a la temperatura mínima que se va
a tener en el ambiente de trabajo donde están los equipos neumáticos.
Existen diferentes tipos de secado como son:
Secado en frio.
Secado por absorción.
Secado por membrana.
Secado por adsorción.
3.1.3 Alimentación de los dispositivos neumáticos
Una vez generado en aire comprimido en el compresor y secadores, debe ser preparado
para que alimente en óptimas condiciones a los dispositivos neumáticos. La unidad de
alimentación está compuesta por un filtro, un regulador de presión y un lubricador de aire.
El aire debe ser filtrado para que las partículas remanentes que no han sido eliminadas o
70
generadas en el depósito acumulador, el filtro secador y el separador de agua no ejerzan una
acción de abrasión sobre los elementos neumáticos.
Además los dispositivos neumáticos deben de alimentarse con el aire comprimido a una
presión determinada (normalmente de 6 bares) independientemente de los consumos
variables de la instalación, misión que realiza el regulador de presión. Por otro lado, las
partes móviles de los sistemas neumáticos necesitan lubricación, función que realizada por
el lubricador19
.
El filtro libera las impurezas (aceite, contaminantes) y la humedad contenida en las tuberías
de aire comprimido impartiendo un movimiento en ciclón al aire con lo que las impurezas
se separan por la fuerza centrífuga.
Dispone de cartuchos filtrantes porosos de 5 a 100 micras de deben limpiarse y cambiarse
periódicamente.
El regulador de presión mantiene constate el consumo de aire y la presión de trabajo con
independencia de la presión variable de la red. La presión de salida viene indicada por un
manómetro. Existen dos tipos de reguladores de presión, con oricio de escape y sin orificio
de escape.
El lubricador aporta a los dispositivos neumáticos (cilindros, motores, válvulas, etc.) el
lubricante necesario para su funcionamiento correcto. Funciona con el principio de Venturi,
aspirando una pequeña cantidad de aceite contenido en el depósito de alimentación, que va
a la cámara de goteo, mediante la caída de presión (depresión) que se produce al pasar el
aire comprimido de alimentación por una tobera Venturi, y pulverizándolo en forma de
aerosol el entrar en contacto con las corriente de aire a presión. La cantidad de aceite
nebulizado es proporcional al caudal de aire de presión.
Una Unidad de Mantenimiento (Figura 49) se la combinación filtro-regulador-lubricador. El
conjunto de debe de estar a más de 5 m. del dispositivo neumático de utilización para evitar
la precipitación de las partículas de aceite en una tubería.
Figura 49. Unidad de Mantenimiento.
19 Antonio Creus Solé, Neumática e hidráulica, Edit. Alfaomega.
71
3.1.4 Unidad de mantenimiento
El propósito del componente es adecuar las condiciones del aire necesarias para el buen
funcionamiento de los componentes neumáticos además de ofrecer un control a la
velocidad y fuerza de los elementos del sistema neumático.
Factores que influyen en la selección:
Fuerza de avance y retroceso de los cilindros.
Facilidad de sujeción.
Presión Neumática.
Después de haber obtenido el consumo de aire de los elementos neumáticos, procedemos a
realizar la selección de la unidad de mantenimiento.
El consumo total del aire de los elementos neumáticos es:
Con la condición anterior, la Unidad de Mantenimiento que cumple es:
FRC-1/4-D-MINI FESTO
Tabla 70. Datos técnicos de la unidad de mantenimiento Neumático
Datos técnicos
Tamaño MINI
Conexión G1/4
Tipo de fijación Instalación en la tubería
Posición montaje Vertical
Caudal nominal (l/min) 1000
Presión inicial (bar) 1….16
Presión de funcionamiento (bar) 0.5….12
Peso (Kg) 0.460
En la imagen siguiente (Figura 50) se puede apreciar la unidad de mantenimiento a utilizar.
Figura 50 Unidad de Mantenimiento.
72
3.1.5 Válvula
Su propósito es ofrecer el control de apertura y cierre de flujo de aire para todos los
componentes y actuadores neumáticos activos en el sistema de control neumático.
Factores que influyen en la selección de cilindro neumático:
Facilidad de Acople.
Tamaño.
Potencia.
Las válvulas neumáticos son el apoyo que se tiene con el sistema de control neumático con
respecto a los actuadores también neumáticos, estas deben de presidir en lo mayor posible
del mantenimiento tanto preventivo como correctivo, cumpliendo con las instrucciones de
funcionamiento adecuadamente.
A continuación se muestra la selección de 2 válvulas neumáticas de marca Festo las cuales
cuentan con características adecuadas para el sistema neumático.
Tabla 71. Características de las electroválvulas propuestas
Modelo Tamaño Tipo de Fijación Conexiones Diámetro
nominal (mm)
Racor
CPE 10-M1BH-
5L-QS-6
10 3 taladros M7 4 incluido
CPE 24-M1H-5L-
3/8
24 3 taladros G3/8 11 Sin incluir
Damos las ponderaciones para los criterios de selección. (Tabla 72)
Tabla 72. Ponderaciones.
Excelente 85%
Bueno 65%
Pésimo 45%
Para realizar la selección del cilindro neumático es necesario conocer criterios de selección,
los cuales son características de trabajo de acuerdo a las especificaciones del fabricante.
Criterios de selección
Tabla 73. Criterios de selección.
Facilidad de Acople
Tamaño
Potencia
73
Se realiza la pertenencia de cada uno de los criterios de selección. (Tabla 74)
Tabla 74. Pertenencia criterios de selección.
Criterios de selección A B C Total Pertenencia
A.Facilidad de Acople 1 0 1 0,3333
B.Tamaño 0 1 1 0,3333
C.Potencia 1 0 1 0,3333
Total 3 1
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, procedemos a realizar la
ponderación de los proveedores con respecto a las calificaciones propuestas. (Tabla 75)
Tabla 75. Selección de componente.
Criterios de selección
CPE 10-
M1BH-
5L-QS-6
CPE 24-
M1H-5L-
3/8 Pertenecia
Facilidad de Acople 0,85 0,35 0,3333
0,2833 0,1167
Tamaño 0,85 0,45 0,3333
0,2833 0,1500
Potencia 0,65 0,35 0,3333
0,2166 0,1167
Total 0,7833 0,3833
Válvula CPE 10-M1BH-5L-QS-6 75.00%
De acuerdo a la tabla 76 de selección de componente se obtiene la siguiente válvula
CPE 10-M1BH-5L-QS-6.
Figura 51. DSNU-8-100-P-A
74
3.2 SISTEMA DE CONTROL
Para el sistema de control se procede a realizar un diagrama de flujo correspondiente al
funcionamiento de la máquina, esto es mediante la visualización de los procesos que
realizara el prototipo en el orden que deberán ser ejecutados.
El diagrama de flujo obtenido a partir del análisis del sistema se muestra a continuación en
la ilustración (Figura 52).
Figura 52. Diagrama de Flujo.
75
A partir de este diagrama procedemos a la realización del programa para el control del
sistema.
Sin embargo debido a las características del sistema, podemos aproximarlos valores de
tiempos a utilizar durante la programación del control propuesto pero dando por supuesto
que estos valores no están exentos a cambios durante el funcionamiento y las prueba real
del sistema.
El programa a utilizar para la programación del PLC es MICRILOGIC es cual trabaja con
el lenguaje ladder o lenguaje de escalera, el clásico lenguaje de programación con el que el
PLC es programado.
3.2.1 Lenguaje de escalera
El lenguaje de escalera, también denominado lenguaje de contactos o ladder, es un lenguaje
totalmente grafico muy utilizado debido a su similitud con los diagramas electromagnéticos
básicos de los sistemas electromecánicos. Por lo que con esta característica, a todo aquel
que posea conocimientos técnicos sobre electricidad, le resulta un lenguaje fácil de
comprender y de aprender a programar.
Elementos de programación
Para poder realizar la programación de un PLC en el lenguaje de escalera no es solamente
necesario tener los suficientes conocimientos técnicos sobre conexiones eléctricas sino que
también es indispensable conocer la simbología utilizada por el lenguaje de programación y
los elementos que utiliza este sistema, en la tabla 76 se muestra una breve descripción de
los símbolos utilizados en el lenguaje de escalera, para programar PLC’s.
Tabla 76. Simbologia del diagrama de escalera.
Símbolo Nombre Descripción
Contacto
NA
Se activa cuando hay un uno lógico en el elemento que representa,
esto es, una entrada (para captar información del proceso a
controlar), una variable interna o un bit de sistema.
Bobina
NC
Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda)
da un cero lógico. Su activación equivale a decir que tiene un cero
lógico. Su comportamiento es complementario al de la bobina NA.
Bobina
SET
Una vez activa (puesta a 1) no se puede desactivar (puesta a 0) si
no es por su correspondiente bobina en RESET. Sirve para
memorizar bits y usada junto con la bobina RESET dan una
enorme potencia en la programación.
Bobina
JUMP
Permite saltarse instrucciones del programa e ir directamente a la
etiqueta que se desee. Sirve para realizar subprogramas.
76
Estos símbolos son utilizados para indicar tanto bobinas como contactos en el lenguaje de
escalera y su número de identificación suele oscilar, entre 0 y 255. Su utilidad fundamental
es la de almacenar información intermedia para simplificar esquemas y programación.
El funcionamiento del PLC se ve reflejado en las conexiones realizadas con los contactos y
las bobinas simbólicas en el lenguaje de escalera y las salidas y las entradas responderán al
funcionamiento del diagrama eléctrico y los componentes relacionados con el nombre o el
código de las entradas y salidas del PLC.
Temporizadores
Este elemento es el que nos permite dar pausas de tiempo y sincronización al sistema a
controlar, estos pueden ser temporizadores activados a la conexión o la desconexión.
Cuando son temporizadores activados a la conexión (tipo TON) su tiempo comienza a
partir de que son energizados simbólicamente en el diagrama de escalera y cambian de
estado todos aquellos contactos relacionados a este al finalizar el tiempo establecido por el
programador.
Los temporizadores activados a la desconexión (tipo TOFF) son aquellos cuyo tiempo a
contar comienza en el momento en el que la simbología del diagrama de escalera les
desenergiza y al finalizar su tiempo de cuanta, todos los contactos relacionados con este
cambian su estado al estado opuesto.
Programación del lenguaje de escalera
Una vez conocidos los elementos principales a utilizar dentro del sistema de control del
prototipo para pesar y embolsar azúcar podemos observar un ejemplo (Figura 53) de la
programación en escalera de un PLC para tener una idea más clara de su forma de
programación.
Figura 53.Ejemplo de programación en lenguaje de escalera.
77
3.2.2 Sistema de control propuesto
El sistema de control propuesto es el equivalente al mostrado en la Figura 54, debido a que
el mismo dispositivo trabaja de manera modular el mismo sistema de control debe de ser
repartido en el control de los diferentes subsistemas para el adecuado funcionamiento del
mismo, por lo que a continuación se muestra el sistema propuesto obtenido.
Figura 54.Sistema de control propuesto para el PLC.
78
3.2.3 Contactor
El contactor o relevador se puede definir como un actuador electromagnético conformado
por una bobina y unos contactos, cuyo funcionamiento es como el de un interruptor
electromecánico.
Figura 55. Diagrama a detalle de un relevador.
Estos son muy utilizados sobre todo como actuadores de potencia para los PLC, sobre todo
en los casos en que las corrientes utilizadas pudieran sobrepasar el límite aceptado por las
salidas del mismo PLC.
En este caso utilizaremos un contactor de la marca ABB con las siguientes características:
Tabla 77. Características del contactor elegido.
Modelo Corriente Máxima
(Amperes)
Tensión
Nominal (V)
Peso (Kg)
MS116 - 4 4 24 0.268
Debido a la baja corriente exigida por el sistema de control se elige un contactor con
características adecuadas, con bajas exigencias de corriente máxima y tensión nominal,
para así reducir costos. Se muestra la imagen del dispositivo seleccionado. (Figura 56)
Figura 56. Contactor seleccionado.
79
3.2.4 PLC
El PLC seleccionado fue un dispositivo marca Allen Bradley micrologics 1000 debido a la
disponibilidad del este mismo con el patrocinador, este PLC cuenta con las siguientes
características técnicas:
Tabla 78. Caracterización de PLC
Modelo 1761-L14AWB5A
Tensión Nominal 120 V CA
Entradas 9
Salidas 5
Fuente de
Alimentación
24 V CD
Tipo de Salidas Relé
Estas características son perfectamente adecuadas a las necesidades del proyecto dado la
simplicidad del sistema de control y las características de corriente y tensión a las que
trabaja el sistema en su totalidad.
Figura 57. PLC Allen Bradley Micrologics 1000
80
3.2.5 Simulación del sistema neumático
Después de haber elegido los elementos neumáticos y conocer sus características de
funcionamiento de todos los módulos, procedemos a realizar la simulación de sistema
neumático mediante el software FLUID SIM de FESTO.
Esto ayudara a comprender cuál será el comportamiento real de los elementos neumáticos.
Se presenta el diagrama de conexión de los elementos neumáticos (Figura 58).
Figura 58. Conexión neumática.
81
Se presenta la explicación de la forma en la que trabajará el sistema neumático:
1. El compresor debe de suministrar una presión de 10 bar, puesto que todos los
elementos trabajan a una presión de 6 bares.
2. Se observa después que del suministro de aire, existe la unidad de mantenimiento la
cual como se mencionó con anterioridad, realiza las funciones de filtrar, regular y
lubricar.
3. A continuación se colocan los cilindros neumáticos del módulo para pesar, estos
deben de trabajar a la mitad de la velocidad de los cilindros del módulo de sellado y
corte. Además al iniciarse el proceso es necesario que estos estén al máximo de su
carrera.
4. Después se presentan los cilindros y el actuador lineal neumáticos del módulo de
sellado y corte, en el párrafo anterior se menciona cual es la velocidad de operación,
además deben de estar en sincronía con el módulo de embolsado ya que este
proporcionará la el rollo de bolsa.
5. Todos los elementos neumáticos estarán bajo el mando de electroválvulas, las
cuales estarán regidas por un sistema de control mediante el PLC.
6. Las electroválvulas, permiten el paso del aire de acuerdo a la conFiguración que
tienen, en este caso se cuenta con válvulas de 5/2 vías.
7. También se cuentan con válvulas estranguladoras-antiretorno, las cuales tiene la
función de regular la velocidad y permitir el paso el aire en una sola dirección
dependiendo de la dirección que lleve este.
8. Finalmente se colocan los elemento demando, emulando las señales eléctricas que
recibirá el sistema de control, y este a su vez envié órdenes a las válvulas para que
realicen su tarea.
Los tiempos y la velocidad de lo actuadores neumáticos aún no se establecen debido a que
esto dependerán de la velocidad de embolsado que se desea, además de que se tiene que
tener de forma física sistema para observar el comportamiento de los elementos
funcionales.
82
Capítulo 4
VALIDACIÓN DE SUBSISTEMAS
83
4.1 VALIDACIÓN
Finalmente se realiza la validación de piezas críticas de la máquina automática para pesar y
embolsar azúcar, para observar el comportamiento físico de estas.
En esta sección se analizará la resistencia de los materiales seleccionados para la
manufactura del sistema (Figura 59).
Figura 59. División de la mecánica.
Entonces la resistencia de materiales determina lo siguiente:
1. Establece la relación entre cargas y esfuerzos.
2. Establece la relación entre cargas y deformaciones.
3. Determina propiedades mecánicas.
Consideraciones de la Resistencia de materiales:
1. Cuerpo elástico.
2. Cuerpo homogéneo.
3. Cuerpo isotrópico.
4. Masa constante.
Mecánica
Mecánica del cuerpo rígido
Estática
Dinámica
Mecanismos
Mecánica del cuerpo deformable
Resistencia de materiales
Mecánica de fluidos
Mecánica de fluidos
Trenf. de calor
Termodinámica
se calsifica en
84
Una vez entendido cual es la importancia de la resistencia de materiales procedemos a
realizar la validación de los elementos críticos:
Dosificador.
Dosificadores para pesar.
Barra de alojamiento de bolsa.
Estructura.
Para todos los elementos antes mencionados realizaremos un análisis de elemento finito
(FEM), médiate el software CATIA V5R19. Para observar los esfuerzos y deformaciones,
así como el desplazamiento que sufren estos elementos.
4.1.1 Dosificador
Para este elemento el material seleccionado fue ACERO INOXIDABLE 304 el cual tienes
las siguientes propiedades mecánicas (Tabla 79).
Tabla 79. Propiedades mecánicas
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo de Young 200 GPa
Resistencia máxima 620 Mpa
Resistencia a la fluencia 310 MPa
Elongación (30%) 50 mm
Dentro de la propiedades mecánicas del acero el esfuerzo a la fluencia es muy importante
debido que es el esfuerzo máximo al que se puede someter sin que causar una deformación
plástica.
Para los elementos se está diseñando bajo el criterio de resistencia, por ello debemos
conocer el esfuerzo de trabajo.
Donde el coeficiente de seguridad (C.S), en de forma emperica. Para nuestro estudio lo
tomaremos C.S=1.6.
Procedemos al obtener el esfuerzo de trabajo:
Con lo anterior llegamos a la conclusión que el esfuerzo que se debe presentar en las
paredes del dosificador debe ser menor a 193 MPa.
85
Procedemos a realizar el estudio de FEM, es necesario conocer cuál es la presión que se
ejercerá en las paredes del dosificador:
De la segunda ley de Newton:
Tenemos:
En el dosificador se ejercerá presión por parte de la azúcar, a continuación se realiza el
cálculo de esta:
El área del dosificador es: 1.025 m2, entonces:
Con los datos obtenidos procedemos a realizar el análisis de FEM que se muestra.
Figura 60. Análisis estático del dosificador
86
Haciendo uso de la herramienta Von Mises Stress, podemos apreciar la representación del
elemento sometido a esfuerzos y deformaciones, producido por cargas aplicadas al
elemento y las condiciones a las que se encuentra sometido.
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 61).
Figura 61. Representación de resultado.
Observamos que el esfuerzo máximo es de
, con esto validamos que este
esfuerzo no sobrepasa el esfuerzo de trabajo, concluyendo que el material no sufrirá fallas
al momento de ser sometido a la presión del azúcar.
También se presenta las deformaciones que sufre el material.
Figura 62. Deformaciones en el acero inoxidable.
87
Figura 63. Representación de resultados.
4.1.2 Dosificadores para pesar
Este elemento también estará hecho de acero inoxidable debe de cumplir con el esfuerzo de
trabajo.
Calculando la presión en el elemento tenemos:
De la segunda ley de Newton:
Tenemos:
En el dosificador se ejercerá presión por parte de la azúcar, a continuación se realiza el
cálculo de esta:
88
El área del dosificador es: 0.9 m2, entonces:
Con los datos obtenidos procedemos a realizar el análisis de FEM que se muestra mediante
Von Mises Stress.
Figura 64. Análisis estático del dosificador para pesar.
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 65).
Figura 65. Representación de resultados.
89
Se observa que el esfuerzo máximo es de
, lo que indica que el material no
sufrirá fallas, ya que no sobrepasa el esfuerzo de trabajo.
También se presenta las deformaciones que sufre el material.
Figura 66. Deformaciones en el acero inoxidable.
Figura 67. Representación de resultados.
90
4.1.3 Barra de alojamiento de bolsa
Este elemento también estará hecho de acero debe de cumplir con el esfuerzo de trabajo.
Calculando la presión en el elemento tenemos:
De la segunda ley de Newton:
Tenemos:
Con los datos obtenidos procedemos a realizar el análisis de FEM que se muestra mediante
Von Mises Stress.
Figura 68. Análisis estático de la barra de bolsa.
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 69).
Figura 69. Representación de resultados.
91
Se observa que el esfuerzo máximo es de
, lo que indica que el material no
sufrirá fallas, ya que no sobrepasa el esfuerzo de trabajo.
También se presenta las deformaciones que sufre el material.
Figura 70. Deformaciones en el acero inoxidable.
Figura 71. Representación de resultados.
4.1.4 Estructura
Para el caso de la estructura se analizará por tramos debido a que el software solo contiene
el modulo GPS. Para la parte de la estructura donde se tiene sujeto la barra para el
dispensador de bolsa es necesario conocer las reacciones que se generan, el cálculo de estas
se obtiene mediante MDSOLID (Figura 72).
92
Figura 72. Reacciones en el abastecedor de bolsa.
Las reacciones son:
Las propiedades mecánicas del PTR son:
Tabla 80. Propiedades mecánicas PTR
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo de Young 200 GPa
Resistencia a la fluencia 196 MPa
Se obtiene le esfuerzo de trabajo:
Con lo anterior procedemos a obtener el FEM.
Para la barra en la posición A.
Figura 73. Soporte de la barra para bolsa (A)
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 74).
93
Figura 74. Representación de resultados.
Se observa que el esfuerzo máximo es de
, lo que indica que el material no
sufrirá fallas, ya que no sobrepasa el esfuerzo de trabajo.
Para la barra en la posición B.
Figura 75. Soporte de la barra para bolsa (B)
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 76).
Figura 76. Representación de resultados.
94
Se observa que el esfuerzo máximo es de
, lo que indica que el material no
sufrirá fallas, ya que no sobrepasa el esfuerzo de trabajo.
Analizaremos a la estructura que soportara el módulo de dosificación.
La fuerza en esa parte de la estructura es:
Con lo anterior procedemos a obtener el FEM.
Figura 77. Soporte de la barra para bolsa (A)
Se presenta la información sobre el estudio (Figura 78).
Figura 78. Representación de resultados.
Se observa que el esfuerzo máximo es de
, lo que indica que el material no
sufrirá fallas, ya que no sobrepasa el esfuerzo de trabajo. También se presentan las
deformaciones.
95
Figura 79. Deformaciones en el acero inoxidable.
Representación de resultados.
Figura 80. Representación de resultados.
Con esto validamos que toda la estructura no presentara fallas el momento en el que esté
trabajando.
96
PARTE II
“MANUFACTURA Y ARMADO DE
LA MAQUINA”
97
Capítulo 5
Estructura Mecánica
98
5.1 ESTRUCTURA BASE
5.1.1 Herramienta utilizada
Para la manufactura de la maquina embolsadora y pesadora primeramente se adquirió la
herramienta necesaria para el trabajo de la estructura mecánica, como lo es:
Planta para soldar
Equipo de seguridad
Electrodos para soldar
Laminas de acero inoxidable
Barras de PTR
Cortadora
Taladro
Herramienta complementaria, como pinzas, llaves de turcas, tornillos, escuadras,
brocas, etc.
Inicialmente la planta para soldar (Figura 81) es una de las herramientas más importantes,
necesaria para la manufactura y la unión de las piezas metálicas por las cuales va a
componerse la totalidad de la estructura mecánica.
Figura 81. Planta para soldar y guates de seguridad
Así como la cortadora (Figura 82) la cual proporciona los cortes y las medidas adecuadas
para la composición de cada pieza.
Figura 82. Cortadora, casco para soldar y lentes de seguridad
99
5.1.2 Componentes de Acero Inoxidable
Lo primero es realizar los cortes necesarios a las láminas de acero inoxidable para dar
forma a las piezas iniciales del proyecto, para este caso la tolva de dosificación de azúcar.
Como se observa en la Figura 83.
Figura 83. Calibración de la cortadora para ángulos rectos
Se realizo el corte de las láminas de acero inoxidable para la construcción de las tolvas, esto
a partir de láminas de un calibre 20 y la herramienta prestada por la empresa patrocinadora
(Figura 84).
Figura 84. Corte de PTR.
El primer componente fabricado fue la tolva de almacenamiento contenedora de los
200Kg. de azúcar utilizados como insumo para el embolsado y sellado de las porciones
dosificadas de 1Kg. Como se muestra en las siguientes figuras.
Figura 85. Tolva de dosificación, vista lateral.
100
Figura 86. Tolva de dosificación, vista inferior
Figura 87. Tolva de dosificación, vista superior
De igual manera y posterior a la tolva de almacenamiento se procedió a la manufactura de
las rampas vibratorias cuya función consta en el traslado del azúcar a la sección de
pesado, como se puede apreciar en la Figura 88.
Figura 88. Rampas vibratorias.
Siguiendo con el desarrollo de la manufactura de los dispositivos el prototipo, se realiza la
tolva principal, diseñada con el ángulo especifico para la adecuada caída del azúcar y su
debido trasporte desde la sección de pesado al área de sellado.
Este componente es el que recibe el azúcar de los contenedores de pesado que trabajan
síncronamente y poder direccionar el azúcar íntegramente a área de embolsado platico. A
continuación se muestra la tolva obtenida.
101
Figura 89. Tolva principal, vista lateral
Figura 90. Tolva principal, vista superior
Figura 91. Tolva principal, vista inferior
Una vez finalizada la tolva principal se continua con la fabricación de los dispositivos de
pesado, diseñados para recibir el azúcar y realizar la medición de 1Kg. de azúcar mediante
celdas de carga. A continuación se muestran los dispositivos de almacenamiento del área
de pesado.
Figura 92. Dispositivos de pesado.
102
5.1.3 Estructura de PTR
Una vez obtenidas las principales piezas del prototipo se procede a la manufactura de la
estructura principal para el soporte de la totalidad del prototipo esto, realizado con barras
de PTR (Figura 93) para soportar adecuadamente la totalidad del peso del prototipo y del
azúcar.
Figura 93. PTR utilizado
Una vez que se han realizado las mediciones respectivas, se continua con el corte de las
piezas (Figura 94) para posteriormente soldarlas (Figura 95) formando de esta forma la
estructura básica de la máquina (Figura 96).
Figura 94. PTR cortado
Figura 95. Soldado de PTR
Figura 96. Estructura básica de PTR
103
5.1.4 Acople de estructura base
Una vez terminada la construcción de la estructura se procede a realizar el acople de los
primeros dispositivos con la estructura, para la verificación de las medidas diseñadas y su
debido ajuste.
Esto para asegurar la adecuada forma y medidas del PTR, debido a que la pieza de acero
inoxidable no va soldada al PTR y debe ir sostenido solo por el ajuste con el PTR y el
soporte del mismo.
Figura 97. Prueba de ajuste de la estructura.
Ya establecida la pieza de abastecimiento y dosificación de azúcar, se prosigue con el
acople de las rampas vibratorias, esto mediante la fabricación de los soportes de PTR
(Figura 98) que son añadidos posteriormente a la estructura base.
Figura 98. Estructura de soportes de las rampas vibratorias.
Una vez obtenidos los soportes de PTR que se añadirán a la estructura base, estos se
ajustan a sus respectivas rampas vibratorias para asegurar su ajuste y su adecuada
manufactura.
Figura 99. Rampas vibratorias unidas a la estructura de los soportes.
104
Ya acopladas las piezas de las rampas vibratorias estas se añaden a la estructura base
(Figura 100) con un ángulo de 25º esto para que la fricción del azúcar la mantenga estática
mientras que los vibradores están detenidos, y a su funcionamiento, el azúcar comience a
deslizarse hacia los pesadores.
Figura 100. Rampas vibratorias añadidas a la estructura base
Después de realizar las añadiduras de las rampas, se continúa con la tolva general, por lo
que se manufactura su estructura de soporte y se añade de igual manera a la estructura
general. Dejando el espacio necesario para el posterior acople de los dispositivos de
pesado y sus celdas de carga.
Figura 101. Tolva principal añadida a la estructura general.
105
Capítulo 6
Control electrónico y neumático
106
6.1 CONTROL ELECTRÓNICO
6.1.1 Sensores para pesado
Los dispositivos de pesado no cuentan con una estructura de soporte como tal, realizada
de PTR, como es en el caso del resto de los contenedores, tolvas y rampa, si no que es
acoplado por medio de la unión que tiene con la celda de carga y esta a su vez atornillada
a la estructura (Figura 103), por lo que los contenedores de pesado se mantienen
adheridos a la estructura solo por la unión que tiene con las celdas de carga (Figura 102).
Figura 102. Contenedores de pesado unidos a la estructura base
Figura 103. Celdas de carga unidas a la estructura
También se aprecian algunos de los productos adquiridos para el posterior desarrollo del
proyecto como son el controlador de temperatura tipo PID junto con su cable de conexión
(Figura 104), además del PLC (Figura 105) y las guías que se utilizaran en el mecanismo de
desplazamiento del dispositivo de sellado y corte (Figura 106).
Figura 104. Controlador de temperatura tipo PID y cable utilizado.
107
Figura 105. PLC Micrologics utilizado.
Figura 106. Guías para el deslizamiento de selladores térmicos horizontales
A su vez también fueron maquinados algunos de los productos obtenidos para el
consecuente seguimiento de la maquina en su totalidad como se puede apreciar en la
Figura 107, en su totalidad piezas complementarias para el armado del dispositivo de
sellado y corte.
Figura 107. Piezas complementarias maquinadas.
108
6.1.2 Control del subsistema de embolsado
A su vez se puede observar la adquisición del primer insumo básico para las pruebas
iniciales del funcionamiento de la maquina, este es el Polipropileno Biorientado, destinado
a formar las bolsas que contendrán el azúcar dosificada por el proyecto, como se puede
apreciar en la Figura 108.
Figura 108. Polipropileno Biorientado.
Durante el desarrollo del proyecto al observar la dificultad de adquisición del actuador
lineal, se opto por sustituir este por un mecanismo de engranes, motores (Figura 109) y
tornillo sin fin (Figura 110), que se muestran a continuación.
Figura 109 Motores para el mecanismo de sellado
Figura 110. Tornillo sin fin
Se muestran en la Figura 111 las bases de nylamid diseñadas para sostener los ejes sobre los
que se llevara el movimiento vertical del dispositivo de sellado y corte.
109
Debido a las modificaciones realizadas se añaden los cálculos de los dispositivos
implementados como sustitutos del actuador lineal reemplazado.
Abastecedor
2
1
1
2
N
N
W
W
W1=250 RPM
W2=150 RPM
Proponemos un engrane 51025
4
''31 E
11 b
N1=25
Pd=10
2
25
250
150
N
0.6N2=25 N2=42 dientes
Engrane 1
4
''31 E
''11 b
N1=25 dientes
Pd=10
Engrane 2
16
''512 E
12 b
N2=42 dientes
Pd=10
Distancia entre centros
Pd
NNc
2
21
c=3.35’’
Interferencia Para E1
375.08
3
2
43ar
363.02
))5.14)(cos(43(br
))5.14(()35.3()363.0(375.0 222 sen
0.375<=0.9139 No hay interferencias
Para E2
6562.02
16
51
ar
6353.02
))5.14)(cos(3125.1(br
))5.14(()35.3()6353.0(6562.0 222 sen
0.6562<=1.05 No hay interferencia
110
Tornillo sin fin
Tornillo s/fin
2
1
1
2
N
N
W
W
W1=250 RPM
W2=1000 RPM
Proponemos un engrane 51254
4
''31 E
4
''31 b
N1=54 dientes
Pd=12
5.14
2
1
1
2
N
N
W
W
2
54
250
1000
N 5.13
4
542 N
N2=14 dientes
Engrane 1
4
''31 E
4
''31 b
N1=54 -51214
Pd=12
Engrane 2
2
''12 E
4
''32 b
N2=14 -51214
Pd=12
)12(2
1454 c c=2.833’’
Interferencia par E1
375.02
''43ar
363.02
))5.14)(cos(43(br
No hay interferencia 0.375<=0.9139
Para E2
25.04
1
2
21ar
242.02
))5.14)(cos(21(br
))5.14(()83.2()242.0(25.0 222 sen
0.25<=1.43 No hay interferencia
111
Figura 111. Bases de nylamid para soporte de ejes.
Prosiguiendo el desarrollo del control electrónico destinado a funcionar como interfaz de
usuario –maquina, se observan las pruebas y arreglo del circuito utilizado.
Figura 112. Control electrónico.
También se muestra la fuente de alimentación destinada energizar el PLC, el control
electrónico y la interfaz de usuario de la totalidad de la maquina.
Figura 113. Fuente de alimentación.
Una vez adquiridos la mayor parte de los elementos complementarios, se continúa con el
armado de la estructura base, a la cual le es soldada la estructura de soporte para el
doblador y el tubo por el cual correrá el azúcar para ser embolsada.
112
Figura 114 Estructura de soporte para sección de sellado y corte.
Continuando con la parte de termosellado y corte, se muestra el diagrama de conexión
(Figura 115) de los elementos térmicos utilizados para realizar el termosellado plástico de
las bolsas fabricadas.
Figura 115. Diagrama de conexión para elementos térmicos.
Posteriormente se realizaron las placas de cobre PCB (Figura 116) para el adecuado
funcionamiento y estabilidad del control electrónico además de sus debidas pruebas de
continuidad y funcionamiento para asegurar el control de la interfaz.
Figura 116. Control electrónico.
113
6.2 CONTROL NEUMÁTICO
6.2.1 Componentes del control neumático
A la par que se realizan la manufactura y la unión de los dispositivos principales formados
por PTR y acero inoxidable también se adquieren las piezas de nylamid necesarias para el
acople de diversas piezas y actuadores neumáticos que posteriormente darán el
funcionamiento dinámico a la totalidad del proyecto.
Figura 117. Pistones, soportes de sensores y soportes de pistones.
En las siguientes figuras se muestran también algunos de los componentes variados que
fueron utilizados durante el desarrollo de las siguientes etapas, como la unidad de
mantenimiento neumático, algunas piezas de tornillería y de acople mecánico, como
baleros y tuercas.
Figura 118. Unidad de mantenimiento neumático.
Figura 119. Tornillería, bujes y baleros.
114
6.2.2 Subsistema de sellado y corte
A continuación se muestra el mecanismo de sellado implementado junto con los
actuadoras neumáticos en funcionamiento durante las primeras pruebas de ajuste y
control neumático.
Figura 120. Apertura y cierre de sistema de sellado térmico.
Se maquino también una caja de engranes implementada para contener el mecanismo de
reducción de velocidad en el dispositivo de desplazamiento vertical del sellador plástico.
Figura 121. Caja de engranes.
Se puede apreciar también el acople de los cilindros neumáticos y su funcionamiento más
de cerca en el dispositivo de sellado y corte en la siguiente Figura.
Figura 122. Funcionamiento de los cilindros neumáticos en el dispositivo de sellado.
115
CONCLUSIONES.
Durante el desarrollo del análisis y el diseño de los módulos del sistema mecatrónico se
tuvo que enfrentar a varias problemáticas no contempladas previamente, como la selección
de algunos actuadores después de la elección de determinado dispositivo mecatrónico.
Entre algunas de las principales modificaciones realizadas esta la implementación de un
tornillo sin fin, debió a la poca disponibilidad que se observo para la adquisición del
actuador lineal previamente seleccionado y calculado.
Al añadir el tornillo sin fin, se presentaron algunos inconvenientes en el acople y diseño de
los componentes mecánicos añadidos como los engranes, los bujes y la caja de engranaje.
A su vez existieron también algunos detalles con la implementación de las electroválvulas
debido a que estas funcionan como es debido, solo después de realizar adecuadamente las
conexiones con el compresor y este entregue a las conexiones neumáticas la presión
nominal de las mismas electroválvulas.
Posteriormente se añadirán al proyecto algunos otros elementos complementarios como una
escalera para la facilidad de llenado de azúcar de la maquina y el laminado de exterior, esto
solo para fines estéticos y de conservación de los componentes internos del proyecto.
116
ANEXOS
B
COSTOS
Se presenta un costo estimado de los componentes del sistema.
Costo estimado
Tabla 1-A Costos del proyecto.
Material Cantidad Costo unitario Importe
Lámina de acero inoxidable 8 455$ 3,640$
PTR 9 226$ 2,034$
Compresor 1 2,000$ 2,000$
Unidad de mantenimiento 1 780$ 780$
Relevadores 6 120$ 720$
Pistones 5 700$ 3,500$
Actuador lineal 1 3,000$ 3,000$
Tubo felxible 1 500$ 500$
Resistencias térmicas 3 40$ 120$
PLC 1 5,200$ 5,200$
Interfaz 1 300$ 300$
Celdas de carga 2 900$ 1,800$
Motor vibrador 2 900$ 1,800$
Motor abastecedor 1 1,200$ 1,200$
Control de temperatura 1 522$ 522$
Válvula de distribución 1 400$ 400$
Electroválvula 6 300$ 1,800$
Nyalmid 1 600$ 600$
Aluminio 1 500$ 500$
Bronce 1 150$ 150$
Acero 1 400$ 400$
Guías rectificadas 1 400$ 400$
Procesos de Manufactura 8 1,200$ 9,600$
Mano de obra 3 10,000$ 30,000$
Otros 1 400$ 400$
Total 71,366$
Costo estimado
La empresa “GRUPO COMERCIAL JUANES” patrocinará el gasto total de la presente máquina.
C
ACERCA DEL DISEÑO
Este apartado está dedicado a mencionar el tipo de diseño ocupado en este trabajo, además
de explicar cada uno de los pasos realizados.
“El diseño de Ingeniería es toda actividad necesaria para definir soluciones a problemas
específicos que no se han podido resolver con anterioridad, o nuevas soluciones a
problemas resueltos de forma diferente”20
.
Existen dos formas por las cuales se puede llevar a cabo el diseño de productos o sistemas
que son:
Diseño secuencial21
.
Diseño concurrente 22
El diseño concurrente tiene ventajas sobre el diseño secuencial debido a lo que se observa a
continuación (Figura 1-A).
Figura 1-A. Esquema del diseño secuencial y del diseño concurrente.
20 The Institution of Engineering Design.
21 Salvador Capuz Rizo. Ingeniería concurrente para el diseño de producto. Universidad Politécnica de Valencia.
22 Carles Riba Romeva. Diseño concurrente. ed. UPC, 2002.
D
A sabiendas de que el modulo que se explica en este apartado es un dispositivo
Mecatrónico debemos basarnos en el diseño concurrente, puesto que abarca los pasos
necesarios para un correcto desarrollo del dispositivo.
El diseño Mecatrónico23
se considera un diseño concurrente puesto que ambos relacionan
de forma paralela el desarrollo de las áreas implicadas en la realización de la tarea
especificada.
Diseño Mecatrónico: es toda actividad necesaria para definir y generar soluciones a
problemas específicos existentes que no se ha podido resolver con anterioridad, o nuevas
soluciones a problemas ya resueltos; considerando de manera concurrente y sinérgica el
alcance y la aplicación de cada una de las disciplinas elementales en la Mecatrónica
(mecánica-electrónica-control) involucradas para la solución desde la etapas iniciales del
proceso de diseño 14
.
Para iniciar con el Proceso de Diseño Mecatrónico es necesario realizar un estudio de
mercado el cual nos arrojara las necesidades generadas para la realización de una tarea
específica.
Teniendo una idea clara de la tarea que se desea realizar en necesario sugerir diferentes
tipos de dispositivos mecatrónicos que puedan resolver este problema, pero es importante
acotar los requerimientos y especificaciones que debe de cumplir dicho dispositivo, es
donde aparece el PSD (Product Design Specifications)24
.
El PDS debe cumplir dos tareas principales:
Definición del área del problema.
Formulación exacta del problema: definir todas las funciones, especificaciones y
restricciones.
23 Bradley & Russell. Mechatronics in Action: Case Studies in Mechatronics - Applications and Education. London:
Springer Series, 2010.
24 Kenneth Hurst. Engineering Design Principles. New York: Elselvier, 2004.
E
LLUVIA DE IDEAS
Basándonos en la técnica de innovación “Lluvia de ideas”25
, proponemos una serie de
palabras que tienen el propósito de generar posibles soluciones al problema que se está
abordando.
ANÁLISIS MORFOLÓGICO
El análisis morfológico26
(MA) se considera como un método de investigación de la
totalidad de las relaciones contenidas en multi-dimensional, los complejos problemas por lo
general no cuantificables. Fundamenta en la investigación de las condiciones de frontera y
virtualmente ayuda a los participantes a examinar conFiguraciones contrastantes y posibles
soluciones.
PROCEDIMIENTO:
El problema a resolver tiene que ser muy concisa formulada.
Todos los parámetros que podrían ser de importancia para la solución del problema
dado que debe ser localizado y analizado.
Se construye La caja morfológica o matriz multidimensional, que contiene todas las
posibles soluciones del problema dado.
Todas las soluciones contenidas en el cuadro morfológico son minuciosamente
analizadas y evaluadas con respecto a los propósitos que se quieren lograr.
La selección de la solución más adecuada se apoya de métodos que complementa al
estudio morfológico.
Después de haber realizado la lluvia de ideas procedemos a realizar el análisis
morfológico, lo que nos ayudara a crear diferentes diseños conceptuales.
Después procedemos a realizar los diferentes diseños conceptuales [8] conforme a
la elección de las características y la posible solución, para poder visualizar de
forma clara las posibles conFiguraciones del dispositivo.
25 Bernard Demory. Técnicas de creatividad.
26 Fritz Zwicky. General Morphological Analysis. Morphologie and Policy Analysis.
F
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE
DOSIFICACIÓN.
1. Tipo del dosificador: Se debe elegir alguno de los dosificadores que se presentaron,
teniendo en cuenta cuales son las ventajas y desventajas que tiene cada uno de ellos
para elegir el que cumplas nuestras expectativas.
2. Forma del dosificador: Esta característica es muy importante debido a que de esta
dependerá el comportamiento azúcar y cuál será la forma en que se trasladara al
módulo de para pesar.
3. Tipo de alimentador: Se debe tener en cuenta cuál es la trayectoria que debe seguir
el azúcar, del módulo de almacenamiento al de pesado; con ello conoceremos cual
es la forma de realizar ese traslado.
4. Sujeción de actuadores: Son los elementos con los cuales se fijaran los actuadores
neumáticos o eléctricos.
5. Materiales: Debido a que se está trabajando con alimentos, es necesario tener en
cuenta que los materiales deben de regirse bajo normas que nos delimiten que deben
de ser grado alimenticio.
6. Actuadores: Se toma en cuenta cuales son los posible actuadores que utilizaremos
para que realicen el traslado del azúcar. Estos pueden ser eléctricos o neumáticos.
7. Alimentación: Existen principalmente dos tipos de alimentación CA y CD, debemos
de conocer cuál de ellas es la mejor opción para la mayoría de le elementos
elegidos.
G
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE
PESADO.
1. Forma del dosificador: Esta característica es muy importante debido a que de esta
dependerá el comportamiento azúcar y como se pesara la misma, además como se
ejecutara el traslado al módulo de embolsado.
2. Sensor para pesar: Es necesario tomar en cuenta los elementos con los que se cuenta
para realizar la conversión de la masa de un cuerpo a señales eléctricas, las cuales se
cuantificarán para la lectura de la cantidad de azúcar añadida en cada dosificador.
3. Sujeción de sensores y actuadores: Esta característica se refriere a la forma en la
cual se fijarán los elementos de sensado y actuación neumática, de esta dependerá
que los elementos realicen de forma correcta su función y exista estética.
4. Materiales: Debido a que se está trabajando con alimentos, es necesario tener en
cuenta que los materiales deben de regirse bajo normas que nos delimiten que deben
de ser grado alimenticio.
5. Acople de actuadores a dosificador: De esta característica depende el cierre y la
apertura del dosificador, además de que no exista desperdicio de azúcar al momento
de trasladarla al siguiente módulo.
6. Actuadores: Se toma en cuenta cuales son los posible actuadores que utilizaremos
para que realicen la tarea de apertura/cierre. Estos pueden ser eléctricos, neumáticos
o hidráulicos.
7. Alimentación: Existen principalmente dos tipos de alimentación CA y CD, debemos
de conocer cuál de ellas es la mejor opción para la mayoría de le elementos
elegidos.
8. Localización de sensor: Es una característica primordial debido a que la correcta
localización del sensor ayudará a realizar la medición correcta del azúcar y poder
calibrarlo de forma sencilla, además de tener un fácil manejo de él al momento del
ensamble.
9. Apertura y cierre del dosificador: Se debe tomar en cuenta cuál será la forma en que
el dosificador debe abrir/cerrar para que no exista desperdicio de azúcar,
conjuntamente evitar el rozamiento o que exista algún choque que perjudique el
proceso.
H
CARACTERÍSTICAS REQURIDAS PARA DISPOSITIVO DE
EMBOLSADO.
1. Material de la embolsadora: Debido a que se está trabajando con alimentos y esta
parte de la máquina estará haciendo contacto directamente con ellos, es necesario
tener en cuenta que los materiales deben de regirse bajo normas que nos delimiten
que deben de ser de grado alimenticio.
2. Tipos de dobladores: Es una característica importante porque se debe de tomar en
cuenta la manera de doblar la película plástica y darle la forma de bolsa sin que se
presente algún atasco y posteriormente pueda sellarse.
3. Tipo de embolsado: Esta característica se refriere a la manera de introducir el
producto a la bolsa y la dirección por la que corre.
4. Posición del abastecedor plástico: Es importante saber la posición del abastecedor
para que la película no tenga dificultad de llegar al doblador y que llegue a este
ligeramente tenso, para que corra adecuadamente.
5. Material del abastecedor plástico: Esta sección es más flexible en cuanto materiales,
debido a que el abastecedor no hace contacto directo con la bolsa, sino que se monta
el rodillo en el que esta enrollada la película plástica.
I
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE
DOSIFICACIÓN
1. Costo de elementos: debe de importar desde el punto ingenieril, debido a que se
debe seleccionar elementos que cumplan con la función que se desea, pero debe de
ser accesible la adquisición de estos.
2. Costo de manufactura: se debe conocer el costo de cada proceso, y diferentes
procesos que realicen algo similar, con ello se realiza un estudio económico para
poder elegir el proceso idóneo.
3. Cantidad de piezas a ensamblar: se toma en cuenta DFA, es decir, a menor número
de piezas, el ensamble será fácil y con mayor rapidez.
4. Tiempo de manufactura: es necesario tener en cuenta cual es el lapso de tiempo que
transcurrirá al momento de manufacturar los elementos de este módulo.
5. Consumo energético: es muy importante puesto que nos predice, cuál será el
consumo de energía del módulo de dosificación.
6. Acoplamiento: es la forma en la cual se hará el ensamble de cada pieza y elemento
de forma sencilla, para que pueda ser ensamblado por cualquier persona.
J
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE
PESADO
1. Precisión: Es muy importante debido a que se requiere un error del 2-5%, lo
cual representa que se está trabajando dentro del margen permitido. También
con este criterio se logrará que exista un ahorro en el azúcar, lo cual logrará que
exista un ahorro financiero al productor.
2. Velocidad de pesado: Depende de la velocidad de respuesta del sensor que se
utilice, es una parte medular de la velocidad de todo el proceso.
3. Costo de elementos: Muy importante desde el punto de vista ingenieril, debido a
que se debe seleccionar elementos que cumplan con la función que se desea,
pero debe de ser accesible el costo de estos.
4. Procesos de manufactura: Se debe tener en cuenta cual será la dificultad que se
presentará al momento de realizar la manufactura de cada elemento diseñado,
así como el tiempo que llevara.
5. Cableado: Es de vital importancia que no existan interferencias tantos de los
cables como de las tuberías de aire comprimido al momento de estar realizando
el proceso, ya que esto representa un riesgo al sistema.
6. Acoplamiento: Es la forma en la cual se hará el ensamble de cada pieza y
elemento de forma sencilla, para que pueda ser integrada por cualquier persona.
7. Desgaste mecánico: De esta característica podremos calcular y conocer el
periodo de vida de cada elemento funcional del módulo, además de conocer la
confiabilidad que tiene el mismo.
8. Consumo energético: Es muy importante puesto que nos predice, cuál será el
costo de cada sistema de alimentación para nuestro sistema.
9. Costo de manufactura: Se debe conocer el costo de cada proceso, para poder
tener una idea de cuál será el proceso que necesito y ellos es de costo accesible.
K
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL DISPOSITIVO DE
EMBOLSADO
1. Facilidad de maquinado: Es necesario tomar en cuenta cual será los procesos y
la dificultad para manufacturar los elementos del dispositivo, así como el tiempo
que llevara realizarlos.
2. Facilidad de mantenimiento: El mecanismo debe diseñarse de manera que las
piezas que deban cambiarse cada cierto tiempo, sean fácil de desmontar y volver
a colocar, además los repuestos deben ser accesibles.
3. Agilización del proceso: Se refiere a la velocidad a la que se realiza el proceso
de embolsado.
4. Costo: Se debe conocer el costo de cada proceso y de los materiales para poder
estimar un costo accesible.
5. Simplicidad del proceso: Es importante realizar mecanismos simples que
igualmente faciliten el proceso, que se traduce en menor cantidad de piezas,
menor cantidad de procesos, menor costo y mayor velocidad del proceso.
L
VIRTUALIZACIÓN DE DISEÑOS CONCEPTUALES
Después de tener las soluciones para cada característica que se indica, en cada uno de los
diseños conceptuales procedemos a virtualizar cada uno de ellos con la ayuda de software
CAD27
(Computer Aided Design).
SELECCIÓN DEL DISEÑO CONCEPTUAL
Procedemos a dar las ponderaciones para los criterios de selección28
.
Se enlistan los criterios de selección.
Después se realiza la tabla de pertenencia de cada uno de los criterios de selección.
Una vez realizado la comparación de los criterios de selección, se procede a realizar
la ponderación de los diseños conceptuales con respecto a las calificaciones
propuestas.
Finalmente se observa cuál de los diseños conceptuales cumple con la mejor calificación en
requerimientos y características para poder desarrollar de forma óptima la tarea que debe de
realizar el módulo correspondiente.
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE DOSIFICADO.
Requerimientos de rendimiento
Función: Dosificar azúcar.
Fiabilidad: El ciclo de operación será 4 horas/día.
Condiciones ambientales:
Temperatura ambiente 18 a 25°C.
Zona de trabajo cerrada.
Humedad 2%.
27 http://www.arquitectura.com/cad/artic/elcad.asp.
28 Kenneth Hurst. Engineering Design Principles. New York: Elselvier, 2004.
M
Ergonomía: Con escalones para poder vaciar el azúcar al dosificador.
Calidad: Inexistencia de derrames.
Peso/Dimensiones: 25Kg. Con dimensiones calculadas para tener una capacidad de
almacenaje de 200Kg.
Requerimientos de Manufactura
Procesos: Montar y desmontar el dosificador.
Materiales:
Resistente a la corrosión.
Grado alimenticio.
Superficie lisa.
Resistencia a cargas continúas.
Deformaciones mínimas.
Ensambles:
Con la estructura general.
Con el sistema de pesado.
Con el sistema de embolsado.
Empaque/Envío: Desensamblado.
Producción: 1 pieza.
Tiempo de entrega: 9 meses.
N
Requerimientos de Operación
Modo de operación: Automático.
Instalación: Suelo de concreto.
Mantenimiento: Limpieza de la superficie, servicio al sistema vibratorio.
Equipo existente:
Laboratorios de electrónica.
Taller de manufactura.
Herramienta mecánica.
Equipo para soldar.
Nivel de automatización: Unidad que compone maquinaria.
Seguridad: gafas de seguridad, distancia de operación, paro de emergencia.
Riesgos:
Falla en el sistema vibratorio.
Mala sujeción del dosificador o alimentador.
Requerimientos Normas y estándares
Pruebas: Llenado del dosificador y verificación de que el flujo es un flujo másico; control
de apertura y cierre de compuertas con y sin producto.
Estándares: NORMA NSF/ANSI 51, NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-251-SSA1-
2009.
Patentes: no existe.
O
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE PESADO.
Requerimientos de rendimiento
Función: Realizar el pesado del azúcar con un margen de error 2-5%.
Apariencia:
Compacto.
Fácil armado.
Visualización de la mayoría del proceso.
Fiabilidad: El ciclo de operación será 4 horas/día
Condiciones Ambientales:
Temperatura ambiente 18 a 25 º C.
Zona de trabajo cerrado.
Humedad 2%.
Calidad:
Cumplir con el margen de error establecido.
La velocidad para pesar sea al menos cada 2 segundos.
Peso y Dimensiones: Por estimarse.
Requerimientos de Manufactura
Procesos:
Recibir el azúcar del módulo de dosificado.
Trasladar el azúcar que se pesó al módulo de embolsado.
Materiales:
P
Deformaciones mínimas.
Resistente a la corrosión.
Superficie lisa.
Ensambles:
Fácil ensamble.
Sujeción por tornillos y bases manufacturadas.
Empaque/envió: no aplica
Producción: 1 prototipo
Tiempo de entrega: 9 meses
Requerimiento de Operación
Modo de operación: Automático
Tipo de operación: Intermitente
Instalación:
Estructura fija.
Sujeción por tornillería.
No debe de existir vibraciones.
Forma sencilla para colocar actuadores y sensores.
Operación: Se requiere de 1 operador con conocimientos básicos del prototipo.
Mantenimiento:
Calibración de la celda de carga.
Limpieza en los dosificadores.
Lubricación (sin aceite) de apertura /cierre de dosificadores.
Q
Equipo existente:
Laboratorios de electrónica.
Taller de manufactura.
Herramienta mecánica.
Taller de neumática.
Nivel de Automatización: Nivel de Dispositivo.
Seguridad:
Operador: uso de ropa adecuada (botas, no ropa holgada, etc.)
Dispositivo:
No existir vibraciones en él.
Colocar de forma correcta los dosificadores.
Producto:
Llegada del producto a granel.
Colocación adecuada de la tolva.
Riesgos:
Operador:
Exista la posibilidad de que se le caiga el dispositivo al no existir un manejo
adecuado del mismo.
Dispositivo:
Mal calibrado.
Lugar inadecuado para el trabajo.
R
Producto:
Exceda el margen de error establecido.
Requerimientos Normas y Estándares
Pruebas: el margen de error al pesar tienda a 0.
Requerimientos Normas y Estándares
Estándares: NORMA NSF/ANSI 51, NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-251-SSA1-
2009
Patentes: no existe.
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE EMBOLSADO
Requerimientos de rendimiento
Función: Abastecer regular y posicionar adecuadamente el plástico para su posterior
sellado y utilización en la fabricación de la bolsa.
Apariencia:
Visible en su totalidad
Limpio.
De tipo metálico
Atractivo a la vista.
Fiabilidad: el ciclo de operación será 4 horas/día
Condiciones ambientales:
Temperatura ambiente 18 a 25 º C.
Zona de trabajo cerrado.
Humedad 2%.
S
Calidad:
Buen desempeño de su función
Perfecta sincronía con el resto de los procesos
Fácil deslizamiento del plástico debido a la ausencia de rugosidades o
imperfecciones que pudieran dañar la hoja plástica.
Peso/Dimensiones: Por estimarse.
Requerimientos de manufactura
Procesos: Doblado de lámina, soldadura, perforado.
Materiales:
Para las láminas dobladoras:
Acero inoxidable de baja dureza
Alta maleabilidad.
Para el abastecedor:
Hierro de dureza media
Baja maleabilidad
Alta resistencia.
Ensambles:
Ajuste a las dimensiones específicas de la tolva
Sincronización con el sistema de sellado.
Empaque/Envío: No aplica.
Producción: 1 Prototipo.
Tiempo de entrega: 30 días.
T
Requerimientos de operación
Modo de Operación: Automático.
Tipo de Operación: Continua.
Instalación: Acorde al tipo de bolsa a utilizar y las dimensiones de los rollos de plástico, la
laminas dobladoras acopladas a la tolva y el abastecedor oculto dentro del sistema.
Operación: Supervisión de una sola persona.
Mantenimiento:
Procurar que el abastecimiento plástico este siempre lleno
No exista alguna anomalía en el camino del plástico.
Especificar el tamaño de bolsa que se requiere y el tamaño del plástico que es
utilizado.
Equipo existente:
Laboratorios de electrónica.
Taller de manufactura.
Herramientas mecánicas.
Nivel de Automatización: Proceso de embolsado totalmente automatizado.
Seguridad:
Para el operador: No acercarse con demasía al proceso realizado por el sistema.
Para el dispositivo: Mantenerse en supervisión en caso de falla o anomalía dentro
del proceso.
Riesgos: El dispositivo pudiera fallar si el plástico utilizado se atascara en un componente.
U
Requerimientos Normas y Estándares.
Pruebas: Observación de un buen formado de la bola y un adecuado desplazamiento del
plástico.
Estándares: NORMA NSF/ANSI 51, NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-251-SSA1-
2009.
Patentes: No existen.
CRITERIOS PDS DEL SISTEMA DE SELLADO
Requerimientos de rendimiento
Función: Realizar la unión de los extremos del polímero utilizado para la generación de la
bolsa destinada a contener el azúcar dosificada.
Apariencia:
Visible en su totalidad
Limpio.
Atractivo a la vista.
Compacto
Fiabilidad: el ciclo de operación será 4 horas/día
Condiciones ambientales:
Temperatura ambiente 18 a 25 º C.
Zona de trabajo cerrado.
Humedad 2%.
Calidad:
Buen desempeño de su función
V
Perfecta sincronía con el resto de los procesos
Rápido deslizamiento del plástico después del sellado.
Requerimientos de manufactura
Procesos: Armado, soldadura, perforado, afilado.
Materiales:
Para los selladores:
Acero inoxidable de baja dureza
Alta maleabilidad.
Para la cuchilla:
Hierro de dureza media
Alta maleabilidad
Alta resistencia.
Ensambles:
Ajuste a las dimensiones específicas de la bolsa.
Sincronización con el sistema de pesado.
Producción: 1 Prototipo.
Tiempo de entrega: 30 días.
Requerimientos de operación
Modo de Operación: Automático.
Tipo de Operación: Continua.
Instalación: Acorde al tamaño de la bolsa, acoplado a la salida de la tolva y sincronizado
con la dosificación y el pesado.
W
Operación: Supervisión de una sola persona.
Mantenimiento:
Procurar que los selladores se mantengan en buen estado.
Mantener la cuchilla afilada.
Mantener lubricados y en buen estado los actuadores neumáticos.
Equipo existente:
Laboratorios de Neumática.
Taller de manufactura.
Herramientas mecánicas.
Laboratorio de Electrónica.
Nivel de Automatización: Proceso de sellado y corte totalmente automatizado.
Seguridad:
Para el operador: No acercarse con demasía al proceso realizado por el sistema.
Para el dispositivo: Mantenerse en supervisión en caso de falla o anomalía dentro
del proceso.
Riesgos: El dispositivo pudiera fallar si el plástico utilizado se atascara en un componente.
Requerimientos Normas y Estándares.
Pruebas: Observación de un buen formado sellado de la bolsa y un adecuado corte y
desplazamiento del plástico.
Estándares: NORMA NSF/ANSI 51, NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-251-SSA1-
2009.
Patentes: No existen.
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