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DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE CILINDROS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA
PLANTA DE FLEXA COLOMBIA
JUAN CAMILO CUERVO MEJIA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI 2013
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DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE CILINDROS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA
PLANTA DE FLEXA COLOMBIA
JUAN CAMILO CUERVO MEJIA
Pasantía institucional para optar el título de INGENIERO MECATRÓNICO
Director
WILLIAM GUTIÉRREZ MARROQUIN Magister en Ingeniería
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI 2013
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Nota de aceptación: Aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.
JIMMY TOMBÉ ANDRADE
Jurado
JESÚS ALFONSO LÓPEZ
Jurado
Santiago de Cali, 16 Agosto de 2013
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AGRADECIMIENTOS
Agradecerle a DIOS por permitirme llegar y cumplir con esta etapa de mi vida y a mi Madre, por su constante apoyo, sacrificio y confianza depositada en mí. Este documento no alcanzaría, para darle las gracias a mi madre por todo.
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CONTENIDO
Pág.
RESUMEN ........................................................................................................ 14
INTRODUCCION .............................................................................................. 15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 16
2. ANTECEDENTES ...................................................................................... 18
3. OBJETIVOS ............................................................................................... 21
3.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 21 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ..................................................................... 21
4. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................ 22
5. MARCO REFERENCIAL ........................................................................... 24
5.1. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 24
5.2 ROTOGRABADO EN PLÁSTICOS ........................................................... 24
5.3 RESPONSABILIDAD SOCIAL .................................................................. 25
5.4 MAQUINAS LIMPIADORAS DE CILINDROS DE ROTOGRABADO ....... 25
5.5 SISTEMA AUTOMÁTICO .......................................................................... 26
5.6 REGULADOR DE PRESIÓN NEUMÁTICA .............................................. 26 5.7 PLC ............................................................................................................ 26
5.8 PROCESO DE DISEÑO CONCURRENTE ................................................ 27
5.9 CILINDROS NEUMÁTICOS ...................................................................... 28
5.10 PRESION .................................................................................................. 28
5.11 CAUDAL ................................................................................................... 28
5.12 VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO EN LOS CILINDROS NEUMÁTICOS .............................................................................................. 28
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5.13 VÁLVULAS REGULADORAS DE CAUDAL ........................................... 29
6. ESTUDIO DEL PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE
ROTOGRABADO ............................................................................................. 30
6.1 PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE ROTOGRABADO ........... 30
6.2 DATOS DEL PROCESO DE LIMPIEZA .................................................... 31
6.3 MAQUINA DONDE SE VA A ADAPTAR LA HERRAMIENTA ................. 33
6.4 GENERACIÓN DE PROPUESTA DE MEJORA ....................................... 35
7. DEFINICIÓN DEL CAMPO DE ACCIÓN ..................................................... 36
7.1 PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN ........................................................... 36 7.2 CLIENTE PRIMARIO ................................................................................. 36
7.3 CLIENTE SECUNDARIO ........................................................................... 36
7.4 PREMISAS Y RESTRICCIONES .............................................................. 36
8. MÉTODO DE INGENIERÍA CONCURRENTE ............................................. 37
8.1 OBTENCIÓN DE DATOS PRIMARIOS. .................................................... 37
8.1.1 Identificación de las necesidades ...................................................... 37
8.2 METRICAS ................................................................................................ 40
8.2.1 Especificaciones del producto ............................................................ 40 8.3 QFD. Ver anexo A ..................................................................................... 41
8.4 GENERACIÓN DE CONCEPTOS ............................................................. 41
8.4.1 Descripción general del producto ....................................................... 41
8.4.2 Funciones .............................................................................................. 42
8.4.3 Descomposición funcional del producto ............................................ 42
8.4.4 Caja negra .............................................................................................. 42
8.4.5 Descomposición funcional (sub funciones). ...................................... 42
8.4.6 Conceptos generados por las sub funciones .................................... 43
8.4.7 Árbol de clasificación ........................................................................... 43
8.4.8 Refinamiento y descomposición funcional ........................................ 44 8.5 DESARROLLO CONCEPTUAL ................................................................ 44
7
8.5.2 Combinación de conceptos. ................................................................ 52
8.6 SELECCIÓN DE CONCEPTOS ................................................................. 66
8.6.1 Matriz de selección. .............................................................................. 66 8.6.2 Matriz de evaluación de conceptos. ................................................... 68
8.6.3 Evaluación de conceptos recalculada ................................................ 69
9. PRUEBA DE CONCEPTOS ....................................................................... 73
10. DISEÑO DE LA OPCION SELECCIONADA ............................................. 78
10.1 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO ............................................................ 78
10.1.1 Actuadores neumáticos. ................................................................... 78
10.1.2 Unidad guía ......................................................................................... 83
10.1.3 Válvula de estrangulación y antirretorno. ......................................... 84
10.1.4 Unidad De mantenimiento .................................................................. 85 10.2 ELECTROVÁLVULAS............................................................................. 85
10.3 SENSOR DE PROXIMIDAD MAGNÉTICO ............................................. 86
10.4 UNIDAD ALIMENTADORA DE 24V DC .................................................. 87
10.5 PAD ......................................................................................................... 87
10.6 PLC-CONTROLADOR ............................................................................ 87
10.7 PANTALLA HMI-UNIDAD DE INDICACION Y CONTROL ..................... 88
10.8 LAMINA DE CARRIL Y CARCASA ........................................................ 88
11. PROGRAMACIÓN DEL PLC E INTERFAZ GRAFICA.............................. 89
12. MANUAL DE USO ..................................................................................... 95
12.1 CONCEPTO GENERAL INTERFAZ GRAFICA ...................................... 95
12.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO ................................. 96
13. COSTOS DEL DISEÑO ............................................................................. 99
13. CONCLUSIONES .................................................................................... 101
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 102
ANEXOS ......................................................................................................... 104
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LISTA DE CUADROS
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cuadro 1. Dimensiones cilindros FLEXA 31 Cuadro 2 Alimentación planta EMPAQUES FLEXA 31 Cuadro 3. Identificación de las necesidades 38 Cuadro 4. Agrupe e importancia de las necesidades 39 Cuadro 5. Especificaciones del producto 40 Cuadro 6. Conceptos para el sistema de brillado 45 Cuadro 7. Conceptos para el sistema de limpieza profunda 46 Cuadro 8. Conceptos para el sistema de desengrasante 47 Cuadro 9. Conceptos para la aplicación de insumos 48 Cuadro 10. Conceptos para el sistema de presión 49 Cuadro 11. Conceptos instrumento para brillar 50 Cuadro 12. Conceptos para la tecnología a utilizar 51 Cuadro 13. Conceptos para el desplazamiento de la herramienta 51 Cuadro 14. Combinación de conceptos 52 Cuadro 15. Costos solución A 54 Cuadro 16. Costos solución B 57 Cuadro 17. Costos solución C 60 Cuadro 18. Costos solución D 62 Cuadro 19. Costos solución E 65 Cuadro 20. Matriz de selección 67 Cuadro 21. Matriz de evaluación de conceptos 68 Cuadro 22. Matriz de evaluación de conceptos recalculada 70 Cuadro 23. Conceptos de la solución seleccionada 71 Cuadro 24. Resultados experimento cálculo de fuerza 74 Cuadro 25. Presión- Fuerza 75
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Cuadro 26. Fuerzas y momentos admisibles para el cilindro sin vástago79 Cuadro 27. Memorias utilizadas en el PLC 92 Cuadro 28. Costos de materiales 99
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Cilindros utilizados en el proceso de rotograbado 16 Figura 2. Posición del operario durante el proceso de limpieza 17 Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de limpieza de cilindros de rotograbado 19 Figura 4. Máquina- Canoa para limpieza de cilindros 19 Figura 5. Herramienta de limpieza artesanal 20 Figura 6. Principio del proceso de Rotograbado 24 Figura 7. Proceso de desarrollo del producto 27 Figura 8. Válvula de estrangulación y antirretorno 29 Figura 9. Proceso de limpieza de cilindros de rotograbado 30 Figura 10. Aplicación de brilla metal 32 Figura 11. Posición para brillar cilindros 32 Figura 12. Postura en el momento de brillar el cilindro 32 Figura 13. Limpieza con detergente 33 Figura 14. Enjuague de cilindro 33 Figura 15. Secado de cilindro con rasqueta de caucho 33 Figura 16. Máquina – canoa para limpieza de cilindros 34 Figura 17. Tablero máquina- canoa 34 Figura 18. Transmisión de movimiento en la máquina-canoa 35 Figura 19. Elementos de brillado 35 Figura 20. Caja negra de la herramienta 42 Figura 21. Descomposición funcional del diseño 43 Figura 22. Tipos de energía para la herramienta 43 Figura 23. Refinamiento de la descomposición funcional 44 Figura 24. Concepto 1, sistema de brillado 46
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Figura 25. Concepto 2, sistema de brillado 46 Figura 26. Concepto 3, sistema de brillado 46 Figura 27. Concepto 1, sistema de limpieza profunda 47 Figura 28. Concepto 2, sistema de limpieza profunda 47 Figura 29. Concepto 1, sistema desengrasante 47 Figura 30. Concepto 1, aplicación de insumos 48 Figura 31. Concepto 2, aplicación de insumos 48 Figura 32. Concepto 1, sistema de presión 49 Figura 33. Celda de carga 49 Figura 34. Concepto 1, Instrumento para brillar 50 Figura 35. Concepto 2, Instrumento para brillar 50 Figura 36. Concepto 3, Instrumento para brillar 50 Figura 39. Solución A 53 Figura 42. Solución D 61 Figura 43. Solución E 63 Figura 44. Medición de fuerza para brillado 73 Figura 45. Ubicación de sensores magnéticos para ranura en T 76 Figura 46. Cilindro con vástago encima del cilindro neumático sin vástago 77 Figura 47. Momentos y fuerzas en el cilindro sin vástago 79 Figura 48. Esfuerzos del vástago sin unidad guía 84 Figura 49. Circuito neumático 86 Figura 50. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas 90 Figura 51. Diagrama de conexiones al PLC- Salidas 91 Figura 52. Grafcet 93 Figura 53. Parada de emergencia 94 Figura 54. Concepto general de interfaz grafica 95 Figura 55. Autómata siemens S7-200 95 Figura 56. Interfaz hombre maquina 96 Figura 57. Selección de longitud 97
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Figura 58. Numero de pasadas 97 Figura 59. Botón Star 97 Figura 60. Asignación de alarmas 97 Figura 61. Espacio de trabajo de la herramienta automática 98
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LISTA DE ANEXOS
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Anexo A. Qfd. Quality function deployment 104 Anexo B. Solución seleccionada 105 Anexo C. Cilindro lineal sin vástago Festo 106 Anexo D. Cilindro neumático con vástago Festo 109 Anexo E. Unidad guía 111 Anexo F. Válvula de control de flujo- válvula de estrangulación y antirretorno. 123 Anexo G. Unidad de mantenimiento. 125 Anexo H. Electroválvulas 128 Anexo I. Sensor de proximidad magnético 132 Anexo J. Fuente 24v dc. 134 Anexo K. Pad 135 Anexo L. PLC 135 Anexo M. Pantalla HMI- unidad de indicación y control 136 Anexo N. Lamina de carril y carcasa. 139 Anexo O. Cotizaciones 141 Anexo P. Artículo formato Icontec 147
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RESUMEN
El presente proyecto se realiza gracias a un acuerdo pactado entre la Universidad Autónoma de Occidente y la multinacional de plásticos EMPAQUES FLEXA, en su interés por mejorar las condiciones de trabajo de cada uno de los empleados, reduciendo los niveles de accidentalidad, para fortalecer la parte de seguridad industrial y salud ocupacional. La empresa FLEXA es consciente que al mejorar las condiciones de trabajo de los empleados, se puede ver reflejado un gran cambio en la producción, ya que una persona que labore en un ambiente laboral sano y seguro, es muy probable que trabaje más comprometido con la empresa y con una mejor actitud. En el área de cilindros de rotograbado de la planta de FLEXA, existe una problemática latente, que involucra la integridad de los operarios y perjudica su salud. Este problema se debe a que los operarios deben realizar el proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado, en forma manual, en condiciones y posturas inadecuadas, para lograr excelentes resultados a cambio de riesgos ergonómicos y posibles accidentes. Lo primero que se realizó para este proyecto, fue un análisis de las condiciones de trabajo del operario, para determinar cuáles eran los riesgos a los que estaban expuestos. Seguidamente se procedió a realizar un feedback con cada uno de ellos, para conocer los problemas que ha generado en su integridad física la realización del proceso de limpieza de cilindros. Gracias a la investigación realizada y a una serie de datos relevantes los cuales fueron posibles obtener con la ayuda de los operarios y el departamento de mantenimiento, se identificaron los principales problemas en el proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado, y se procedió a plantear y diseñar una serie de soluciones posibles, para poder suplir todas las necesidades de la empresa y culminar con los objetivos del proyecto. Finalmente se seleccionó la mejor opción de diseño, después de pasar por un riguroso análisis de viabilidad tanto técnico como económico. PALABRAS CLAVES: Seguridad industrial, salud ocupacional, riesgo ergonómico, cilindros de rotograbado.
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INTRODUCCION FLEXA fue fundada en 1975 por el grupo Carvajal, como respuesta a la necesidad de protección y preservación adecuada de productos de consumo masivo, durante su distribución y permanencia en el punto de venta, productos tales como jugos de frutas, galletas, refrescos, derivados lácteos, salsas, farmacéuticos, jabones y artículos para el aseo personal y para el cuidado del hogar. Estos empaques se forman a partir de laminados fabricados con diferentes materiales tales como aluminio, papel, polietileno, polipropileno biorientado y otros plásticos de mediana y alta barrera de protección. FLEXA ha permanecido a la cabeza en la innovación en el mercado colombiano de empaques flexibles. En el año 2012, FLEXA pasa a ser parte del grupo ALUSA, filial de Madeco y del grupo Nexus; la cual cuenta con más de 50 años de experiencia en la elaboración de envases flexibles y presente en Chile, Argentina y Perú. Flexa cuenta con líneas de producción automatizadas, las cuales permiten realizar producciones en serie y ser más competitivos en el mercado. Algunas áreas de la empresa no cuenta con las suficientes características técnicas que se requieren para garantizar la integridad física del personal, lo cual implica que los operarios realicen muchas labores manualmente, movimientos repetitivos que afectan la salud, como por ejemplo en el área de cilindros. Los problemas que se generan en el área de cilindros, deben resolverse para prevenir los accidentes laborales y garantizar un excelente resultado en la producción.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la planta de empaques FLEXA, se realiza el proceso de rotograbado en plástico, el cual implica la utilización de unos cilindros de cobre, en cuya superficie hay depresiones que contienen tinta, permitiendo imprimir la figura en el material plástico. Estos cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, se pueden reutilizar para imprimir una figura diferente cada vez que se requiera. Para que vuelvan a ser reutilizados los cilindros de rotograbado, se requiere que pasen por un proceso de pre alistamiento; iniciando con un proceso de cobrizado, seguidamente pasan a ser brillados y limpiados, después pasan a ser cromados y por último, se pulen para ser utilizados nuevamente en la impresión de plástico. Los cilindros que se manejan en la planta de FLEXA, tienen una circunferencia que va desde 450 a 800 mm; su longitud varía entre 850, 1100 y 1370mm, dependiendo del diseño que se desee realizar. En la figura 1 se puede observar los cilindros de rotograbado cuyo material es cobre. Figura 1. Cilindros utilizados en el proceso de rotograbado
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. El proceso de limpieza de los cilindros implica un alto riesgo para el operario encargado, ya que este debe introducir el cilindro en una máquina que lo hace girar a una velocidad constante, poniendo en riesgo su integridad; El operario debe realizar una serie de operaciones de limpieza, para lograr un excelente acabado en los cilindros. Todas las operaciones ocurren mientras el cilindro se encuentra girando, lo cual representa un alto riesgo para el operario, debido a que si se descuida, la maquina tiende a halarlo y puede quedar atrapado en su interior.
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Este proceso se realiza repetitivamente durante toda la jornada, lo cual representa una notable preocupación para la empresa, debido a que antes de finalizar la jornada laboral, los operarios ya se encuentran fatigados y no van a laborar igual que cuando empezaron el turno; esto se puede ver reflejado al final de la producción, ya que si el proceso de limpieza no se realiza correctamente, el producto final derivado del proceso de rotograbado, puede quedar con apariencia “pálida” y con velos. Adicionalmente, se debe tener en cuenta que este proceso de limpieza, requiere de una gran aplicación de fuerza física por parte del operario para lograr una total homogeneidad en el acabado, lo que ocasiona dolores lumbares y dolor en dedos y manos. En la figura 2, se puede observar el gran esfuerzo que realiza el operario con sus brazos y manos para realizar la brillada del cilindro, además de la postura inclinada que representa riesgos para el mismo. Figura 2. Posición del operario durante el proceso de limpieza
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
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2. ANTECEDENTES
Es importante conocer el desarrollo y las iniciativas que se han tenido por parte de otras personas en su interés de mejorar el proceso de limpieza de cilindros utilizados en el proceso de rotograbado; por tal motivo se debe conocer en que consiste este proceso. El proceso se da inicio cuando el operario introduce el cilindro en la máquina-canoa con ayuda del diferencial de carga; Enciende la máquina-canoa, y está, hace girar el cilindro de rotograbado a una velocidad constante y en un solo sentido; el operario procede a aplicar brilla metal humedecido sobre toda la superficie del cilindro y lo frota fuertemente con paños de algodón, para poder lograr el acabado deseado y una excelente homogeneidad; este paso es el de mayor importancia en el reflejo de la producción. Después se procede a aplicar un detergente especial Gold Wash, para retirar todo tipo de impurezas que puedan haber en la superficie del cilindro, para esto no se requiere de esfuerzos altos ni posiciones incomodas; Se aplica agua jabón, también con un paño de algodón sin mayor esfuerzo, con el objetivo de retirar las grasas y se procede a enjuagar con agua toda la superficie del cilindro. Por último el operario utiliza una rasqueta o espátula con filo de caucho para secar el cilindro, el cual va a ser desplazado a la máquina de cromado para aumentar su dureza superficial. En la figura 3, se puede observar el diagrama de flujo del proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado.
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Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de limpieza de cilindros de rotograbado
La máquina- canoa en la que se realiza todo el proceso de limpieza de los cilindros, se puede observar en la figura 4.
Figura 4. Máquina- Canoa para limpieza de cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
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Los operarios que laboran en todas las áreas de EMPAQUES FLEXA, incluido en el área de cilindros, utilizan guantes para proteger las manos de sustancias químicas que puedan ocasionar problemas dermatológicos en la piel y cortaduras con algún tipo de herramienta. En años anteriores, operarios de la planta de Empaques FLEXA, debido a los dolores y las incomodidades proporcionadas al realizar este proceso de limpieza tan repetitivo, buscaron dar una solución al problema y diseñaron una herramienta totalmente artesanal para realizar la brillada de los cilindros. Dicha herramienta, no dio un buen resultado, ya que también requería de un alto esfuerzo por parte del operario, experimentando estados de fatiga con el transcurso del tiempo. La herramienta se fue deteriorando rápidamente hasta que se eliminó por completo de la planta. La herramienta diseñada por los operarios, realizaba el subproceso de brillado, que es la parte critica del proceso de limpieza (Figura 5.).
Figura 5. Herramienta de limpieza artesanal
Los únicos incidentes reportados en el área de cilindros de la empresa EMPAQUES FLEXA en el proceso de limpieza de cilindros, ha sido las cortaduras en los dedos de los operarios, debido a la rotura de los guantes con las virutas que quedan en los extremos del cilindro. La empresa EMPAQUES FLEXA, debido a los problemas manifestados por los operarios que realizan el proceso de limpieza de los cilindros, vio la necesidad de utilizar una herramienta, con la cual el esfuerzo por parte de los operarios sea mínimo, y la homogeneidad de los cilindros sea garantizada.
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3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar una herramienta automática para la limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado, antes del proceso de cromado en la planta de producción de FLEXA, con el fin de disminuir los riesgos y los esfuerzos que el operario debe realizar en este proceso. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Estudiar los principales problemas que genera la ausencia de una herramienta que hace la función de limpieza en los cilindros de rotograbado.
Implementar el método de ingeniería concurrente para el diseño de la
herramienta de limpieza de los cilindros que serán utilizados en el proceso de rotograbado en plástico.
Disminuir los esfuerzos físicos altos por parte del operario al momento de
realizar la limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado.
Seleccionar los mecanismos que contribuyan a la disminución de problemas ergonómicos.
Generar manual de usuario asociado al funcionamiento de la nueva
herramienta. Escribir un artículo en formato ICONTEC o IFAC sobre el tema y desarrollo
del proyecto.
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4. JUSTIFICACIÓN
¿Qué puede pasar si no se optimiza el proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado en la planta de empaques FLEXA? Debido al alto riesgo que corren los empleados al momento de la limpieza de los cilindros, una de las graves consecuencias que puede generar la ausencia de una herramienta que haga esta labor, sería la perdida de una extremidad, ya que en el momento de la limpieza, más exactamente en el subproceso de brillado, los cilindros se encuentran dentro de una máquina-canoa que los mantiene en rotación a una velocidad constante y esto provoca que cuando el operario interactúa con la máquina, la máquina tienda a halarlo, generando un alto riesgo para su integridad; Aunque aún no se ha reportado ningún accidente grave en este proceso, es evidente el peligro que a diario corren los operarios encargados de esta labor. Por otra parte, la postura que adoptan los operarios para lograr un buen acabado en el brillado del cilindro, a largo plazo genera dolor lumbar, la cual es una de las primeras causas de morbilidad profesional, según un estudio realizado por LA DIRECCION GENERAL DE RIESGOS PROFESIONALES DEL MINISTERIO DE PROTECCION SOCIAL1. A diario, los operarios también manifiestan dolores en las manos y en los dedos, debido al alto esfuerzo físico que deben ejercer para lograr excelentes resultados. Uno de los beneficios que traería para la empresa la utilización de la herramienta de limpieza, económicamente hablando, es no verse involucrado en remuneraciones, indemnizaciones o incapacidades debido a accidentes de trabajo, ya que cualquier percance que le ocurra al operario es responsabilidad de la empresa. Para la empresa EMPAQUES FLEXA, es de vital importancia reducir el riesgo ergonómico, ya que sus políticas de seguridad ocupacional, hacen mucho énfasis en la responsabilidad social empresarial y siempre vela por el bienestar y la salud de los trabajadores.
1 Guía de atención Integral de salud ocupacional Basada en la evidencia para dolor Lumbar, 2006 p27. Disponible en: http://www.epssura.com/guias/dolor_lumbar.pdf
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En cuanto a su producción, se minimizan los errores producidos por una mala limpieza de cilindros, lo que significaría para la empresa, una oferta homogénea con una excelente calidad basada en tecnologías de punta. Es bueno rescatar, que una persona independientemente de su trabajo, entre mejor sea su puesto de trabajo y su ambiente laboral, podrá ser más eficiente y trabajar con más gusto y agradecido, lo cual genera para la empresa menor tiempo muerto y más productividad, destacándose en el mercado por tener una mayor ventaja comparativa y competitiva.
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5. MARCO REFERENCIAL
5.1. MARCO TEÓRICO
Este proyecto requiere del conocimiento de algunos conceptos que son claves para el total entendimiento de todas las etapas y desarrollo que este implica.
5.2. ROTOGRABADO EN PLÁSTICOS Es una técnica de impresión, en la cual las imágenes son transferidas al plástico, a partir de una superficie cuyas depresiones contienen tinta. La matriz impresora del proceso son los cilindros de impresión, que consta básicamente de un cilindro de hierro, una capa de cobre sobre la cual se grava el motivo a imprimir, y una capa de cromo que garantiza una mayor dureza superficial. El cilindro se cubre de tinta mientras esta rotando, posteriormente se limpian las superficies donde no hay grabado, dejando solo tinta en el grabado que se dese imprimir en el plástico (figura6). De acuerdo a la cantidad de colores que se deseen imprimir en el plástico, así mismo es el número de cilindros a utilizar. Figura 6. Principio del proceso de Rotograbado
Fuente: El huecograbado en rotativa o rotograbado [en línea]. Gustavo Sánchez Muños. Técnicas de impresión, [Consultado el 8 de enero de 2013]. Disponible en: http://gusgsm.com/huecograbado_rotativa.
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5.3. RESPONSABILIDAD SOCIAL La empresa EMPAQUES FLEXA, siempre se ha caracterizado por priorizar la salud y el bienestar de sus trabajadores, siendo esto una ventaja competitiva que los diferencia de las otras empresas. Entre sus pilares se habla de la responsabilidad social empresarial, que representa un enfoque de negocio que involucra a los distintos grupos de interés para contribuir a la gestión sostenible de la empresa. EMPAQUES FLEXA, justifica el crecimiento sostenible de su compañía a tres cimientos que son: Economía, social y ambiental2. Estos cimientos son los que han permitido una gestión sostenible de la empresa enmarcado por la integración voluntaria de las preocupaciones sociales y medioambientales que son el fruto de:
Actividades beneficiosas. Prácticas empresariales responsables. Iniciativas voluntarias más allá de la normativa legal de las obligaciones
contractuales. Herramientas estratégicas para aumentar la competitividad de la empresa.
5.4. MAQUINAS LIMPIADORAS DE CILINDROS DE ROTOGRABADO
En el mercado de máquinas de limpieza de cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, se puede encontrar una gran variedad, que trabajan con diferentes tecnologías, pero estas máquinas solo realizan la función de limpieza de tintas. Actualmente, comercialmente no se conoce una máquina que realice el proceso completo de limpieza de los cilindros automáticamente, que consta de la brillada, aplicación de detergente, enjuague y secado principalmente. En el mercado podemos encontrar muchas máquinas de limpieza de tintas como por ejemplo las de Italia Sistema Tecnologici3, que ofrecen una amplia gama de máquinas, con diferentes tecnologías. Estas máquinas realizan un excelente
2 Responsabilidad Social. EMPAQUES FLEXA [En línea]. [Consultado el 19 de diciembre de 2012]. Disponible en: http://www.eflexa.co/inicio.html 3 Italia Sistemi Tecnologici [en línea]. Industria dedicada a la comercialización de máquinas de limpieza para partes de máquinas de rotograbado, flexografía y offset. [Consultado el 19 de diciembre de 2012] Disponible en: http://www.ist.it/cubas-de-lavado.htm
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trabajo y debido a su diseño tan innovador e interesante, sirvieron de apoyo para el desarrollo de este proyecto.
5.5. SISTEMA AUTOMÁTICO
Es un sistema donde se transfieren las tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Los sistemas automáticos constan de dos partes principales:
Parte de mando Parte operativa
Los sistemas automáticos, mejoran la productividad de las empresas reduciendo los costos de producción y mejorando la calidad de la misma; también sirven para mejorar notablemente las condiciones de trabajo del personal incrementando la seguridad.
5.6. REGULADOR DE PRESIÓN NEUMÁTICA
Mecanismo diseñado para proporcionar un control neumático preciso, mediante el uso de una señal eléctrica4. Se basa en el equilibrio de fuerzas de desplazamiento. Algunas válvulas reguladoras de presión, son manorreductoras, de tal manera que proporcionan una presión constante a un sistema que funcione con una presión más baja que el sistema de suministro. Una vez ajustada la válvula, la presión reducida será mantenida sin importar los cambios en el suministro de presión.
5.7. PLC Uno de los elementos principales de las herramientas y máquinas automáticas, son los PLCs (Controlador lógico programable), los cuales trabajan en tiempo real y en ambiente industrial.
4 CONTROL AIR. Controles neumáticos y electro neumáticos de precisión [en línea] pág. 2. [Consultado el 29 de enero de 2013]. Disponible en: http://www.controlair.com/downloads/Short_Form_Catalog_Spanish_12-07.pdf
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Un controlador lógico programable es un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas para controlar máquinas y procesos y diseñado específicamente para programarse con facilidad5. Los PLC trabajan recibiendo información de los captores (sensores) y de acuerdo al programa lógico que tengan en su interior, actúan sobre los actuadores, proporcionándoles la salida deseada por parte del usuario. Estos dispositivos se pueden reprogramar y pueden realizar funciones cíclicamente. Para el diseño de la herramienta automática de limpieza, que se le va a adaptar a la máquina- canoa, es indispensable utilizar un sistema de control electrónico, el cual será el cerebro de todas las funciones a realizar.
5.8. PROCESO DE DISEÑO CONCURRENTE
Para la realización del diseño del producto de este proyecto, se utilizó el método de diseño concurrente, también conocido como simultaneo, el cual permitió obtener una mayor flexibilidad y organización, reduciendo los tiempos de diseño y aumentando la fiabilidad en el resultado obtenido. Este proceso de diseño consta de 6 pilares que están representados en la figura 7:
Figura 7. Proceso de desarrollo del producto
Fuente: ULRICH, Diseño y desarrollo de productos6. Capítulo 1, pg. 8.
5 William Bolton. MECATRÓNICA. Cuarta edición, Alfaomega. Capítulo 7, Controladores lógicos programables, pág. 440. 6 Ulrich Karl. DISEÑO Y DESARROLLO DE PRODUCTOS. 3 ed. Mc Graw-Hill, 2004
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5.9. CILINDROS NEUMÁTICOS Consiste en un tubo cilíndrico por el que se desplaza un pistón (émbolo). Existen dos tipos básicos de cilindros, los cilindros de simple acción y los de doble acción. Los cilindros de simple acción se utilizan cuando la presión se aplica solo en uno de los extremos de pistón; por el otro lado del pistón, se abre a la atmosfera. Los cilindros de doble acción se utilizan cuando se aplica presión a ambos lados del pistón; la diferencia de presiones a ambos lados del pistón, produce el movimiento del mismo7.
5.10. PRESION
Es el cociente entre la fuerza y la superficie que recibe su acción. La presión atmosférica, es igual al peso por unidad de superficie de la columna de aire comprendida entre esta superficie y la última capa de la atmosfera. La unidad de presión en el sistema internacional es el que recibe el nombre de Pascal8.
Ecuación 1. Conversión de unidad bar a pascal
5.11. CAUDAL Se define como la cantidad de flujo que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. Esa cantidad de fluido se puede expresar de dos formas, en masa o en volumen9.
5.12. VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO EN LOS CILINDROS NEUMÁTICOS
La velocidad de desplazamiento de un cilindro neumático, depende de varios factores, como por ejemplo, el estado de la superficie interna del tubo, tolerancias en la fabricación del cilindro, presión en la línea y el porcentaje de carga en un cilindro, entre otros.
7William Bolton, op. cit., pág. 160 8Antonio Guillén. INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA. Preliminares ,pág. 9 9 Ibis ,pág. 10
29
Las presiones que actúan en el cilindro, las características de caudal-presión del distribuidor, así como el porcentaje de carga, tienen una gran influencia en la velocidad de desplazamiento. La obtención de expresiones o de graficas que relacionen estas variables, se realiza de forma experimental, a causa de la variación de los rozamientos. En general, para controlar la velocidad de los cilindros, se debe actuar sobre el caudal. Si se ajusta el caudal de alimentación, el avance del cilindro se efectúa a saltos, debido a que cada vez que empieza a moverse el cilindro, la presión de la cámara disminuye y consecuentemente la fuerza motriz. Por tanto la regulación del caudal de entrada provoca un desplazamiento irregular, no recomendable. Se recomienda regular el caudal de escape, de esta forma el desplazamiento del cilindro es más suave al retener el aire en la cámara resistente10.
5.13. VÁLVULAS REGULADORAS DE CAUDAL
Estas válvulas se utilizan para controlar la velocidad de salida y retroceso de los cilindros neumáticos. Se pueden dividir en dos grupos: reguladores unidireccionales y bidireccionales. Los reguladores unidireccionales permiten la libre circulación del aire en un solo sentido y en el contrario intercalan una estrangulación que fija el caudal del aire una vez determinada la presión. Su estructura equivale a una válvula antirretorno en paralelo con una estrangulación ajustable montadas en un mismo cuerpo. Las válvulas de estrangulación y antirretorno, son de accionamiento manual. (Figura 8).
Figura 8. Válvula de estrangulación y antirretorno
Fuente: Festo, Colombia [en línea]. Disponible en: www.festo.como.co Los reguladores bidireccionales, regulan el paso del aire en ambos lados anulando el antirretorno11 10 Ibis, pág. 61-62. 11 Ibis, pág. 63- 65.
30
6. ESTUDIO DEL PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE ROTOGRABADO
La limpieza de los cilindros de rotograbado es un proceso fundamental para lograr una impresión de calidad. Todos los cilindros que se utilizan en el rotograbado, lo primero que se les debe realizar es el grabado en la superficie de cobre; seguido a esto se procede a realizar la limpieza del cilindro, que inicia con la brillada y termina con el secado. Este proceso se debe desarrollar correctamente, puesto que posterior a este se debe realizar un cromado al cilindro para aumentar su dureza superficial. Sí el cilindro no se brilló y limpio correctamente en el paso anterior, su superficie quedará con impurezas de grasas, ocasionando que al final del proceso de rotograbado los impresos tengan colores pálidos, generando desperdicios para la empresa. Dentro de la política de seguridad de la empresa EMPAQUES FLEXA, se requiere que sus operarios no sufran problemas ergonómicos; está es la principal justificación de la creación de este proyecto, debido a los altos esfuerzos físicos que estos deben realizar durante este proceso de limpieza.
6.1. PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE ROTOGRABADO
El proceso de limpieza de los cilindros utilizados en rotograbado, consta de 5 etapas que están representadas en la figura 9.
Figura 9. Proceso de limpieza de cilindros de rotograbado
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6.2. DATOS DEL PROCESO DE LIMPIEZA
Se debe tener en cuenta que en la empresa FLEXA se manejan diferentes dimensiones de cilindros de rotograbado, los cuales están relacionados en la tabla1.
Cuadro 1. Dimensiones cilindros FLEXA
CILINDROS 850 “CON CONOS”
CILINDROS 1100 “CON CONOS”
CILINDROS 1100 “CON ESPIGOS”
CILINDROS 1370 “CON ESPIGOS”
Circun. Diámetro Circun. Diámetro Circun. diámetro Circun. diámetro
Desde (mm )
450 143,24 469 146,422 520 165,520 500 159,15457
Hasta (mm)
800 254,65 700 222,816 800 254,6473 760 241,9149
Fuente: EMPAQUES FLEXA, área de cilindros, Jeofney Bedoya Arenas, Operario líder. El tiempo que gasta un operario en la limpieza de un cilindro antes del proceso de cromado, es aproximadamente entre 8 a 10 minutos y el número de cilindros a los que se les realiza el proceso de limpieza en un turno de 8 horas, oscila entre 12 y 15. En la tabla 2, se puede observar la alimentación de energía neumática y eléctrica, disponible en la planta de EMPAQUES FLEXA.
Tabla 2 Alimentación planta EMPAQUES FLEXA
Alimentación Neumática 80 Psi Eléctrica 440 VAC
La figura 10, se muestra el primer paso del proceso de limpieza, en el que el operario esparce el brilla metal humedecido sobre toda la superficie del cilindro. ÁREA DE CILINDROS. Información suministrada por la empresa FLEXA, Operario LAUREANO
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Figura 10. Aplicación de brilla metal
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. Después de haber esparcido el brilla metal sobre la superficie del cilindro, el operario procede a brillarlo. Como se muestra en la figura 11 y 12, este es el subproceso crítico del proceso de limpieza, ya que es donde se requieren unos esfuerzos verdaderamente altos y posturas inadecuadas, inclinando el cuerpo para atacar el cilindro con mayor presión, para lograr excelentes acabados.
Figura 11. Posición para brillar cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Figura 12. Postura en el momento de brillar el cilindro
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. La aplicación del detergente (figura 13), no requiere de esfuerzos altos por parte del operario, que simplemente frota una felpa de algodón sobre la superficie del cilindro y posteriormente hace lo mismo con el agua jabón para retirar las grasas.
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Figura 13. Limpieza con detergente
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. Por último el cilindro se debe juagar con agua (figura 14) y secar con la rasqueta de caucho (figura 15), para dar por terminado el proceso de pre alisamiento de cilindros a cromar.
Figura 14. Enjuague de cilindro
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Figura 15. Secado de cilindro con rasqueta de caucho
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
6.3. MAQUINA DONDE SE VA A ADAPTAR LA HERRAMIENTA El proceso de limpieza de cilindros de rotograbado en la planta EMPAQUES FLEXA, se realiza en una máquina- canoa, marca MAX DATWYLER (figura 16) de la cual, no existe ningún manual de operación ni de mantenimiento.
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Figura 16. Máquina – canoa para limpieza de cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. En la figura 17 se muestra el tablero de mando de la máquina-canoa y los recipientes que utiliza el operario como suministro de detergente y agua jabón.
Figura 17. Tablero máquina- canoa
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros. En la figura 18, se puede observar el piñón de la derecha que está sujeto al eje del motor de la máquina-canoa y esta engranado con el piñón del lado izquierdo que está sujeto al cilindro de rotograbado. De esta manera, el cilindro de rotograbado, gira durante todo el proceso de limpieza.
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Figura 18. Transmisión de movimiento en la máquina-canoa
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros En la figura 19, se puede observar el paño de algodón y la crema de brilla metal que utilizan los operarios para el subproceso de brillado. Figura 19. Elementos de brillado
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros
6.4. GENERACIÓN DE PROPUESTA DE MEJORA
Con el estudio y análisis detallado del proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el proceso de rotograbado y de cómo se realiza actualmente este proceso en la planta de FLEXA, se pudo concluir que el mayor riesgo ergonómico al que se enfrentan los operarios en el momento de limpiar los cilindros, se da cuando realizan el subproceso de brillado, debido a la postura que deben adaptar y a los altos esfuerzos que deben realizar en sus extremidades para lograr un acabado perfecto. Por tal motivo se recomienda diseñar una herramienta que disminuya al máximo estos riesgos ergonómicos identificados. Entre más automatizado sea el proceso de limpieza, menos intervención de los operarios y más fácil de estandarizar el proceso.
36
7. DEFINICIÓN DEL CAMPO DE ACCIÓN
7.1. PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN Diseño de una herramienta automática que limpie los cilindros de rotograbado antes de ingresarlos a la cromadora en la planta de EMPAQUES FLEXA, con el fin de evitar cualquier tipo de dolencia muscular en los operarios que realizan esta labor.
7.2. CLIENTE PRIMARIO
El principal cliente de este producto, es la empresa EMPAQUES FLEXA, a la cual se presenta un diseño automatizado que garantice un excelente proceso de limpieza y brillado en los cilindros y en el cual los operarios no contraigan enfermedades laborales.
7.3. CLIENTE SECUNDARIO
Todas aquellas empresas dedicadas al proceso de rotograbado, que se ven obligados a realizar una excelente limpieza de cilindros (pre alistamiento) antes del proceso de cromado.
7.4. PREMISAS Y RESTRICCIONES
En cuanto a restricciones se encuentran las que proporciona la máquina- canoa como tal, en cuanto a espacio de trabajo. La empresa recomienda no diseñar una herramienta tan sofisticada, que trabaje con tecnología de punta y que tampoco sea muy costosa, ya que aunque ellos quieren mejorar el proceso de limpieza de los cilindros, no quieren incurrir en gastos elevados.
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8. MÉTODO DE INGENIERÍA CONCURRENTE
Con la metodología implementada, se definieron las siguientes etapas:
Identificación de problemas en el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado.
Identificación de problemas ergonómicos y de producción, donde también se involucra el análisis del estado de arte actual referente a las herramientas y maquinas existentes en el mercado.
Diseño de una serie de soluciones posibles para satisfacer las necesidades de la empresa y lograr los objetivos planteados inicialmente de acuerdo a los conceptos generados.
Etapa de análisis y simulaciones por medio de un software CAD para realizar mejoras con respecto al diseño seleccionado.
Etapa de análisis de costos de cada uno de los elementos que componen la herramienta seleccionada.
8.1. OBTENCIÓN DE DATOS PRIMARIOS.
Se empieza con la identificación de las necesidades, lo cual fue posible gracias a la colaboración de los operarios que realizan el proceso de limpieza de cilindros, Laureano Vargas, Yori Hernández, Eder Adrián Torres, los ingenieros de la planta Andrés David, Oscar Vargas y el operario líder Jepfney Bedoya. Estas necesidades recolectadas en forma de entrevista personal, sirvieron de ayuda para plantear las necesidades del proyecto como tal y establecer unas métricas de acuerdo a sus especificaciones técnicas. Las métricas fueron la pieza clave para realizar un análisis de la voz de cliente con las especificaciones técnicas que el producto debe tener. Esta relación se hizo utilizando la herramienta QFD (Quality Function Deployment).
8.1.1. Identificación de las necesidades. Para la obtención de las necesidades, se partió del criterio de todas las personas involucradas en el proceso de limpieza de cilindros, operarios, personal de mantenimiento e ingenieros de planta. Estas personas, en una entrevista personal, manifestaron sus necesidades e inconvenientes con el proceso, las cuales se volvieron a reescribir para tener en cuenta los aspectos que debe cumplir la herramienta (ver tabla 3). Para reescribir estas necesidades, es indispensable trasladar las necesidades del cliente, pero sin decir cómo se va a hacer.
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Cuadro 3. Identificación de las necesidades
No. Planteamiento del cliente Identificación de la necesidad
1 “Toca hacer mucha presión para que el cilindro quede bien”
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por parte del operario.
2 “En la brillada es donde más sudo” No se requiere de esfuerzos altos para brillar los cilindros
3 “El proceso no es que sea muy demorado, pero si son muchos pasos”
La herramienta trabaja de forma rápida.
4 “Esa brillada es a ojo y al cálculo” La herramienta proporciona un alto nivel de confianza al usuario en cuanto al resultado.
5 “Como pongo las manos, así las muevo para que quede parejito”
La herramienta garantiza homogeneidad en la limpieza del cilindro.
6 “ Lo más complicado es la brillada, el resto lo hago con una mano”
La herramienta brilla con mayor facilidad.
7 “ No podemos utilizar tampoco tecnología de punta para realizar este proceso, porque eso nos cuesta”
La herramienta es económicamente asequible
8 “La herramienta debe ser fácil de manejar”
La herramienta es de fácil manejo.
9 “La herramienta debe ejercer una presión de casi 15 lb.”
La herramienta garantiza la presión necesaria para el proceso de brillado.
10 “ Que sea estética y atractiva” La herramienta es estética 11 “ La herramienta debe servir para
todas las dimensiones de cilindros de la empresa”
La herramienta se adapta para las diferentes dimensiones de cilindros.
12 “ Los paños se deben poder cambiar fácil”
La herramienta es de fácil mantenimiento.
13 “ Debe ser una herramienta que no solo se limite a una maquina”
La herramienta se puede adaptar en otras máquinas- canoas.
14 “ Que no vaya a ser que para hacerle mantenimiento, requiera de una semana y de un especialista”
La herramienta es de fácil mantenimiento.
15 “ La herramienta debe ser fácil de instalar”
La herramienta es de fácil instalación.
16 “Me da miedo resbalarme cuando estoy brillando el cilindro”
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por
39
parte del operario para brillar el cilindro
17 “ No puede ser tan costosa” La herramienta será económicamente viable
18 “ Que tenga el tamaño apropiado” La herramienta será de un tamaño acorde a la maquina
19 “ Que sea amigable con el medio ambiente”
Sera diseñada con materiales amigables al medio ambiente
20 “ Que se pueda alimentar a la red de la planta”
Funcionamiento con red eléctrica de la planta.
Después de haber identificado las necesidades del cliente, se deben organizar jerárquicamente, siendo 5 la de mayor importancia y 1 el de menor importancia. Se deben eliminar los enunciados redundantes, aquellos que sean idénticos en significado (tabla4). El criterio que se tiene en cuenta para otorgar el grado de importancia a cada necesidad, está basado en las necesidades más latentes identificadas anteriormente. Cuadro 4. Agrupe e importancia de las necesidades
No Necesidad Importancia 1 La herramienta no requiere de esfuerzos físicos
altos para brillar los cilindros de rotograbado 5
2 La herramienta trabaja de forma rápida. 2 3 La herramienta proporciona un alto nivel de
confianza al usuario en cuanto al resultado. 5
4 La herramienta es de fácil manejo. 4 5 La herramienta garantiza la presión necesaria
para el proceso de brillado. 4
6 La herramienta es estética. 2 7 La herramienta se adapta para las diferentes
dimensiones de cilindros. 5
8 La herramienta es de fácil mantenimiento. 3 9 La herramienta se puede adaptar en otras
máquinas- canoas. 2
10 La herramienta es de fácil instalación. 4 11 El diseño será económicamente viable. 4 12 La herramienta será de un tamaño acorde a la
máquina. 2
13 Funcionamiento con red de suministro de la planta
3
14 Sera diseñada con materiales amigables al 4
Cuadro 3 (continuación)
40
medio ambiente 15 La herramienta será automática en su totalidad 2
8.2. METRICAS
8.2.1. Especificaciones del producto. Las especificaciones del producto, significan prácticamente la descripción precisa de lo que el producto tiene que hacer. Estas se obtienen de las necesidades planteadas en el punto 8.1.1.1 Las especificaciones que se describen a continuación, también son conocidas como especificaciones objetivo, ya que estas van a depender de los detalles del concepto que se seleccione posteriormente. Tabla 5. Especificaciones del producto
No Métrica
No Necesidad
Métrica Unidades
1 1,4 Fácil manejo Subjetiva 2 9,12 Adaptable a otras maquinas Subjetiva 3 6,7,12 Tamaño mm 4 1,3,5,15 Seguridad en el resultado Subjetiva 5 14 Material amigable ambientalmente Lista 6 10,12 Peso Kg 7 2 Velocidad proceso Unidades/
turno 8 1,4,7,15 Porcentaje del proceso
automatizado Subjetiva
9 13 Voltaje Voltios 10 6 Estética Subjetiva 11 1,8,14 Normas seguridad lista 12 7,10,12 Flexibilidad para los diferentes
cilindros Subjetiva
13 8 Herramientas especiales requeridas para mantenimiento
lista
14 5,6,11,14,15 Costo de producción Pesos Colombianos
15 5,12 Presión o fuerza de brillado lbf 16 10 Fácil instalación Subjetiva
Cuadro 4 (continuación)
41
8.3. QFD. Ver anexo A
El QFD, es un sistema de calidad moderno, enfocado a incrementar la participación en el mercado a través de satisfacer el cliente, ya que es una metodología que traduce la voz del cliente en parámetros de diseño. En el anexo1. Matriz QFD, se puede observar la relación entre cada una de las necesidades y sus métricas, así como su nivel de importancia en el proyecto, toda esta información se utilizó en el proceso de desarrollo para establecer las funciones que el producto debe cumplir y así satisfacer el mercado para el cual va dirigido. El resultado obtenido con el método QFD, revela que los aspectos más relevantes para tener en cuenta en el diseño son: la herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por parte del operario y la seguridad en el resultado, esto significa que el operario debe trabajar en forma segura y sencilla y el resultado tiene que ser exitoso. El operario no debe desgastarse físicamente para obtener excelentes resultados. Otros aspectos importantes recolectados del QFD, son la parte económica y la parte de automatización; se debe diseñar una herramienta que tenga un porcentaje de sistema automático y que no sea tan costoso para la empresa, la implementación de la misma. Estas características hacen una posible aproximación a los “requerimientos de diseño” más relevantes para la satisfacción del cliente. Por tal motivo, se debe empezar a diseñar a partir de estas premisas.
8.4. GENERACIÓN DE CONCEPTOS A continuación se realiza una generación de conceptos, que es una descripción aproximada de la tecnología, principios de funcionamiento y forma del producto. Es una forma de decir como el producto va a satisfacer las necesidades del cliente.
8.4.1. Descripción general del producto. Diseño de una herramienta automática que limpie los cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, antes del proceso de cromado en la planta de FLEXA Colombia.
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8.4.2. Funciones. Limpiar y brillar los cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, mediante un diseño ergonómico y seguro, para mejorar las condiciones de trabajo y evitar enfermedades laborales en los operarios encargados de esta labor. Necesidades.
Disminuir el esfuerzo físico de los operarios encargados de este proceso, al momento de brillar los cilindros.
Garantizar homogeneidad en todos los cilindros. Evitar el desgaste físico de los operarios al realizar todo el proceso. Asequible para el cliente en cuanto al costo. Fácil de utilizar
8.4.3. Descomposición funcional del producto. Para la descomposición funcional del producto se inició con la detección de las entradas y salidas que describirán cada una de las variables que el sistema deberá contener y manejar. También en la descomposición funcional se toma en cuenta las necesidades que debe cumplir la herramienta (mencionadas en la QFD, anexo 1) para así decidir las funciones y que elementos debe tener para poder cumplirlas, de esta manera se muestra en los siguientes diagramas las especificaciones y métricas usadas.
8.4.4. Caja negra. Desarticulación del problema de manera funcional
Figura 20. Caja negra de la herramienta
8.4.5. Descomposición funcional (sub funciones). Como regla general, se debe intentar descomponer los problemas de diseño. En la figura 21, se puede observar una depuración que muestra las sub funciones del proceso.
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Figura 21. Descomposición funcional del diseño
8.4.6. Conceptos generados por las sub funciones. Después de haber realizado una descomposición funcional, basado en las necesidades planteadas por la empresa y por las sub funciones tecnológicas conocidas, se aplica los conocimientos técnicos encontrados en la exploración externa e interna, para así por identificar cada una, de forma más organizada.
8.4.7. Árbol de clasificación. Las principales sub funciones se dividen en todo el espacio de posibles soluciones y facilitan la comparación.
Energía
Figura 22. Tipos de energía para la herramienta
44
Este tipo de energía se seleccionó partiendo de los suministros de la empresa, (ver tabla 2) y de los requerimientos planteados por parte de los ingenieros, que tienen como base la seguridad de los empleados.
8.4.8. Refinamiento y descomposición funcional. En el refinamiento se simbolizan las principales características que la herramienta puede tener, para que satisfaga las necesidades del cliente identificadas en el punto 8.1.
Figura 23. Refinamiento de la descomposición funcional
8.5. DESARROLLO CONCEPTUAL Inicialmente se identificaron las necesidades del cliente, se generaron unos conceptos de soluciones alternas en respuesta a esas necesidades; ahora en la selección de conceptos se evalúan los conceptos con respecto a las necesidades del cliente, comparando las fortalezas y debilidades de los conceptos y seleccionando uno o más de ellos para su investigación, prueba o desarrollo adicional.
45
8.5.1. Variantes de conceptos. Los diferentes conceptos generados para el desarrollo de este proyecto, están encaminados principalmente para resolver los problemas ergonómicos que genera el proceso de limpieza de los cilindros. Recordemos que la parte critica del proceso, lo que se denomina el cuello de botella, es el subproceso de la brillado del cilindro, que es donde el operario realiza la mayor fuerza posible y adapta una postura incorrecta para lograr obtener un resultado óptimo; los demás subprocesos del proceso de limpieza, no requieren de presiones altas ni altos esfuerzos, aunque también se puede pensar en automatizar todos los subprocesos, para que los riesgos sean mínimos. Los sub problemas que surgen a raíz de diseñar una herramienta que realiza el proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado antes del proceso de cromado, son:
Sistema de brillado Sistema de limpieza profunda ( Detergente) Sistema desengrasante (Agua jabón) Aplicación de insumos ( líquidos, brilla metal) Medición de la fuerza de brillado Instrumento para brillar Tecnología a utilizar Desplazamiento de la herramienta
8.5.1.1. Sistema de brillado.
Cuadro 6. Conceptos para el sistema de brillado
Concepto Descripción 1 Sistema de cajón en acero inoxidable, ubicado en el interior de la
máquina canoa; conformado por un conjunto de 5 PADs para brillado. Cada uno de los PADs, se encuentra sujeto a la punta del vástago de un cilindro neumático, el cual determina el avance y retroceso que deben hacer para poder ejercer la fuerza necesaria sobre el cilindro de rotograbado. Figura 24
2 Cilindro de aluminio envuelto en felpa de algodón, que ataca de forma paralela toda la superficie del cilindro de rotograbado. Figura 25
3 Cilindro neumático de doble efecto, con herramienta de brillado PAD unido al vástago, desplazándose linealmente sobre un riel o guía. Figura 26
46
Figura 24. Concepto 1, sistema de brillado
Figura 25. Concepto 2, sistema de brillado
Figura 26. Concepto 3, sistema de brillado
8.5.1.2. Sistema de limpieza profunda.
Cuadro 7. Conceptos para el sistema de limpieza profunda
Concepto Descripción 1 Sistema de cilindro neumático de doble efecto, con paño de
algodón en la punta del vástago, desplazándose linealmente sobre un riel o guía. Figura 27.
2 Sistema de agua a presión. Manguera sujeta a la base del cilindro neumático lineal, que se desplaza a lo largo de la máquina canoa. Requiere la utilización de una bomba. Figura 28.
3 Aplicación manual con paño de algodón, que no requiere esfuerzos altos.(Actualmente)
47
Figura 27. Concepto 1, sistema de limpieza profunda
Figura 28. Concepto 2, sistema de limpieza profunda
8.5.1.3. Sistema desengrasante.
Cuadro 8. Conceptos para el sistema de desengrasante
Concepto Descripción 1 Sistema de cilindro neumático de doble efecto, con espuma en la
punta del vástago, desplazándose linealmente sobre un riel o guía. Figura 29
2 Aplicación manual con espuma, que no requiere de esfuerzos altos. (Actualmente)
Figura 29. Concepto 1, sistema desengrasante
48
8.5.1.4. Aplicación de insumos. Cuadro 9. Conceptos para la aplicación de insumos
Concepto Descripción 1 Sistema de lubricación automática que se desplaza junto a la
herramienta. La manguera va unida a la herramienta terminal y el fluido permanece arriba con la ayuda de una bomba. Figura 30.
2 Aplicación manual de insumos, utilizando un pote o tarro. Figura 31. (Actualmente)
Figura 30. Concepto 1, aplicación de insumos
Fuente: Manguera de enfriamiento [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en: http://www.knuth.de/produkt,9504,sprache,4.html
Figura 31. Concepto 2, aplicación de insumos
8.5.1.5. Medición de la fuerza de brillado.
49
Cuadro 10. Conceptos para el sistema de presión
Concepto Descripción 1 Celda de carga (figura 32) 2 Criterio del operario
Figura 32. Concepto 1, sistema de presión
Fuente: Células de carga a compresión [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/C%C3%A9lulas-de-carga---Sensores-de-fuerza_69/C%C3%A9lulas-de-carga-a-compresi%C3%B3n_76/ Lo que se busca con la celda de carga, es ubicarla dentro de la pieza que está sujeta el PAD, como se puede observar en la figura 33, la fuerza recae sobre el pad que a su vez comprime los resortes y la punta de la celda. La salida de la celda ira a un puente wheatstone y posteriormente a un display LCD.
Figura 33. Celda de carga
8.5.1.6. Instrumento para brillar.
50
Cuadro 11. Conceptos instrumento para brillar
Concepto Descripción 1 PAD circular, utilizado en la labor de brillado de automóviles.
Figura 34. 2 PAD rectangular; pastas especiales para brillar metales. Figura
35. 3 Felpa de algodón, envuelta en rodillo de aluminio. Figura 36
Figura 34. Concepto 1, Instrumento para brillar
Fuente: CUT PADS [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.cutpads.com/?_escaped_fragment_=para-brillar
Figura 35. Concepto 2, Instrumento para brillar
Fuente: Pasta para brillas [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.solostocks.com.co/venta-productos/herramientas/herramientas-manuales/pasta-para-brillar-337065
Figura 366. Concepto 3, Instrumento para brillar
8.5.1.7. Tecnología a utilizar.
51
Cuadro 12. Conceptos para la tecnología a utilizar
Concepto Descripción 1 Sistema automatizado utilizando un PLC para todo el proceso.
Figura 37. 2 Sistema basado en un conjunto de pulsadores de accionamiento
manual; electrónica análoga. Figura 38. 3 Sistema automático, utilizando un micro controlador
Figura 37. Concepto 1, tecnología a utilizar
Fuente: LOGIG MODULE [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-module-logo/pages/default.aspx
Figura 38. Concepto 2, tecnología a utilizar
Fuente: Servicios y soluciones eléctrica industrial [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://sysei.com.mx/
8.5.1.8. Desplazamiento de la herramienta.
Cuadro 13. Conceptos para el desplazamiento de la herramienta
Concepto Descripción 1 Sistema mecánico, basado en engranaje de piñones y transmisión
de movimiento. 2 Movimiento manual sin necesidad de esfuerzos altos; La
herramienta se desplaza a lo largo de un carril o guía, utilizando el sistema de cola de milano.
3 Cilindro neumático lineal ubicado de forma horizontal, sobre el cual se sujeta la herramienta.
52
8.5.2. Combinación de conceptos. La combinación de conceptos, generan unas posibles soluciones que se representan en la tabla 14. Estas combinaciones se realizan teniendo en cuenta como pueden trabajar en conjunto varios conceptos, por tal motivo se deben descartar combinaciones que no tienen sentido de funcionamiento. En la generación de conceptos, algunos conceptos establecen como alternativa, la posibilidad se seguir realizándose como se hace actualmente, ya que lo que se debe atacar principalmente, es el subproceso de brillado de los cilindros.
Cuadro 14. Combinación de conceptos
Solución A
Solución B
Solución C
Solución D
Solución E
Sistema de brillado
Concepto 1
Concepto 2
Concepto 3
Concepto 3
Concepto 3
Sistema de limpieza profunda
Concepto 3
Concepto 3
Concepto 1
Concepto 3
Concepto 2
Sistema desengrasante
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 1
Aplicación de insumos
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 2
Concepto 1
Medición de la fuerza de brillado
Concepto 1
Concepto 2
Concepto 1
Concepto 1
Concepto 1
Instrumento para brillar
Concepto 1
Concepto 3
Concepto 2
Concepto 1
Concepto 1
Tecnología a utilizar
Concepto 2
Concepto 1
Concepto 2
Concepto 3
Concepto 1
Desplazamiento de la herramienta
----------- Concepto 1
Concepto 2
Concepto 3
Concepto 1
53
Solución A: Figura 379. Solución A
La herramienta diseñada en la solución A (figura 39), se basa principalmente en un conjunto de 5 PADs de 7 pulgadas de diámetro, que se encuentran dentro de una caja que está ubicada en el interior de la maquina canoa. Cada uno de los PADs, estará sujeto a la punta del vástago de un cilindro neumático de doble efecto, cuya carrera máxima es de 100mm debido al poco espacio que se presenta dentro de la máquina. Cada uno de los cilindros neumáticos tiene 2 botones accionadores, uno verde para sacar el vástago y uno rojo para retrocederlo. En la figura 39, se puede observar los 5 botones rojos y los 5 botones verdes que corresponden al retroceso y avance de cada uno de los actuadores neumáticos. La fuerza que está ejerciendo cada uno de los pistones sobre los cilindros de rotograbado, se podrá visualizar en el display correspondiente a cada uno de los cilindros neumáticos. Para medir la fuerza que cada uno de los actuadores está ejerciendo sobre el cilindro de rotograbado, se ubica una celda de carga dentro de la estructura del PAD de cada uno. La salida de la celda de carga, va a un puente wheatstone, para posteriormente ser visualizada en un display LCD. El subproceso de aplicación de detergente y el subproceso de aplicación de agua jabón, se realiza como se hace actualmente en la empresa EMPAQUES FLEXA,
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ya que estos subprocesos no requieren de esfuerzos altos ni posturas inadecuadas. Ergonomía: Este diseño ataca el principal problema ergonómico al que están sometidos los operarios, los esfuerzos y las malas posturas que tienen que realizar en el subproceso de brillado. Costos: A continuación se hace una lista de los principales elementos necesarios para realizar el diseño de la solución A. Cuadro 15. Costos solución A
Producto Cantidad Precio unidad Precio total Cilindro neumático, carrera 100mm
5 112.000 560.000
Pulsador NO. 10 8.261,46 82.614,6 Mecanizado de cajón, en acero inoxidable calibre 20 (0.9mm) , 1400*274,9*90,92mm, soldado
1 1.332.100
Disco Polipropileno 7`` por 20 mm de espesor
5 50.000 250.000
Felpa de algodón 7`` 5 19.900 99.500 Electroválvula 5/3 5 484.325 2.421.625 Unidad mantenimiento
1 237.313 237.313
Válvula de estrangulamiento
10 42.116,25 421.162,5
Bobina magnética 10 54.757,75 547.577,5 Regulador de presión
5 95.637 478.185
Pantalla de control 1 1.782.025 1.782.025 Unidad alimentadora de 24 VDC
1 577.280 577.280
Silenciadores 10 15.349 153.490 Racores 10 15.000 150.000 Manguera 50m 4.046,70 202.335
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Display LCD 5 8.500 42.500 Sensor celda de carga
5 540.000 2.700.000
TOTAL 12.037.708 En la tabla 15, se relacionan los principales componentes que conforman el diseño de la solución A. Las cotizaciones realizadas se pueden encontrar en el anexo O. A pesar de ser un diseño sencillo debido a que solo va a realizar el subproceso de brillado, requiere de una inversión alta, ya que consta de 5 PADs y cada PAD debe tener un cilindro neumático para poder ajustar la presión de cada uno; además se necesita del mecanizado del cajón donde irán ubicados los PADs. Cabe recordar que los elementos relacionados en la tabla 15, son los más importantes para el funcionamiento del diseño de la solución A. Problemas o desventajas: Una de las principales desventajas de este diseño, es el accionamiento manual que tienen que realizar los operarios para ejercer la fuerza sobre los cilindros de rotograbado. También existe un grado de complejidad alto para realizar todo el montaje de la herramienta dentro de la máquina, debido al poco espacio con el que se cuenta en su interior. En la empresa empaques FLEXA, existe una máquina que trabaja con el mismo principio; tiene unos discos de pulido dentro de la máquina que giran a una velocidad constante y van puliendo el cilindro de rotograbado. Adicionalmente la herramienta que contiene el juego de discos, se desplaza horizontalmente para abarcar todo la superficie del cilindro. Con la solución A, se puede presentar un problema y es que pueden quedar unos espacios milimétricos entre cada PAD, por tal motivo, esas áreas no quedaran brilladas, no habrá homogeneidad en el resultado.
Cuadro 15 (continuación)
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Solución B: Figura 40. Solución B
La herramienta planteada en la solución B (figura 40), es una herramienta que ataca principalmente el subproceso de brillado; Se basa en un sistema automático en el cual se controla la posición del motor. Utiliza un motor trifásico de 10Hp a 1800Rpm. El cambio de giro del motor, se realiza con un dispositivo llamado controlador de giro. La posición que debe alcanzar el motor, se realiza utilizando un sistema de encoder, que permite una detección de valores reales y la materialización del número de revoluciones. El cerebro de la herramienta es un PLC de siemens, en el cual se implementa un PID. Al PID, llega la señal del encoder y con la señal de referencia se hará la comparación. Al final, hará que estas dos señales sean iguales, logrando así, que el motor se mueva a la posición indicada. El operario simplemente debe seleccionar en la pantalla HMI, el diámetro del cilindro de rotograbado que desea limpiar. La fuerza con la que se brilla el cilindro de rotograbado, está determinada por la posición que logra alcanzar la herramienta, ósea, por la distancia que logre bajar a atacar el cilindro de rotograbado. El rodillo con el que se brilla los cilindros de rotograbado, tiene un diámetro de 5 pulgadas y está envuelto en una felpa de algodón. Los otros subprocesos de desengrasante y de retiro de mini partículas, seguirán siendo igual que como se hacen actualmente en la empresa de EMPAQUES FLEXA, debido a que estos no requieren de esfuerzos altos.
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Ergonomía: Este diseño disminuye los altos esfuerzos que realiza el operario actualmente para brillar los cilindros y por supuesto las malas posturas que ocasionan dolores lumbares. Costos: En la tabla 16, se relacionan los costos de los principales elementos que componen la solución B. Cuadro 16. Costos solución B
Producto Cantidad Precio unidad Precio total Cilindro en aluminio 1500 mm de longitud 5 pulg. D.
1 646.120 646.120
PLC Festo 1 1.148.582 1.148.582 Cilindro en Acero 2000mm*3mm espesor
1 809.020 809.020
Felpa de algodón por metro
2m 31.000 62.000
Fuente 24 V DC 1 577.280 577.280 Piñón 2 150.000 300.000 Pantalla HMI 1 1.782.025 1.782.025 Carcasa de protección en acrílico
1 42.100 42.100
Encoder 1 1.450.000 1.450.000 Controlador de giro 1 63.900 63.900 Brazos herramienta en acero más soldadura
2 623.300 1.246.600
Rodamientos de bolas SFK
2 1.135.000 2.270.000
Motor trifásico 10Hp a 1800 Rpm
1 980.000 980.000
Bases para rodamientos en Acero
2 345.000 690.000
TOTAL 12.067.627 Problemas o desventajas: Es una inversión alta con respecto a las otras soluciones planteadas.
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Otro factor que se identificó, gracias a la experiencia de los trabajadores de EMPAQUES FLEXA con cilindros y rodillos, es que la herramienta cilíndrica que se está utilizando en este diseño, puede tender al pandeo en un corto plazo, debido a que va a estar expuesta a constantes esfuerzos. También se debe tener en cuenta que el cilindro de aluminio a utilizar, no es comercial, se debe mandar a mecanizar y en caso de daño o desgaste, se debe esperar un tiempo a que el distribuidor lo realice. Solución C: Figura 41. Solución C
El diseño planteado en la solución C, es un diseño semi automático, que consta de dos carros guías que se desplazan sobre un riel y en su interior cada carro tiene un cilindro neumático, con diámetro de embolo de 32mm y carrera de 250mm. El operario debe ubicar el carro en frente del cilindro y utilizar los pulsadores marcha y paro (verde y rojo respectivamente) para el avance y retroceso de los
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pistones. En el vástago del cilindro neumático que se encuentra en la izquierda, se encuentra un PAD de algodón para realizar el subproceso de brillado, y en la punta del vástago del cilindro que se encuentra a la derecha (figura 41) se encuentra otro PAD, pero para realizar el subproceso de aplicación de detergente. El sensor que calcula la presión que se está ejerciendo sobre el cilindro, es una celda de carga que ira dentro de la estructura del PAD. Su salida va a un puente wheatstone, para posteriormente ser visualizada. El operario debe observar en el display LCD, la fuerza que se está ejerciendo, para así determinar si debe sacar o meter el pistón neumático. Cuando la presión que está ejerciendo los PADs sobre los cilindros de rotograbado, es la adecuada, el operario podrá desplazar fácilmente el carro sobre el riel, mientras riega manualmente las sustancias liquidas sobre la superficie del cilindro de rotograbado. El riel está construido siguiendo el principio de cola de milano. El subproceso de desengrasar, se debe realizar manualmente ya que no requiere de ningún esfuerzo alto. En conclusión, la presión sobre los cilindros de rotograbado la está ejerciendo los pistones de los cilindros neumáticos, y mientras esto ocurre, el operario desplaza la herramienta por todo el carril. Ergonomía: El diseño de la solución C, es una buena opción de reemplazar el subproceso de brillado, ya que se está eliminando por completo los esfuerzos que realiza el operario actualmente y adicionalmente se está reemplazando el subproceso de aplicación de detergente. Costos: En la tabla 17 se relacionan los principales componentes necesarios para implementar el diseño de la solución C, Es sistema de cola de milano, es un proceso totalmente rectificado, por tal razón es costoso (ver anexo O. cotizaciones). También se requiere de dos cilindros neumáticos, con diámetro de embolo de 32mm y carrera de 250mm, incluyendo los componentes neumáticos que se requieren para un buen funcionamiento
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Cuadro 17. Costos solución C
Producto Cantidad Precio unidad Precio total Cilindro neumático, carrera 250mm. D.32mm
2 286.974 573.948
Pulsador NO. 4 8.261,46 33.045,84 Mecanizado cola de milano
1 3.400.000 3.400.000
Felpa rectangular 2 22.000 44.000 Electroválvula 5/2 2 406.308 812.616 Unidad mantenimiento
1 237.313 237.313
Válvula de estrangulamiento
4 42.116,25 168.465
Mecanizado carcasa 2 87.000 174.000 Bobina magnética 4 54.757,75 219.031 Silenciadores 4 15.349 61.576 Regulador de presión
2 95.637 191.274
Racores 10 15.000 150.000 Carril de acero para sujetar cola de milano 300*1840mm
1 2.350.000 2.350.000
Manguera 20m 4.046,70 80.934 Display LCD 2 8.500 17.000 Sensor celda de carga
5 540.000 2.700.000
TOTAL 11.213.203 En total se requiere una inversión aproximada de $11.213.203 para la implementación de la solución C, si se compara con las otras soluciones, se puede decir que esta es costosa, debido a que la intervención del operario es mayor. Problemas o desventajas: Puede ser un gran problema, la sincronización que el operario debe tener, para ir desplazando la herramienta y regando los insumos en la superficie del cilindro de rotograbado. Otro problema que se puede presentar, se da debido a que el operario es quien va a determinar la presión con la que ataca el cilindro. Cada operario puede tener un criterio diferente, por lo cual no habrá una homogeneidad si no se limita la presión que debe registrar la celda de carga. Un posible problema es la adecuación del
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vástago de los cilindros neumáticos, que se encuentran inclinados para atacar el centro de los cilindros en el proceso de limpieza; los vástago inclinados no son comerciales, se deber hacer una pieza mecanizada con rosca M10 para adaptar al vástago. Solución D: Figura 382. Solución D
La solución D (figura 42), se enfoca en el subproceso crítico de la limpieza, en el brillado. Este diseño consta de un cilindro neumático sin vástago, que está ubicado a lo largo de toda la máquina; este cilindro tiene una carrera de 1400 mm y un diámetro de embolo de 25mm. Como este cilindro no tiene vástago, el embolo interno, va sujeto a un carro externo en la parte superior del cilindro, ósea que lo que se desplaza externamente, es el carro externo. Sobre el carro externo, se sujeta otro cilindro neumático pero con vástago; este segundo actuador, tiene una carrera de 200mm y un diámetro de embolo de 25mm. Sujeto al vástago, ira una PAD circular de 7 pulgadas de diámetro, con el cual se brillara el cilindro de rotograbado Todo el proceso será automático gracias a la utilización de un micro controlador. El micro controlador a utilizar es un PIC 18f4550 que trabaja con 4 puertos, suficientes para controlar todo el sistema. El PIC, controla los desplazamientos que debe realizar la herramienta, esto se logra utilizando sensores magnéticos de posición a lo largo del cilindro lineal sin vástago.
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Sobre la estructura del PAD, se ubicara una celda de carga, la cual sensa la fuerza que se esté ejerciendo sobre el cilindro de rotograbado. La velocidad de los cilindros se controla con válvulas de estrangulación y antirretorno de caudal, en los escapes. El riel sobre el que se desplaza el carro, está inclinado aproximadamente 30 grados con el fin de atacar en el centro de los cilindros de rotograbado. Al estar inclinado 30 grados, se garantiza que independientemente del diámetro del cilindro que se vaya a limpiar, la herramienta hará contacto directo con el mismo. La aplicación de los insumos sigue siendo manual. Ergonomía: Se ataca el problema critico que se presenta en el subproceso de brillada de los cilindros. La principal ventaja de este diseño, es que el operario no tiene que realizar ningún esfuerzo para brillar el cilindro; se disminuye la intervención del operario. Costos: En la tabla 18, se relacionan los costos de los principales elementos que componen la solución D
Cuadro 18. Costos solución D
Producto Cantidad Precio unidad
Total
PIC 18F4550 1 17.000 17.000 Cilindro sin vástago 1 1.160.191 1.160.191 Cilindro de doble efecto 1 253.794 253.794 Elementos electrónicos, para circuito del PIC
1 350.000 350.000
Sensor magnético de proximidad
7 92.603,71 648.226
Unidad de mantenimiento 1 237.313 237.313 Válvula de estrangulación y antirretorno
4 42.116,25 168.465
Electroválvula 5/2 1 406.308 406.308 Electroválvula 5/3 1 484.325 484.325 Bobina magnética 4 54.757,75 219.031 Racores 10 15.000 150.000 Silenciador 4 15.349 61.396 Tubo plástico 20 m 4.046,70 80.934 Regulador de presión 2 95.637 191.274 Carril para herramienta 1 1.541.000 1.541.000
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+soladura Pulsador PE. XCSDMR5902
1 232.000 232.000
Carcasa herramienta más soldadura
1 87.700 87.700
Disco para felpa en Empack 1 60.000 60.000 PAD- felpa7`` 1 19.900 19.900 Unidad Guía Festo 1 1.049.538 1.049.538 Unidad alimentadora de 24V DC
1 577.280 577.280
Sensor celda de carga 1 540.000 540.000 TOTAL 8.535.675
Los costos que se relacionan en la tabla 18, son bajos, con respecto a las otras soluciones planteadas y teniendo en cuenta el beneficio tan alto que representa para la empresa que los operarios no tengan que realizar esfuerzos altos, al realizar el subproceso de brillado de forma automática. Con respecto a la solución C, la inversión en este diseño es más baja y es un proceso automatizado, a diferencia de la solución C, donde el operario debe desplazar la herramienta manualmente. Problemas o desventajas: La aplicación de líquidos es manual. Solución E: Figura 39. Solución E
La figura 43, representa el diseño de una herramienta totalmente automatizada y controlada por un PLC.
Cuadro 18 (continuación)
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La herramienta está ubicada en la parte de atrás de la máquina; Tiene un carro que contiene 2 cilindros neumáticos con carrera de 250mm y un cilindro neumático lineal sin vástago, también con carrera de 250mm. El desplazamiento de la herramienta se logra por medio de un servomotor, que tiene un momento de inercia de salida de , los desplazamientos de la herramienta los controla un generador de PWM, programado en el PLC. En la figura 43, se puede observar que la correa azul dentada en V, esta engranada con los piñones de los extremos. El piñón de la izquierda, es el que está sujeto al eje del servomotor. La correa dentada, también está unida a la cremallera que esta atornillada en parte trasera de la herramienta; de esta forma se traslada la herramienta a lo largo de la máquina. El proceso completo de limpieza de los cilindros de rotograbado, lo realiza la herramienta automáticamente. El cilindro de la izquierda, realiza el subproceso de brillado, el cilindro guía realiza el subproceso de limpieza profunda regando sobre el cilindro de rotograbado agua a presión y el cilindro neumático de la derecha, realiza el subproceso de desengrasante. Las velocidad de avance y retroceso de los cilindros neumáticos, se controlan por medio de una válvula de estrangulación de caudal. Los PADs que están unidos a los vástagos de los cilindros neumáticos, poseen un sensor celda carga, los cuales censan la fuerza con la que se está atacando el cilindro de rotograbado; la salida de la celda de carga, va a un puente wheatstone para posteriormente ser visualizada en la pantalla HMI. El suministro de insumos líquidos, también es automático y controlado por el PLC que manda una señal a la bomba de 0.5 Hp 35lts/min 370watts, cada uno de los fluidos, para que salgan por la manguera que está unido a cada uno de los PADs. En total se requiere de 3 bombas El operario simplemente debe seleccionar las dimensiones del cilindro que va a limpiar, activar el inicio de la herramienta y esperar a que finalice el proceso. Ergonomía: Este diseño elimina por completo los esfuerzos que tiene que realizar el operario durante el proceso, eliminando casi al máximo la intervención del mismo. Costos: La implementación de este diseño, requiere de una alta inversión, con respecto a las soluciones anteriores, debido a que se hace necesaria la utilización
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de 3 bombas, 3 cilindros neumáticos, uno de ellos sin vástago, un servomotor de 57 W de potencia y todo el montaje neumático que se requiere. En la tabla 19, se relacionan los precios de los principales elementos que deberá tener el sistema de la solución E para funcionar correctamente.
Cuadro 19. Costos solución E
Producto Cantidad Precio unidad
Total
PLC Festo 1 1.148.582 1.148.582 Cilindro sin vástago 1 178.571 178.571 Cilindro de doble efecto 2 253.794 507.588 Servomotor 1 350.000 350.000 Carcasa servomotor acero inoxidable calibre 20
1 27.500 27.500
Unidad de mantenimiento 1 237.313 237.313 Válvula de estrangulación y antirretorno
6 42.116,25 252.97,5
Fuente 24 VDC 1 577.280 577.280 Unidad de indicación y control HMI
1 1.782.025 1.782.025
Piñones 2 135.000 270.000 Electroválvula 5/3 3 484.325 1.452.975 Bobina magnética 6 54.757,75 328.546,5 Correa dentada con alma de acero 2000 mm
1 245.000 245.000
Racores 20 15.000 300.000 Silenciador 6 15.349 61.396 Tubo plástico 50 m 4.046,70 161.868 Regulador de presión 3 95.637 286.911 Carril para herramienta en acero inoxidable
1 770.000 770.000
Carcasa herramienta 1 87.700 87.700 PAD rectangular 2 22.000 44.000 Base para carcasa de herramienta en acero
1 70.500 70.500
Sensor celda de carga 2 540.000 1.080.000 Pulsador paro de emergencia
1 232.000 232.000
Bomba 3 245.000 735.000 TOTAL 10.934.756
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Adicional a estos elementos, se deberá comprar una unidad guía para evitar la fractura del vástago de los cilindros neumáticos; cada unidad guía, tiene un costo de $1.049.538 y son dos cilindros neumáticos con vástago. La inversión aproximada que se debe realizar, para implementar la solución E, es de aproximadamente $13.033.832. Se debe tener en cuenta que los elementos relacionados en la tabla 19, son los principales para el funcionamiento de la herramienta diseñada en la solución E; si se hace un análisis más detallado, se pueden encontrar otros elementos que sean necesarios para la implementación. Problemas o desventajas: La principal desventaja radica en que es más costosa que la solución D y la programación y el montaje de la herramienta es más complejo que las soluciones anteriores. Otro problema identificado por el personal de mantenimiento, es que la maquina canoa donde se instalara la herramienta, está unida en la parte de atrás con otra máquina canoa, por tal motivo para realizar el mantenimiento o algún cambio de un elemento de la herramienta, es complejo llegar a ella que estará situada en la parte de atrás.
8.6 SELECCIÓN DE CONCEPTOS
8.6.1 Matriz de selección. Para la realización de la matriz de selección, se debe comparar todas las soluciones con una referencia. En este caso la referencia fue escogida por el personal del área de cilindros y los ingenieros, que identificaron el diseño D como el que más se adapta a la necesidad que tienen y como el más efectivo.
Los ingenieros justificaron su elección, en la baja complejidad del diseño; también tuvieron en cuenta que los elementos todos son comerciales y esto disminuye los tiempos de entrega y aumenta la fácil adquisición. Otro criterio que se tuvo en cuenta, fueron los precios de los elementos necesarios relacionados anteriormente en numeral 8.5.2, ya que para ellos es de vital importancia reducir los esfuerzos altos que ejercen los operarios, pero a un bajo costo.
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Los criterios con los que se realiza la matriz, salen de las principales necesidades y de las de mayor importancia, planteadas por la empresa empaques FLEXA, en el numeral 8.1.1. Los ítems con los que se evalúan los criterios de selección, son los siguientes: +: Mejor que… 0: Igual a… -: Peor que… De acuerdo a la referencia que se escogió, se evalúan las diferentes variantes. Por ejemplo si la variante A tiene un concepto mejor que la variante de referencia, se coloca un mas (+); si tiene un concepto peor que la referencia se coloca un menos o si es igual a la referencia, se coloca un 0 (Tabla 20).
Cuadro 20. Matriz de selección
Criterio de selección VARIANTES
A B C
D REF
E
Disminuir el esfuerzo físico de los operarios encargados de este proceso, al momento de brillar los cilindros.
- o 0 + 0
Garantizar homogeneidad en todos los cilindros.
- - + + 0
Evitar el desgaste físico de los operarios al realizar todo el proceso. Intervención del operario
- 0 - 0 +
Asequible para el empresa en cuanto a precio.
- - - + -
Fácil de utilizar 0 + - 0 + Positivos (+) 0 1 1 3 2
Iguales (0) 1 2 1 2 2 Negativos (-) 4 2 3 0 1
Total -4 -1 -2 3 1 Orden 5 3 4 1 2
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8.6.2 Matriz de evaluación de conceptos.
Cuadro 21. Matriz de evaluación de conceptos
VARIANTES DE CONCEPTOS A B C D E
Criterios de selección
Ponderación %
Nota Criterio ponderado
Nota Criterio ponderado
Nota Criterio ponderado
Nota Criterio ponderado
Nota Criterio ponderado
Disminuir el esfuerzo físico de los operarios encargados de este proceso, al momento de brillar los cilindros.
30 4 1,2 4 1,2 4 1,2 5 1,5 5 1,5
Garantizar homogeneidad en todos los cilindros.
20 2 0,4 2 0,4 3 0,6 5 1 5 1
Evitar el desgaste físico de los operarios al realizar todo el proceso. Intervención del operario
20 3 0,6 3 0,6 3 0,6 4 0,8 5 1
Asequible para la empresa en cuanto a precio.
25 1 0,25 4 1 2 0,5 4 1 2 0,5
Fácil de utilizar 5 2 0,1 4 0,2 4 0,2 5 0,25 5 0,25 TOTAL
2.55 3.4 3.1 4.5 4,25
ORDEN 5 3 4 1 2 ¿Continua? NO NO NO SI SI
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De la matriz de evaluación de conceptos (tabla21), se eliminan los conceptos que no cumplen con algunos de los criterios más importantes que se deben tener en cuenta para el diseño de la herramienta automática de limpieza, las soluciones A, B y C, no continúan. Mientras que el diseño de la solución D y E, si continúan. Se le da mucho peso de calificación al criterio “Asequible para la empresa en cuanto a precio”, debido a que fue una de las premisas que tuvieron en cuenta los ingenieros al inicio del proyecto. En la retroalimentación que se hizo hasta este punto del proyecto, los ingenieros y el personal de la planta, realizaron una serie de sugerencias para el diseño D. Por tal motivo surge la solución F, que corresponde a una mejora en la solución D. Solución F: Mejora solución D
La solución D, se encuentra diseñada con un dispositivo de control PIC 18f455. Los ingenieros recomiendan la utilización de un PLC, debido a que ya se encuentran familiarizados con estos dispositivos y destacan su simplicidad de programación.
Otro criterio que tuvieron en cuenta los ingenieros para recomendar este dispositivo de control, es que presentan la posibilidad de introducir modificaciones en el sistema, sin necesidad de cambiar el cableado o añadir aparatos; además se conoce la existencia en al almacén de la planta, de un PLC de siemens S7-200 CPU 226.
8.6.3 Evaluación de conceptos recalculada. Después de haber realizado una mejor en el diseño D, se procede nuevamente a realizar una evaluación de conceptos entre las dos posibles soluciones mejor calificadas anteriormente.
Cabe recordar, que las posibles soluciones se evalúan con respecto a la solución de referencia seleccionada por los ingenieros de la planta de EMPAQUES FLEXA.
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Cuadro 22. Matriz de evaluación de conceptos recalculada
VARIANTES DE CONCEPTOS F E
Criterios de selección
Ponderación %
Nota Criterio ponderado
Nota Criterio ponderado
Disminuir el esfuerzo físico de los operarios encargados de este proceso, al momento de brillar los cilindros.
30 5 1.5 5 1.5
Garantizar homogeneidad en todos los cilindros.
20 5 1 5 1
Evitar el desgaste físico de los operarios al realizar todo el proceso. Intervención del operario
20 4 0.8 5 1
Asequible para el usuario en cuanto a precio.
25 4 1 3 0.75
Fácil de utilizar 5 5 0.25 5 0.25 TOTAL
4.55 4.5
ORDEN 1 2 ¿Continua? SI NO
Conclusiones de variantes de conceptos Todas las soluciones propuestas con la combinación de conceptos, se hubieran podido mejorar técnicamente, pero igual van a seguir teniendo grandes desventajas si se comparan con otros y evaluándolas con los criterios de selección.
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La mejora de la solución D, hace posible encontrar una solución más acorde a la necesidad latente de la empresa, que es optimizar el subproceso de brillado, disminuyendo los esfuerzos que realiza el operario y a un bajo costo. El diseño ideal es el planteado en la solución E, en el que el operario prácticamente no tiene que intervenir en el proceso, pero este diseño requiere de una inversión muy alta por parte de la empresa. En reuniones establecidas anteriormente con los ingenieros de la planta, manifestaron que no querían implementar tecnología tan sofisticada en este proceso, que ellos preferían algo más económico y que atacara principalmente el proceso de brillado. Esta premisa planteada por los ingenieros, fue clave para relacionar los criterios de selección con las soluciones propuestas en la tabla 22. El diseño seleccionado, solución F, es un diseño muy práctico, que se acomoda a todas las necesidades de la empresa EMPAQUES FLEXA, debido a que es una herramienta automática, que ataca el principal problema por el cual se generó este proyecto, el brillado de los cilindros. Con este diseño se garantiza que los operarios no deberán ejercer presiones altas para alcanzar excelentes resultados, ni mucho menos posiciones inadecuadas que generan dolor lumbar. Esta solución garantiza algo muy importante para la empresa, la calidad, debido a que el cilindro de rotograbado tendrá un acabado homogéneo y disminuye la intervención del operario. El tiempo que se va a demorar el proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado, no fue un punto clave a tener en cuenta en la selección de conceptos, ya que como previamente se explicó, en un turno de 8 horas un operario debe limpiar aproximadamente entre 10 a 15 cilindros, que no representan grandes cantidades. Esta cantidad de cilindros de rotograbado que se limpian en un turno de 8 horas, no está dada por el tiempo, sino por la disponibilidad de cilindros que hay. Conceptos de la solución seleccionada Cuadro 23. Conceptos de la solución seleccionada
Criterio Concepto Descripción Sistema de brillado 3 Cilindro neumático de doble efecto,
con herramienta de brillado PAD unido al vástago, desplazándose linealmente
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sobre un riel o guía Sistema de limpieza profunda
3 Aplicación manual con paño de algodón, que no requiere esfuerzos altos.
Sistema desengrasante 2 Aplicación manual con espuma, que no requiere de esfuerzos altos.
Aplicación de insumos 2 Aplicación manual de insumos, utilizando un pote o tarro.
Medición de la fuerza de brillado
1 Celda de carga
Instrumento para brillar 1 PAD circular utilizado en la labor de brillado de automóviles.
Tecnología a utilizar 1 Sistema automatizado utilizando un PLC para todo el proceso.
Desplazamiento de la herramienta
3 Cilindro neumático lineal ubicado de forma horizontal, sobre el cual se sujeta la herramienta.
Cuadro 23 (continuación)
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9. PRUEBA DE CONCEPTOS
La prueba de conceptos realizada, es una prueba de conceptos cualitativa, realizada con el propósito de socializar el diseño de la herramienta seleccionada, con todo el personal involucrado en la plata de FLEXA y así, poder hacer unas mejoras de acuerdo a la interpretación de los resultados obtenidos. Se realizó una entrevista de forma personal, con cada uno de los ingenieros de producción y con los operarios encargados del proceso de limpieza de cilindros de rotograbado. A cada uno de ellos se les mostró y se les explico el diseño de la herramienta; Después de haber realizado este proceso, se realizó unos cambios en el diseño de la herramienta, de acuerdo a los requerimientos del cliente y de los usuarios. También se realizó una prueba experimental para poder determinar la fuerza con la cual los operarios brillan los cilindros de rotograbado. No siempre lo más sofisticado, es lo mejor o lo más práctico. Fuerza a ejercer en el brillado. Cuando se recolectó la información y las necesidades sobre el proceso, los operarios dijeron que la fuerza con la que se brillaban los cilindros de rotograbado, era de aproximadamente 15 o 20 libras. Para cerciorarse de esta medida, se realizó la siguiente prueba experimental. Se ubicó una balanza en una superficie plana y se les pidió el favor a los operarios encargados del proceso, que realizaran sobre la balanza (ver figura 44), la fuerza que normalmente ejercían para brillar los cilindros de rotograbado. Los resultados están registrados en la tabla 24.
Figura 40. Medición de fuerza para brillado
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Cuadro 24. Resultados experimento cálculo de fuerza
No Prueba Valor (lb) 1 47,4 2 50,5 3 49,2 4 50,5 5 48,3 6 50,1 7 50,6 8 46,8 9 49,6
10 49 11 49,7 12 48,9
Media 49,216 lb La prueba se les realizo a dos operarios encargados del proceso de limpieza de cilindros, en diferentes turnos y a tres horas de haber empezado turno de 8 horas. Con la fuerza calculada, 49,21lb, se tiene una mejor aproximación a los cálculos correspondientes para el diseño seleccionado. Sensor de fuerza-compresión: El diseño seleccionado, utiliza un sensor para medir la presión que ejerce el PAD sobre la superficie del cilindro de rotograbado. Dicho sensor, es una celda de carga a compresión AEP tipo CM12, que está diseñada con bajos perfiles y diámetros, para medir fuerzas a compresión en un rango que va desde 10Kg a 5000Kg. La fuerza que necesita ejercer el operario al cilindro de rotograbado, es de aproximadamente 49,21lb, por lo cual varios ingenieros especializado en soluciones neumáticas, Ing. Gerardo Cortez e Ing. Indalecio Camacho, recomiendan utilizar la fuerza del pistón, para ejercer la presión en los cilindros de rotograbado, sin necesidad de utilizar el sensor o célula de carga a compresión.
12 SENSING [en línea]. Célula de carga a compresión. [Consulado el 29 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/C%C3%A9lulas-de-carga---Sensores-de-fuerza_69/C%C3%A9lulas-de-carga-a-compresi%C3%B3n_76/C%C3%A9lula-de-carga-a-compresi%C3%B3n-AEP-C2S-y-C8S_165.html
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Ecuación 2. Presión en la línea
Ecuación 3. Área del cilindro
Se calcula la presión con la que se debe alimentar el actuador neumático, para ejercer la fuerza que se requiere; el pistón siempre atacara al cilindro de rotograbado, con la misma fuerza, ya que esta depende de la alimentación en la línea que es regulada. El nuevo diseño disminuirá su tamaño en el disco final que va unido al vástago y simplificara el cálculo de la fuerza con la que se deben brillar los cilindros de rotograbado. Ver anexo B, Diseño de la solución seleccionada, gracias a que ya no se utilizara el sensor, sino que la fuerza se determina de acuerdo a la presión neumática suministrada al actuador. En la tabla 25, se relaciona la presión neumática con la que se debe alimentar el cilindro que está ubicado en la parte superior de la herramienta, para aplicar determinada fuerza al cilindro de rotograbado.
Cuadro 25. Presión- Fuerza
Fuerza lbf
PRESIÓN Psi Bar
50 72,29 4,98 47 67,95 4,69 45 65,06 4,49 43 62,17 4,29 40 57,83 3,99 39 56,39 3,89 37 53,50 3,69 35 50,60 3,49 33 47,71 3,29 30 43,38 2,99
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Otro aspecto importante obtenido en la prueba de conceptos, es la utilización de un pantalla HMI, para que el operario pueda realizar todo el subproceso de brillado por intermedio de ella. Gracias a que este proyecto se diseño basándose en la metodología concurrente, la concurrencia, hace posible modificar o volver a etapas anteriores si el diseño lo requiere; por ejemplo en la prueba de conceptos realizada, surgieron algunos cambios en los conceptos sin afectar otros subsistemas La utilización de la pantalla HMI, facilita la instalación, debido a que si se utilizan pulsadores, se deberán distribuir de forma estratégica, donde halla espacio y no se preste para confusiones por parte del usuario; esto también requiere de modificaciones en la maquina actual. En la programación del controlador, se tuvo en cuenta las entradas físicas de los sensores, el pulsador de parada de emergencia, así como también las entradas HMI. En el diseño final, se colocara la pantalla HMI y como pulsador externo, únicamente la parada de emergencia. Descripción detallada del funcionamiento de la herramienta. El operario debe seleccionar en la pantalla HMI la longitud del cilindro que va a limpiar. Gracias a la ubicación de los sensores magnéticos (figura 45) que están ubicados en la ranura en T del cilindro neumático sin vástago; el sistema de control, sabrá que distancia debe recorrer.
Figura 41. Ubicación de sensores magnéticos para ranura en T
Sí la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 850mm, la herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S3 y S4, correspondiente a la longitud 3 (L3).
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Sí la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 1100mm, la herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S2 y S5, correspondiente a la longitud 2 (L2). Y si la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 1370mm, la herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S1 y S6, correspondiente a la longitud 1 (L1). La fuerza con la que se va a brillar el cilindro de rotograbado, dependerá de la presión que se le suministre al actuador que se encuentra encima del cilindro sin vástago (figura 46). El vástago del actuador neumático, que se encuentra encima, siempre va a estar saliendo con la misma fuerza y su velocidad de avance y retroceso es controlada por medio de una válvula de estrangulación de caudal
Figura 42. Cilindro con vástago encima del cilindro neumático sin vástago
Independientemente del diámetro del cilindro de rotograbado que se esté limpiando, cuando el PAD hace contacto con él, lo atacara siempre con la misma fuerza y hasta ahí será su avance. Por esta razón, no se debe poner un final de carrera cuando sale el pistón del cilindro, porque como los diámetros son diferentes, no importa hasta donde salga el pistón, cuando haga contacto le va a ejercer una fuerza constante.
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10. DISEÑO DE LA OPCION SELECCIONADA
A partir de la selección de conceptos y las matrices utilizadas en el numeral 8.6, se obtuvo que la solución a diseñar, sea la solución F, que se basa en una herramienta automática que realiza el brillado de los cilindros de rotograbado, disminuyendo los esfuerzos que realizaban los operarios y garantizando homogeneidad en el resultado.
10.1 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO
La empresa EMPAQUES FLEXA, cuenta con una estación de aire comprimido, cuyo suministro máximo es de 80 PSI, con la cual se alimentan varios de los procesos de la empresa.
10.1.1 Actuadores neumáticos. La selección de los cilindros neumáticos, dependen de la fuerza y velocidad que se requieren para desplazar la carga. La fuerza que produce un cilindro es igual al área de la sección transversal del cilindro multiplicada por la presión de trabajo. (Ecuación 2)
10.1.1.1 Cilindro lineal sin vástago. Se requiere de un cilindro lineal sin vástago, para desplazar la herramienta a lo largo de la máquina. La carrera necesaria es de 1400 mm, incluido los 150 mm que ocupa el carro externo. El carro externo, va ubicado en la parte superior del cilindro sin vástago, en él, se sujetara un segundo cilindro, el cilindro de doble efecto con vástago. Se escogió con un diámetro de 25 mm de émbolo, ya que la carga que tendrá el carro superior es muy baja, aproximadamente 4 lb y la velocidad de desplazamiento que se requiere es pequeña. El cilindro que se escogió, es un cilindro sin vástago lineal, con carro externo DCG-25—1400-G-PPV-A #532447 de FESTO, el cual tiene un diámetro de embolo igual a 25mm y una amortiguación neumática regulable a ambos lados. Tiene la posibilidad de colocar cargas en el carro, es ideal para cargas y momentos medianos mientras está en movimiento (figura 46).
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Este actuador con una alimentación máxima de 8 bar, alcanza una velocidad teórica máxima de 3 m/s, por tal motivo se debe utilizar las válvulas de estrangulación y antirretorno, para estrangular el caudal de escape. El carro, el carril de guía y la camisa del cilindro están fabricados en aluminio anodizado.
Figura 43. Momentos y fuerzas en el cilindro sin vástago
En la tabla 26 se encuentran los principales momentos y esfuerzos admisibles a los que puede estar sometido el actuador.
Cuadro 26. Fuerzas y momentos admisibles para el cilindro sin vástago
Fuerzas admisibles con diámetro de émbolo 25mm Fy máx. [N] 180 Fz máx. [N] 540
Mx máx. [Nm] 4 My máx. [Nm] 20 Mz máx. [Nm] 5
Fuente: FESTO [en línea], Cilindro lineal sin vástago, actuadores lineales DGC. [Consultado el 1 de abril de 2013]. Disponible en internet: http://www.festo.com/cat/es-co_co/products Calculo de presión en la línea El carro del cilindro, tendrá una carga encima que equivale a el peso del cilindro neumático con vástago, la unidad guía y el disco del PAD.
Peso del cilindro circular con vástago: Con carrera de 0 mm, el cilindro pesa 1004g. Por cada 10mm se le adiciona 34g y como la carrera del cilindro es 200mm, se realiza la siguiente operación:
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Peso de la unidad guía: Con carrera de 0mm, pesa 866g. Por cada 10mm se le adiciona 13g.
Carcasa y base: Tiene un peso aproximado de 2846,35g
El disco donde está sujeto el PAD, pesa aproximadamente 970g.
También se debe tener en cuenta la fuerza de rozamiento que ejerce el PAD, sobre el cilindro de cobre.
Ecuación 4. Fuerza de rozamiento
Dónde:
N= Fuerza con la que se brilla el cilindro (49,21 lbf 205,5790N)
µ=coeficiente de rozamiento
El coeficiente de rozamiento µ, que presenta un tejido de algodón sobre una superficie de acero, es 0,2513
La fuerza que tiene que vencer el cilindro neumático sin vástago para desplazarse, es igual a:
13 COEFICIENTE DE ROZAMIENTO DE DESLIZAMIENTO [en línea]. Rozamiento en movimiento. [Consultado el 23 de mayo de 2013]; Disponible en: http://www.lamerce.com/mecanic/images/fregament.pdf
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Como ya se conoce el diámetro del émbolo que es 25mm y la fuerza a vencer calculada anteriormente, ahora se procede a calcular la presión con la que se debe alimentar el cilindro lineal sin vástago.
F= D= 25 mm=0,98425 pulg.= Diámetro del émbolo
Área del embolo del cilindro
En la teoría, esta sería la presión que se debería ejercer, pero en la práctica se debe tener en cuenta la fuerza real, por lo cual se deben tener en cuenta los rozamientos que se pueden presentar entre el embolo y las paredes del cilindro, así como también la lubricación interna del mismo.
Ahora se procede a calcular la Fuerza real que ejercería el vástago en el cilindro de rotograbado, si se alimenta la línea con la presión calculada.
Calculando la fuerza real que se ejercería sobre el embolo del cilindro, se puede concluir que se debe aplicar un poco más de presión a la línea de alimentación.
Por tal motivo se debe hacer los cálculos de la presión, teniendo en cuenta una fuerza de:
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La presión en la línea calculada, es aproximada, ya que se pueden presentar otros factores de rozamiento; esta es una de las desventajas de la neumática.
Para que el carro del cilindro sin vástago se desplace, se requiere que sea alimentado con una presión mínima de
Las principales características y planos del cilindro lineal sin vástago, se encuentran en el anexo C.
10.1.1.2 Cilindro de doble efecto. El cilindro neumático de doble efecto, es el cilindro en el cual ira sujeto la herramienta terminal del sistema, el PAD. Este cilindro debe tener una carrera máxima de 200 mm; la fuerza que va a ejercer el PAD sobre el cilindro de rotograbado, es aproximadamente de 49,2 lb fuerza. El cilindro seleccionado es un cilindro DSNU-25-200-PPV-A #19251 de FESTO; con diámetro de émbolo de 25mm, diámetro del vástago 10mm y rosca del vástago M10 x 1,25, fabricado en acero inoxidable de aleación fina; amortiguación neumática regulable a ambos lados y presión de funcionamiento de 1- 10 Bar. Las principales características y planos del cilindro, se encuentran en el anexo D. A continuación, se presentan los cálculos realizados para determinar con que presión se debe alimentar el cilindro neumático, para que ejerza la fuerza de 49,2 lb sobre el cilindro de rotograbado en el momento de brillarlo. Cálculos de la presión en la línea
F= 49,2 Lbf. D= 25 mm=0,98425 pulg.=Diámetro del émbolo d= Diámetro vástago= 10mm= 0.39370 pulg.
En la teoría, esta sería la presión que se debería ejercer, pero en la práctica se debe tener en cuenta la fuerza real, por lo cual se deben tener en cuenta los rozamientos del embolo, con las paredes internas del cilindro neumático.
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Ahora se procede a calcular la Fuerza real que ejercería el vástago en el cilindro de rotograbado, si se alimenta la línea con la presión calculada.
Calculando la fuerza real que se ejercería sobre el embolo del cilindro, se puede concluir que se debe aplicar un poco más de presión a la línea de alimentación debido a los rozamientos que se presentan.
Por tal motivo se debe hacer los cálculos de la presión, teniendo una fuerza de aproximadamente 54,12lbf.
Se debe alimentar el cilindro neumático con vástago, con una presión de 4,9 Bar, para que el disco PAD que está sujeto a la punta del vástago, ejerza una fuerza de 49,2Lb sobre el cilindro de rotograbado.
10.1.2 Unidad guía. La unidad guía, permitirá reducir el riesgo al que pueden estar sometidas las empaquetaduras, juntas y la culata anterior del cilindro circular con vástago, debido a los esfuerzos a los que se somete el vástago. Se seleccionó la unidad guía FEN-25-200 de FESTO. En la figura 48, se puede observar las zonas rojas del vástago que están expuestas a fracturas, sino se utiliza la unidad guía.
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Figura 44. Esfuerzos del vástago sin unidad guía
En el anexo E, se puede observar el análisis de esfuerzos, realizado al vástago del cilindro cuando está ejecutando el subproceso de brillado sin una unidad guía; también se puede observar el estudio realizado a la unidad guía, la cual distribuye las cargas y fuerzas, impidiendo la rotura del vástago y el daño del actuador neumático. Las principales características de la unidad guía FEN-25-200 de FESTO, se pueden consultar en el anexo E.
10.1.3 Válvula de estrangulación y antirretorno. Con la válvula de estrangulación y antirretorno, se podrá controlar la velocidad del avance y retroceso del embolo de los actuadores neumáticos; ubicando cada una de estas válvulas en la salida del aire, se garantiza una velocidad controlada. Las válvulas seleccionadas son unidireccionales, para garantizar que sirvan en un solo sentido. La válvula de estrangulación y antirretorno seleccionada, fue el regulador de CA GRLA-1/8-QS-8-RS-B # 162966. Esta válvula presenta un tipo de accionamiento manual mediante un tornillo moleteado; trabaja con una presión de funcionamiento comprendida entre 0,2- 10 Bar y presenta un caudal nominal en sentido de estrangulación, de 650 l/min. Las principales características y planos de la válvula de estrangulación de caudal, se encuentran en el anexo F.
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10.1.4 Unidad De mantenimiento. La unidad de manteamiento, es indispensable para garantizar el buen funcionamiento de la red neumática y alargar la vida del sistema neumático de la herramienta. Esta unidad permite limpiar las impurezas de las líneas neumáticas y garantizar la lubricación. Se seleccionó una unidad de mantenimiento FRC-1/4-DB-7-MINI #537654 de FESTO. Tiene un grado de filtración de 40um y está conformada por un filtro, un regulador, un manómetro y un lubricador. Toda la unidad tiene un peso de 300g. Las principales características de la unidad de mantenimiento, se encuentran en el anexo G.
10.2 ELECTROVÁLVULAS
Las electroválvulas son las que nos van a permitir controlar el flujo de aire sobre los cilindros neumáticos. Para el cilindro lineal sin vástago, se seleccionó una electroválvula 5/3 con centros cerrados MFH-5/3G-1/8 B #30484 de FESTO, debido a que la posición intermedia se utilizara en los momentos que la herramienta permanece quieta en determinada posición, no necesariamente en el inicio o final de carrera, puede ser en la mitad o donde se desee. Para el cilindro circular con vástago que va ubicado en la parte de superior de la herramienta, se seleccionó la electroválvula 5/2 JMFH-5-1/8 #8820 (Biestable) de FESTO, con dos solenoides, para controlar la entrada y salida del vástago. Las principales características de las electroválvulas seleccionadas, se encuentran en el anexo H. El circuito neumático de la herramienta diseñada en este proyecto, corresponde a la figura 45.
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Figura 45. Circuito neumático
En la figura 45, presentada anteriormente, se encuentra especificada la ubicación de cada uno de los elementos que componen el circuito neumático de la herramienta automática de limpieza.
10.3 SENSOR DE PROXIMIDAD MAGNÉTICO
Se requiere de 7 sensores magnéticos, que estarán ubicados a lo largo de los cilindros para poder registrar la posición del émbolo. Se seleccionaron los sensores de proximidad magnéticos SME-8-K-LED-24 de FESTO. Se utilizan en ranuras en T; presentan un margen de tensión de funcionamiento de 12- 30V DC e indican su estado con en LED de color amarillo. Ver anexo I, ubicación de sensores y principales características técnicas.
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Los sensores determinaran los desplazamientos de la herramienta. Cada vez que alguno sea activado, se cumplirá una acción diferente de acuerdo con la programación realizada.
10.4 UNIDAD ALIMENTADORA DE 24V DC
Es indispensable contar con una fuente de 24VDC, para poder realizar las conexiones correctas de los sensores de proximidad magnética y la pantalla HMI que están incluidas en el diseño de este proyecto. La unidad alimentadora seleccionada fue la unidad SVG-1/230VAC-24VDC-5A, maneja una tensión nominal de salida de 24 VDC y una corriente nominal de salida de 5A. El margen de tensión de entrada esta entre 100 y 240V AC y la corriente de entrada entre 1,9- 0,8 A, teniendo una alimentación primaria monofásica. Las principales características técnicas de la unidad alimentadora de 24V se encuentran en el anexo J.
10.5 PAD
Se seleccionó un PAD comercial, en algodón, de 7´´ de diámetro. Fácil instalación, ver anexo K. El disco sobre el que ira sujeto la felpa o el PAD, está fabricado en empack, un polímero resistente al trabajo con altas presiones.
10.6 PLC-CONTROLADOR
La unidad seleccionada para controlar todo el proceso automático de la herramienta, fue el controlador SIMATIC S7-200, CPU 226 de Siemens. Este PLC proporciona todas las entradas y salidas necesarias para la programación, 24 entradas-16 salidas. La programación de este PLC, se realizó con el paquete de Step 7. Las principales características del controlador S7-200 CPU 226, se encuentran en el anexo L.
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10.7 PANTALLA HMI-UNIDAD DE INDICACION Y CONTROL Se seleccionó la unidad de indicación y control CDPX-X-A-W-4 # 574410 de FESTO, para llevar acabo todo el accionamiento de la herramienta automática de limpieza. Esta pantalla incluye un procesador de gran capacidad combinado con tecnología de pantalla de gran tamaño, para lograr una interfaz hombre maquina con muchas más funciones. La pantalla seleccionada cuenta con una resolución WQVGA, 480x272 píxeles y un tamaño de representación de 4,3" Para obtener más información sobre la unidad de indicación y mando, ver anexo M.
10.8 LAMINA DE CARRIL Y CARCASA La lamina del carril, es la banda donde ira sujeto el cilindro lineal sin vástago. Esta banda, está fabricada en acero inoxidable 308, y sus láminas tienen un espesor de 6,35 mm La carcasa de la herramienta, también está fabricada en acero inoxidable 308, calibre 20, ya que estará expuesta a cualquier sustancia química durante el proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado. Los planos de la lámina del carril y la carcasa de la herramienta, están adjuntos en el anexo N.
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11. PROGRAMACIÓN DEL PLC E INTERFAZ GRAFICA La programación del autómata, se llevó a cabo teniendo en cuenta todos los componentes lógicos del sistema, las entradas de todos los sensores magnéticos de posición que están ubicados en las ranuras en T de los cilindros neumáticos. El operario podrá controlar y manejar la herramienta desde la pantalla HMI. La programación del sistema tiene unos parámetros importantes que se tuvieron en cuenta en el diseño, debido a los requerimientos del cliente. Tablero de mando
Para de emergencia
HMI
Arranque proceso (Start) Parada general de todo el proceso de limpieza (PE) Pulsador de reconocimiento de alarmas (PUL_RECON) Identificación de alarmas detalladas y general. Seleccionador de la longitud del cilindro a limpiar. (L1,L2 y L3) Numero de pasadas que desea que haga la herramienta.
Se utilizó una herramienta llamada GRAFCET, para modelar todo el proceso. El grafcet, es un diagrama funcional que permite hacer un modelo del proceso que se va a automatizar, contemplando entradas, acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. El grafcet, es un lenguaje estandarizado por la norma IEC 61131, la cual representa la estandarización de los autómatas programables y sus periféricos, incluyendo los lenguajes de programación que se deben de utilizar. Antes de realizar el diagrama Grafcet, se definieron todas las entradas y salidas del sistema a controlar. La figura 46, representa la conexión de la fuente de 24VDC, con la bornera y los contactos de los sensores; La figura 47, representa el diagrama de conexiones al PLC, entradas. Se debe tener en cuenta que los sensores magnéticos de posición, están alimentados a 24 VDC. La figura 48, representa las conexiones del PLC, salidas; las electroválvulas trabajan a 110 V AC.
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Figura 46. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas-Bornera
Figura 47. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas
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Figura 48. Diagrama de conexiones al PLC- Salidas
La salida P1S, corresponde a la salida del pistón del cilindro neumático sin vástago
La salida P1R, corresponde al regreso del pistón del cilindro neumático sin vástago.
La salida P2S, corresponde a la salida del pistón del cilindro neumático con vástago. La salida P2R, corresponde al regreso del pistón del cilindro neumático con vástago.
En la tabal 27, se puede observar las posiciones de memoria utilizadas en el PLC. Para el valor del número de pasadas que ingresa el usuario en la pantalla HMI, es necesario utilizar un Word.
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Cuadro 27. Memorias utilizadas en el PLC
MEMORIA DESCRIPCION MEMORIA DESCRIPCION M0.0 START M2.0 ETAPA 2 M0.1 HMI_PE M2.1 ETAPA 3 M0.2 L1 M2.2 ETAPA 4 M0.3 L2 M2.3 ETAPA 5 M0.4 L3 M2.4 ETAPA 6 M0.6 AG M2.5 ETAPA 7 M0.7 FS1 M2.6 ETAPA 8 M1.0 FS2 M2.7 ETAPA 9 M1.1 FS3 M3.0 ETAPA 10 M1.2 FS4 M3.1 ETAPA 11 M1.3 FS5 M3.2 ETAPA 12 M1.4 FS6 M3.3 ETAPA 13 M1.5 FS7 M3.4 ETAPA 14 M1.6 ETAPA 0 M3.5 PUL_RECON M1.7 ETAPA 1 MW4 NU_PASOS
En la figura 49, se observa el diagrama funcional del sistema de limpieza de cilindros de rotograbado (GRAFCET). Se relacionan las entradas, salidas y los procesos intermedios que generan estas acciones. También se presenta la opción de escoger la longitud del cilindro de rotograbado a limpiar, con esta selección, la herramienta ya sabrá que camino debe tomar y que condiciones debe cumplir.
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Figura 49. Grafcet
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Parada de estado inicial: es el estado normal de la máquina, etapa inicial del grafcet. Para el proyecto es la etapa 0.
Parada de emergencia: en el proyecto se encuentra una parada de emergencia física y una desde el HMI. Cualquiera de las dos, que sea accionada en cualquier momento, llevara la herramienta a una posición segura, su posición inicial.
Parada por defectos: se consideraron para este proyecto el tratamiento de
fallas que puede presentar los actuadores neumáticos, con respecto a la señal generado por cada uno de los sensores de posición magnéticos.
Alarmas: las alarmas son activadas cada vez que ocurre una falla. Cuando la
herramienta se detiene debido a una falla, se activara la alarma correspondiente a la falla y la alarma general.
La parada de emergencia se puede presionar en cualquier momento; esto llevara la herramienta de forma segura a sus condiciones iniciales. La figura 50 indica que cualquier etapa que se esté ejecutando en el GRAFCET principal, si es presionado el pulsador PE (parada de emergencia) o el HMI_PE (parada de emergencia desde la pantalla HMI), la herramienta se dirigirá a sus condiciones iniciales.
Figura 50. Parada de emergencia
El software que se utilizó para la programación del PLC, fue Step-7 Micro/Win v4.0.8.06 el cual presenta la opción de realizar la programación en LADDER con una gran facilidad, en la familia de los autómatas programables SIMATICS S7-200.
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12. MANUAL DE USO
Este manual permite obtener información necesaria y sustancial sobre el funcionamiento de la herramienta automática de limpieza de cilindros de rotograbado.
12.1 CONCEPTO GENERAL INTERFAZ GRAFICA
Figura 51. Concepto general de interfaz grafica
Para dar inicio al programa, se debe verificar que el modo de la CPU del autómata, se encuentre en RUN y el piloto en verde. Con esto, ya se podrá monitorear y controlar el proceso desde la pantalla. (Figura 52).
En caso de que el piloto se encuentre de color rojo, consultar al proveedor.
Figura 52. Autómata siemens S7-200
Los modos de operación del autómata S7-200 CPU 226, son:
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RUN: El PLC ejecuta el programa de usuario como modo normal de operación.
STOP: El PLC ignora el programa de usuario y efectúa sus programas internos. En este modo, el usuario puede monitorear y / o programar el PLC desde un PC.
12.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO
La figura 53, representa la interfaz que tiene la pantalla; esta está dividida en 3 zonas. La primera ubicada al lado izquierdo, donde el operario podrá seleccionar la longitud del cilindro a limpiar y el número de pasadas que desea que la herramienta realice. La segunda zona, ubicada en la parte inferior, donde está el sistema de control y verificación del funcionamiento del proceso. La tercera zona, ubicada al lado derecho de la pantalla, ahí se encuentra los órganos de accionamiento inicio de programa (Start), parada de emergencia de todo el proceso (PE) y el reconocimiento de alarma. Figura 53. Interfaz hombre maquina
Para iniciar el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado, el operario debe realizar unos pasos secuenciales.
1. Seleccione la longitud del cilindro de rotograbado que va a limpiar (Figura 54).
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Figura 54. Selección de longitud
2. Introduzca el número de pasadas que desea realizar (Figura 55).
Figura 55. Numero de pasadas
3. Presione el botón de Start, para dar inicio al proceso (Figura 56).
Figura 56. Botón Star
El sistema de alarmas que se encuentra en la zona inferior de la pantalla, indica las fallas en los actuadores neumáticos. Estas fallas se presentan, cuando la herramienta se demora más de lo normal en activar algún sensor magnético correspondiente. En la pantalla aparecerán inmediatamente los pilotos en color rojo, indicando que sensor no se activó, para así reconocer la falla en un menor tiempo (Figura 57). Figura 57. Asignación de alarmas
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Independientemente de la alarma que se active, siempre se activara la alarma general, la cual solo se apagara cuando se solucione la falla y se haga un reconocimiento de alarmas, utilizando el botón Reconocimiento de alarmas.
El botón de reconocimiento de alarmas, se presiona después de que se hallan corregidas las fallas, para verificar que el proceso ya puede continuar y que no existe ninguna otra falla. El botón de parada de emergencia (PE), ubicado al lado derecho inferior de la pantalla, una vez es accionado, dirige la herramienta a las condiciones iniciales, sin importar en que parte del proceso se encuentre. Mientras la herramienta se encuentra operando, sobre el área de trabajo solo puede estar ubicado el operario encargado de esta labor. (Figura 58). Figura 58. Espacio de trabajo de la herramienta automática
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13. COSTOS DEL DISEÑO
En la tabla 28, se relaciona cada uno de los elementos necesarios para llevar a cabo el desarrollo del diseño de este proyecto. Estos elementos se seleccionaron de acuerdo a la ficha técnica de cada uno y las necesidades del diseño.
Cuadro 28. Costos de materiales
Material Cant. Marca Valor unitario
Valor total
PLC 1 SIEMENS 707.822 707.822 Conector NECC-L2G24
1 FESTO 54.509 54.509
Conector NECC-L2G4 1 FESTO 11.680 11.680 Unidad de indicación y control (HMI)
1 FESTO 1.782.025 1.782.025
Unidad alimentadora de 24 V
1 FESTO 577.280 577.280
Actuador lineal sin vástago
1 FESTO 1.160.191 1.160.191
Cilindro de doble efecto
1 FESTO 253.794 253.794
Unidad guía 1 FESTO 1.049.538 1.049.538 Sensor magnético de proximidad
7 FESTO 92.603,71 648.226
Fijación para S 1 FESTO 14.418 14.418 Unidad de mantenimiento
1 FESTO 237.313 237.313
Válvula de estrangulación y antirretorno
4 FESTO 42.116,25 168.465
Racor rápido QS 3 FESTO 8.622 25.866 Racor rápido QSL 6 FESTO 12.447,83 74.687 Electroválvula 5/2 1 FESTO 406.308 406.308 Electroválvula 5/3 1 FESTO 484.325 484.325 Bobina magnética 4 FESTO 54.757,75 219.031 Racor rápido en T 1 FESTO 19.472 19.472 Silenciador 4 FESTO 15.349 61.396 Tubo plástico 20 m FESTO 4.046,70 80.934 Regulador de presión 2 FESTO 95.637 191.274 Carril para herramienta +soladura
1 ------- 1.541.000 1.541.000
Accionado PE. 1 Schneider 232.000
100
XCSDMR5902 Electric Carcasa herramienta más soldadura
1 -------- 87.700 87.700
PAD- felpa7`` 1 Bonete 19.900 19.900 Disco para felpa 1 --------- 60.000 60.000
TOTAL 8.712.955 10.169.154 La empresa EMPAQUES FLEXA, deberá hacer una inversión de aproximadamente $10.169.154, que equivale a todos los elementos necesarios para llevar a cabo la implementación de este proyecto (tabla 28). Las cotizaciones realizadas con los diferentes distribuidores, se encuentran en el anexo O.
Cuadro 28 (continuación)
101
13. CONCLUSIONES El mayor beneficio para la empresa EMPAQUES FLEXA con llevar a cabo este proyecto, es no verse involucrado en un futuro con alguna indemnización, remuneración o incapacidad de sus empleados a causa de lesiones en el proceso de limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado. Todo lo que le pase a los trabajadores dentro de la empresa, es responsabilidad de FLEXA; por esta razón, FLEXA debe velar por que las condiciones de trabajo de cada uno de los empleados sean óptimas y seguras. La inversión que debe realizar la empresa EMPAQUES FLEXA para llevar a cabo este proyecto es de aproximadamente $10.169.154; considerablemente baja, si se tiene en cuenta que se está mejorando notablemente las condiciones de trabajo de los empleados y la excelente tecnología que se está utilizando para llevar a cabo este proyecto. Aunque no es posible estimar el tiempo de recuperación de la inversión, se está previendo que en un futuro la empresa tenga que indemnizar a alguno de los operarios encargados del proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado. Aunque el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado, abarca operaciones como los son el brillado, la aplicación de detergente, enjuague y secado; en este proyecto se está dando solución al principal problema que pone en riesgo la salud de los operarios encargados de esta labor, el brillado. Con la implementación de la herramienta diseñada en este proyecto, se disminuye la intervención del operario a lo largo de todo el proceso de limpieza de cilindros. Entre menor sea la intervención del operario en un proceso, más fácil de estandarizar el mismo, menor es el riesgo al que está expuesto y mayor es la probabilidad de que el resultado va a ser exitoso. La aplicación del método de ingeniería concurrente durante el desarrollo de este proyecto, hace posible que se tengan en cuenta muchos factores debido a la socialización y relación multidisciplinaria que se va desarrollando a lo largo del proyecto. Esto permite optimizar los recursos, reducir los tiempos de diseño y los costos de desarrollo del proyecto. La herramienta automática, garantizara una producción homogénea que se caracterizará por la precisión en el proceso; esto hace que disminuyan los desperdicios en la empresa.
102
BIBLIOGRAFIA Automatización, ¿Que es un sistema automatizado? [En línea]. [Consultado el 6 de noviembre de 2012]; Disponible en internet: http://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRINCIPAL/Automatizacion/Automatizacion.htm. BOLTON, William. Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica. Cuarta edición, Alfaomega 2012. 538 p. BERNAL, Luis. Quality Function Deployment (QFD) .QFD para servicios y manual [en línea]. Marzo de 2009. [Consultado el 4 de febrero de 2013]. Disponible en internet: http://www.in4in.net/fileadmin/user_upload/Downloads/Guia_QFD_Servicios.pdf CABRERA, Ana María. Guía de atención integral de salud ocupacional basada en la evidencia para Dolor Lumbar [en línea]; Bogotá, Diciembre de 2006, Página 12 [consultado 13 de noviembre de 2012] Disponible en internet en: http://gavilan.uis.edu.co/~tarazona/docencia/asignatura1/pdfs/glumbar.pdf FESTO [en línea]. Actuadores neumáticos, sensores, válvulas, preparación de aire comprimido y otros equipos neumáticos [consultado el 26 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.festo.com/cat/es-co_co/products FLEXA, Envases para el mundo [En línea]. Colombia. Responsabilidad Social. [Consultado el 6 de noviembre de 2012]. Disponible en internet: http://www.eflexa.co/inicio.html. GUILLEN, Antonio. Introducción a la neumática. Editorial Macocombo 1993. 156 p. KARL T. ULRICH, Steven D. Eppinger. Diseño y desarrollo de productos, enfoque multidisciplinario. Mc Graw Hill, tercera edición. 256 p. QFD, Capture for Windoze. Getting Started [en línea]. [Consultado el 7 de marzo de 2013]. Disponible en internet: http://www.me.utexas.edu/~me366j/QFD/QFD_Tutorial.html.
103
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104
Impo
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cia
1
5,0
2,0
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4,0
5,0
2,0
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3,0
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2,0
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
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12
13
14
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16
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6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Di recc ion de Mejora 1
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos a ltos para bril lar los c il indros de rotograbado
La herramienta trabaja de forma rápida.
La herramienta proporciona un al to nivel de confianza al usuario en c uanto a l resultado.
La herramienta es de fáci l manejo.
La herramienta garantiza la presion neces aria para el proces o de bri llado
La herramienta es estética.
La herramienta s e adapta para las di ferentes d imensiones de c il indros .
La herramienta es de fáci l mantenimiento.
La herramienta s e puede adaptar en otras máquinas - canoas.
La herramienta es de fáci l ins ta lación.
El diseño será ec onómic amente viab le.
La herramienta s erá de un tamaño ac orde a la máquina.
Funcionamiento con red de suministro de la planta
Sera d is eñada con materia les amigables al medio ambiente
La herramienta s erá automática en su total idad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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14
15
Importancia de los COMO 1
174
,9
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0
73,
0
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68,
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6
17,
1
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,1
38,
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,2
108
,5
68,
2
Porc entaje de importancia de los COMO 2
10,
9
1,2
4,6
20,
8
4,3
1,5
1,1
11,
4
2,4
1,1
8,9
8,4
2,4
10,
0
6,8
4,3
Max = 20,8
Porcenta je de importancia de los COMO
Min = 1,1
Competi tive Benc hmarking Results 4
Our Current Product 5
Competi tor 1 6
Competi tor 2 7
Targets for Our Future Product 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
13
14
15
16
T ra deo ffs
Synergy 1,0Compromise -1,0
D irec c i on de Im po rtan c i a
Maximize 1,0T arget 0,0Min imize -1,0
S ta nda rd 9 -3 -1
Strong 9,0Moderate 3,0Weak 1,0
QFD_DISEÑO DE HERRAMIENTA DE LIMPIEZA
ANEXOS Anexo A. Qfd. Quality function deployment
105
Anexo B. Solución seleccionada
La solución seleccionada, se basa principalmente en una herramienta totalmente automatizada que realiza el subproceso de brillado, parte critica del proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado.
En la siguiente figura, se puede ver los dos cilindros neumáticos en cruz, que componen el cuerpo de la herramienta.
Fue necesario utilizar una unidad guía para cilindro neumático circular de diámetro de embolo de 25mm, que estuviera unida al vástago del cilindro neumático, para evitar deformaciones o fracturas debido a los esfuerzos a los que va a estar sometido en el momento de ejecución.
Las especificaciones técnicas de la unidad guía seleccionada, se encuentran en el anexo F.
El cilindro neumático sin vástago, cuenta con una Carrera total de 1400 mm, por lo cual, la herramienta podrá desplazarse a lo largo de los cilindros de cobre que tienen longitudes hasta de 1370mm.
106
En la siguiente figura, se puede observar la ubicación de la pantalla HMI, desde la cual se podrá ejecutar y controlar todo el subproceso de brillado.
En el lado derecho de la máquina, se encuentra ubicado el botón de parada de emergencia, el cual es de vital importancia en todo proceso.
Anexo C. Cilindro lineal sin vástago Festo
A continuación se muestran alunas imágenes del cilindro sin vástago de FESTO, seleccionado para el diseño de este proyecto.
Isométrico
Vista frontal
107
Vista lateral izquierda
Vista lateral derecha
108
Ficha técnica
109
Anexo D. Cilindro neumático con vástago Festo
Los cilindros redondos de tipo estándar con vástago de diámetros 8- 25mm corresponden a las normas ISO 6432. El vástago es en acero inoxidable y las culatas están unidas a la camisa por medio de un rebordeado.
Este cilindro presenta una clase 3 de resistencia a la corrosión, ósea una protección alta; piezas que pueden estar en contacto directo con la atmosfera y los fluidos habituales de un entorno industrial, por ejemplo disolventes y detergentes.
La manera más eficiente de lograr reducir la velocidad de salida del embolo, es regulando el caudal de escape, así el desplazamiento del cilindro es más suave y lo único que se hace es retener el aire en la cámara resistente. Para eso se utilizan las válvulas de estrangulación y antirretorno. El caudal del escape se debe estrangular manualmente para obtener la velocidad deseada.
Las especificaciones técnicas de la válvula de estrangulación, se encuentran en el anexo I.
Isométrico
110
Ficha técnica cilindro neumático Festo, diámetro 25mm
111
Anexo E. Unidad guía
La unidad guía FEN-25-200, está diseñada para un cilindro circular de diámetro de émbolo de 25mm y carrera de 200mm. Esta unidad ayuda a que el vástago no deteriore las empaquetaduras ni la culata anterior del actuador, al realizar el subproceso de brillada mientras se desplaza. También ayuda a que no se fracture el vástago del cilindro neumático.
Análisis de esfuerzos en el vástago del cilindro neumático.
En el siguiente análisis se puede observar los esfuerzos a los que puede estar sometido el vástago del cilindro neumático en el momento de brillar el cilindro de rotograbado sin unidad guía.
Simulación del vástago Diseñado por: Juan Camilo Cuervo M. Nombre de estudio: Estudio 1 Tipo de Análisis: Estático
112
Descripción. Análisis de posibles fallas que se pueden presentar en las empaquetaduras y culata anterior del actuador, debido al movimiento y esfuerzos a los que se somete el vástago. El vástago tiene un diámetro de 10mm.
Nombre del modelo: Vástago cilindro circular
Configuración actual: Predeterminado Sólidos
Nombre de documento y
referencia Tratado como Propiedades
volumétricas Ruta al documento/Fecha
de modificación
Cortar-Extruir1
Sólido
Masa:0.20088 kg Volumen:2.50255
e-005 m^3 Densidad:8027
kg/m^3 Peso:1.96862 N
F:\TRABAJO DE GRADO\OPCIONES DE DISEÑO\HERRAMIENTA
FRONTAL CILINDRO NEUMATICO\CILINDRO
CIRCULAR CON VASTAGO
FESTO\Vástago cilindro circular.sldprt
May 09 09:04:04 2013
Unidades
Sistema de unidades: Métrico (MKS) Longitud/Desplazamiento mm Temperatura Kelvin Velocidad angular Rad/seg Presión/Tensión N/m^2
113
Propiedades de material
Referencia de modelo Propiedades Componentes
Nombre: AISI 316L
Acero inoxidable
Tipo de modelo:
Isotrópico elástico lineal
Criterio de error
predeterminado:
Tensión máxima de von Mises
Límite elástico:
1.7e+008 N/m^2
Límite de tracción:
4.85e+008 N/m^2
Módulo elástico:
2e+011 N/m^2
Coeficiente de Poisson:
0.265
Densidad: 8027 kg/m^3 Módulo
cortante: 8.2e+010
N/m^2 Coeficiente
de dilatación térmica:
1.65e-005 /Kelvin
Sólido 1(Cortar-Extruir1)(
Vástago cilindro circular)
Datos de curva: N/A
Cargas y sujeciones
Nombre de sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción
Fijo-1
Entidades:
1 cara(s)
Tipo: Geometría fija
114
Nombre de carga Cargar imagen Detalles de carga
Fuerza-1
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal
Valor: 49,21 lbf
Fuerza-2
Entidades: 1 cara(s), 1 plano(s) Referencia: Vista lateral
Tipo: Aplicar fuerza Valores: ---, ---, 49,21 lbf
Información de malla
Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla basada en curvatura
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño máximo de elemento 0 mm
Tamaño mínimo del elemento 0 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
115
Detalles
Resultados del estudio.
Nombre Tipo Mín. Máx. Tensiones1 VON: Tensión de von Mises 484710 N/m^2
Nodo: 13845 6.42379e+008 N/m^2 Nodo: 9902
Vástago cilindro circular-Estudio 1-Tensiones-Tensiones1
Número total de nodos 13877
Número total de elementos 8204
Cociente máximo de aspecto 16.226
% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3
97.4
% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10
0.719
% de elementos distorsionados (Jacobiana) 0
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss): 00:00:07
Nombre de computadora: PC-PC
116
El limite elástico que tiene el vástago del cilindro es de ⁄ , en el
estudio de von Mises, se puede observar que un extremo del vástago estará sometido a esfuerzo máximo de
⁄ , lo que puede provocar una fractura cuando el elemento se encuentre fatigado.
⁄
⁄
N equivale al factor de seguridad que se debe tener para diseñar, en este caso es muy bajo al no ser ni siquiera 1. Se recomienda como mínimo tener un factor de seguridad igual a 2.
Nombre Tipo Mín. Máx. Desplazamientos1
URES: Desplazamiento resultante
0 mm Nodo: 98
16.0799 mm Nodo: 13869
Vástago cilindro circular-Estudio 1-Desplazamientos-Desplazamientos1
En la gráfica de desplazamiento, se puede observar que la punta del vástago, puede tener un desplazamiento máximo de 0,1607 mm.
117
En la siguiente figura se puede observar las zonas en rojo que se están afectando debido al factor de seguridad tan bajo que se presenta.
A continuación se representa el estudio realizado a la unidad guía, que va a ir unida al vástago del cilindro.
Análisis de esfuerzos en la unidad guía.
Simulación Unidad Guía Diseñado por: Juan Camilo Cuervo M. Nombre de estudio: Estudio 1
Tipo de Análisis: Estático
118
Descripción. Análisis de los esfuerzos que se pueden generar en la unidad guía en el momento de realizar el subproceso de brillado.
Nombre del modelo: Unidad_Guia
Configuración actual: Predeterminado Sólidos
Nombre de documento y
referencia
Tratado como
Propiedades volumétricas
Ruta al documento/Fecha de modificación
Cortar-Extruir5 Sólido
Masa:0.648608 kg Volumen:8.42349e-005
m^3 Densidad:7700 kg/m^3
Peso:6.35636 N
F:\TRABAJO DE GRADO\OPCIONES DE DISEÑO\HERRAMIENTA
FRONTAL CILINDRO NEUMATICO\UNIDAD
GUIA\Unidad_Guia.sldprt May 09 09:11:28 2013
Unidades
Sistema de unidades: Métrico (MKS) Longitud/Desplazamiento mm Temperatura Kelvin Velocidad angular Rad/seg Presión/Tensión N/m^2
119
Propiedades de material
Referencia de modelo Propiedades Componentes
Nombre: Acero aleado (SS)
Tipo de modelo:
Isotrópico elástico lineal
Criterio de error
predeterminado:
Tensión máxima de von Mises
Límite elástico:
6.20422e+008 N/m^2
Límite de tracción:
7.23826e+008 N/m^2
Módulo elástico:
2.1e+011 N/m^2
Coeficiente de Poisson:
0.28
Densidad: 7700 kg/m^3 Módulo
cortante: 7.9e+010 N/m^2
Coeficiente de dilatación
térmica:
1.3e-005 /Kelvin
Sólido 1(Cortar-Extruir5)(Unidad_Guia)
Datos de curva:N/A
Cargas y sujeciones
Nombre de sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción
Fijo-1
Entidades: 4 cara(s) Tipo: Geometría
fija
120
Nombre de carga Cargar imagen Detalles de carga
Fuerza-1
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar
fuerza normal
Valor: 49,21 lbf
Fuerza-3
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar
fuerza normal
Valor: 49,21 lbf
Información de la malla
Detalles
Número total de nodos 19647
Número total de elementos 11101
Cociente máximo de aspecto 34.776
% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3 88.1
% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10
0.135
% de elementos distorsionados (Jacobiana) 0
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss): 00:00:18
Nombre de computadora: PC-PC
Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla basada en curvatura
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño máximo de elemento 0 mm
Tamaño mínimo del elemento 0 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
121
Resultados del estudio.
Nombre Tipo Mín. Máx. Tensiones1 VON: Tensión de von Mises 31531.9 N/m^2
Nodo: 10089 2.06056e+008 N/m^2 Nodo: 14769
Unidad_Guia-Estudio 1-Tensiones-Tensiones1
El limite elástico que tiene la unidad guía analizada es de ⁄ , en el
estudio de von Mises, se puede observar que el mayor esfuerzo al que estará sometido la unidad guía, es de
⁄ ; este esfuerzo es muy bajo con respecto al límite elástico de la pieza analizada, dando como resultado un factor de seguridad alto.
⁄
⁄
N, equivale al factor de seguridad del diseño de la unidad guía, como se ve en la siguiente gráfica, no ay ninguna región en rojo que esté en peligro de fractura.
122
Con los resultados obtenidos, se puede ver la gran importancia de utilizar la unidad guía junto al vástago del cilindro, para evitar posibles daños del actuador neumático, debido a cargas o esfuerzos generados en el subproceso de brillado.
Debido a los resultados obtenidos en el análisis estático del vástago del cilindro neumático, se hace necesario la utilización de la unidad guía FEN-25-200 de FESTO, que se presenta a continuación.
Isométrico
123
Vista en 2D acotada
Anexo F. Válvula de control de flujo- válvula de estrangulación y antirretorno.
La válvula de estrangulación y antirretorno GRLA-1/8-QS-8-RS-B, controlara la velocidad con la que el émbolo debe desplazarse a lo largo de su carrera en cada uno de los actuadores neumáticos. Esto se logra al estrangular el caudal del aire comprimido en sentido de escape; también se podría hacer en sentido de alimentación, pero no se garantiza debido a la inestabilidad del aire. La función de antirretorno funciona en sentido contrario correspondiente. La función de estrangulación está a cargo de una hendidura anular regulable en el interior de la válvula. La hendidura se amplía o se reduce al girar el tornillo de regulación moleteado. En la siguiente figura, se muestra como seria la conexión de las válvulas GRLA-1/8-QS-8-RS-B a los actuadores neumáticos. El accionamiento de las válvulas se realiza de forma manual.
124
A continuación se muestran algunas imágenes de la electroválvula GRLA-1/8-QS-8-RS-B de FESTO, la cual se utilizara en el diseño de la herramienta automática.
Isométrico
125
Hoja técnica
Anexo G. Unidad de mantenimiento.
La unidad de mantenimiento FRC-1/4-DB-7-MINI #537654 trabaja con una presión de hasta 10 Bar, caudal nominal normal ⁄ .
La preparación adecuada del aire comprimido, contribuye a evitar los fallos en los componentes neumáticos. También aumenta la duración de los componentes y
126
reduce la paralización imprevista de máquinas y equipos. También aumenta la fiabilidad de los procesos.
El aire comprimido puede contener las siguientes impurezas.
Partículas Agua Aceite
Una preparación deficiente del aire comprimido provoca los siguientes problemas.
Desgaste prematuro de juntas Ensuciamiento de silenciadores Depósitos de aceite en las válvulas de la parte de control
Por estas razones, es indispensable la utilización de la unidad de mantenimiento.
Isométrico
Vista frontal y lateral
127
Ficha técnica
128
Anexo H. Electroválvulas
La electroválvula 5/3 con centros cerrados MFH-5/3G-1/8 B #30484 de FESTO, presenta múltiples posibilidades para la conexión eléctrica con bobinas magnéticas F o V de bajo consumo, también para montaje en terminales de válvulas. Esta electroválvula, controlara el flujo de aire del cilindro neumático sin vástago.
Fue necesario utilizar esta electroválvula de 3 posiciones, debido a que hay un momento en el subproceso de la brillada, que la herramienta necesita quedarse en determinada posición, mientras sale el vástago que va unido al PAD.
A continuación se muestran algunas imágenes en 2D y 3D de las electroválvulas.
5/3 con centros cerrados Isométrico
Hoja técnica de la electroválvula 5/3 con centros cerrados MFH-5/3G-1/8 B #30484 de FESTO.
129
130
Electroválvula 5/2 Biestable para cilindro con vástago
La electroválvula JMFH-5-1/8 #8820 de FESTO, controlara el flujo de aire del cilindro neumático con vástago. Esta electroválvula estará conectada a dos solenoides, uno para cada movimiento.
Isométrico
Vista frontal
Vista Superior
131
Hoja técnica de la electroválvula JMFH-5-1/8 #8820 de FESTO
132
Anexo I. Sensor de proximidad magnético
Ubicación de sensores magneticos en el cilindro neumatico sin vastago.
El cilindro neumático sin vástago, requiere de 6 sensores para lograr el recorrido de las 3 diferentes longitudes de cilindros de rotograbado.
La longitud de 850mm trabajra entre los senosres 3 y 4.
La longitud de 1100mm, trabajara entre los sensores 2 y 5.
La longitud de 1370mm, trabajara entre los sensores 1 y 6
El cilindro neumatico con vastago, solo requiere de un sensor al inico de carrera, al final de la carrera no se requiere sensor, debido a que los cilindros de rotograbado que se van a limpiar, son de diferente diametro, entonces no se sabra en realidad hasta donde debe salir. De lo que si se tiene certeza, es que independientemente hasta donde salga el cilindro, en todo momento va a estar ejerciendo la misma fuerza sobre el cilindro de rotograbado.
Los sensores de proximidad SME-8-K-LED-24, utilizan el principio de medición magnético Reed, brindando una salida bipolar, con contacto. Funcionan en un margen de tensión de 12-30 VDC y se deben aprisionar en la ranura en T que deben tener los cilindros neumáticos.
A continuación se presentan las principales imágenes del sensor SME-8-K-LED-24.
133
Isométrico
Vista frontal
Vista lateral
134
Anexo J. Fuente 24v dc.
135
Anexo K. Pad
PAD de algodón, diámetro de 9,5 pulgadas; también los hay de 5 y 7 pulgadas. La parte trasera, viene resortada para su fácil instalación a la herramienta.
Los precios de los diferentes diámetros, se encuentran disponibles en el anexo O. Cotizaciones.
Anexo L. PLC
El autómata SIMATIC S7-200, CPU 226 de Siemens, presenta las siguientes características.
136
Anexo M. Pantalla HMI- unidad de indicación y control
La unidad de indicación y control CDPX-X-A-W-4 de FESTO, se pueden realizar algunas funciones, como lo son:
Representación de datos mediante números, textos y graficas
Captación de datos
Gestión de alarmas
Memoria expandible mediante tarjeta SD
Representación de imágenes de cámara IP
137
Principals características técnicas
138
Interfaces
USB, Ethernet, RS485, USB,
tarjeta SD
139
Anexo N. Lamina de carril y carcasa.
Plano carril de la herramienta, Acero inoxidable, 6.35mm de espesor.
140
Plano carcasa de herramienta
141
Anexo O. Cotizaciones
La siguiente cotización se realizó directamente en la tienda de HOME CENTER CALI. Se relacionan los diferentes precios que manejan para los diferentes diámetros de PAD circulares.
Cotización PAD
142
La siguiente figura, corresponde a la cotización realizada con el distribuidor de FESTO.
Cotización 1. FESTO
143
144
Cotización 2. FESTO
145
Cotización 3. AIRMATIC
Cotización, láminas y corte. Calle 45AN #2N-95
Laminas y Corte
Descripción Precio
Materiales carril herramienta 791.000
Soldadura carril 750.000
Materiales carcasa 49.700
Soldadura 38.000
146
TOTAL 1.628.700
Cotización cilindro en aluminio solución B
BRONZMETAL SA.
Descripción Precio
TUBO 5`` de diámetro, por 1,6 mm de
pared, por 1500mm de largo, en
aluminio
646.120
TUBO en acero 7`` de diámetro, por
1,6 mm de pared, por 2000mm de
largo
809.020
TOTAL 646.120
Display
MICRO ELECTRONICOS
Descripción Precio
Display LCD, pantalla 16x2 líneas
azules
8.500
TOTAL 8.500
Cola de milano
PAYAN
Asesor: Carlos Gutiérrez
Descripción Precio
Cola de milano 1500mm de largo, por
50mm de ancho por 35mm de alto
3.400.000
147
TOTAL 3.400.000
Anexo P. Artículo formato Icontec
DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE CILINDROS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA PLANTA DE
FLEXA COLOMBIA
Autor: Juan Camilo Cuervo Mejía*
Co-Autor: William Gutiérrez Marroquín**
Universidad Autónoma de Occidente. Km 2 vía Jamundí, Cali.
[email protected]* [email protected]**
Abstract: en el siguiente artículo, se muestra el estudio realizado al proceso de limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado dentro de la planta FLEXA Colombia, posteriormente se muestra el método de ingeniería concurrente,
utilizado para el diseño de una herramienta automática, que dará solución a los problemas ergonómicos identificados que se vienen presentando durante el
proceso de limpieza de los cilindros
Keywords: Rotograbado, ingeniería concurrente.
INTRODUCCIÓN
FLEXA fue fundada en 1975 por el grupo Carvajal, como respuesta a la necesidad de protección y preservación adecuada de productos de consumo masivo, durante su distribución y permanencia en el punto de venta, productos tales como jugos de frutas, galletas, refrescos,
derivados lácteos, salsas, farmacéuticos, jabones y artículos para el aseo personal y para el cuidado del hogar. Estos empaques se forman a partir de laminados fabricados con diferentes materiales tales como aluminio, papel, polietileno, polipropileno biorientado y
148
otros plásticos de mediana y alta barrera de protección. FLEXA cuenta con líneas de producción automatizadas, las cuales permiten realizar producciones en serie y ser más competitivos en el mercado. Algunas áreas de la empresa no cuenta con las suficientes características técnicas que se requieren para garantizar la integridad física del personal, lo cual implica que los operarios realicen muchas labores manualmente, movimientos repetitivos que afectan la salud, como por ejemplo en el área de cilindros. Los problemas que se generan en el área de cilindros, deben resolverse para prevenir los accidentes laborales y garantizar un excelente resultado en la producción. RESULTADOS OBTENIDOS DEL ESTUDIO DEL PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS UTILIZADOS EN EL ROTOGRABADO Los cilindros que se manejan en la planta de FLEXA, tienen una circunferencia que va desde 450 a 800 mm; su longitud varía entre 850, 1100 y 1370mm, dependiendo del diseño que se desee realizar.
El proceso de limpieza de los cilindros implica un alto riesgo para el operario encargado, ya que este debe introducir el cilindro en una máquina que lo hace girar a una velocidad constante, poniendo en riesgo su integridad; El operario debe realizar una serie de operaciones de limpieza, para lograr un excelente acabado en los cilindros. Todas las operaciones
ocurren mientras el cilindro se encuentra girando, lo cual representa un alto riesgo para el operario, debido a que si se descuida, la maquina tiende a halarlo y puede quedar atrapado en su interior. Este proceso se realiza repetitivamente durante toda la jornada, lo cual representa una notable preocupación para la empresa, debido a que antes de finalizar la jornada laboral, los operarios ya se encuentran fatigados y no van a laborar igual que cuando empezaron el turno; esto se puede ver reflejado al final de la producción, ya que si el proceso de limpieza no se realiza correctamente, el producto final derivado del proceso de rotograbado, puede quedar con apariencia “pálida” y con velos.
Adicionalmente, se debe tener en cuenta que este proceso de limpieza, requiere de una gran aplicación de fuerza física por parte del operario para lograr una total homogeneidad en el acabado, lo que ocasiona dolores lumbares y dolor en dedos y manos. En la figura 1 se observa las posturas inadecuadas que adapta el operario para realizar un buena limpieza de los cilindros de rotograbado
Figura1. Posición para brillar los cilindros
149
En la figura 2, representa el diagrama de flujo de todo el proceso de limpieza.
Figura2. Diagrama de flujo-proceso de limpieza
METODO DE INGENIERIA
CONCURRENTE.
Identificación de las necesidades
Para la obtención de las necesidades, se partió del criterio de todas las personas involucradas en el proceso de limpieza de cilindros, operarios, personal de mantenimiento e ingenieros de planta. Estas personas, en una entrevista personal, manifestaron sus necesidades e inconvenientes con el proceso, las cuales se volvieron a reescribir para tener en cuenta los aspectos que debe cumplir la herramienta.
La tabla 1, muestra las principales necesidades identificadas en el proceso de limpieza de cilindros.
Tabla1. Identificación de las necesidades
No
.
1 “Toca hacer mucha presión para que el cilindro quede bien”
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por parte del operario.
2 “En la brillada es donde más sudo”
No se requiere de esfuerzos altos para brillar los cilindros
3 “El proceso no es que sea muy demorado, pero si son muchos pasos”
La herramienta trabaja de forma rápida.
150
4 “Esa brillada es a ojo y al cálculo”
La herramienta proporciona un alto nivel de confianza al usuario en cuanto al resultado.
5 “Como pongo las manos, así las muevo para que quede parejito”
La herramienta garantiza homogeneidad en la limpieza del cilindro.
6 “ Lo más complicado es la brillada, el resto lo hago con una mano”
La herramienta brilla con mayor facilidad.
7 “ No podemos utilizar tampoco tecnología de punta para realizar este proceso, porque eso nos cuesta”
La herramienta es económicamente asequible
8 “La herramienta debe ser fácil de manejar”
La herramienta es de fácil manejo.
9 “La herramienta debe ejercer una presión de casi 15 lb.”
La herramienta garantiza la presión necesaria para el proceso de brillado.
10 “ Que sea estética y atractiva”
La herramienta es estética
11 “ La herramienta debe servir
La herramienta se adapta para las diferentes
para todas las dimensiones de cilindros de la empresa”
dimensiones de cilindros.
12 “ Los paños se deben poder cambiar fácil”
La herramienta es de fácil mantenimiento.
13 “ Debe ser una herramienta que no solo se limite a una maquina”
La herramienta se puede adaptar en otras máquinas- canoas.
14 “ Que no vaya a ser que para hacerle mantenimiento, requiera de una semana y de un especialista”
La herramienta es de fácil mantenimiento.
15 “ La herramienta debe ser fácil de instalar”
La herramienta es de fácil instalación.
16 “Me da miedo resbalarme cuando estoy brillando el cilindro”
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por parte del operario para brillar el cilindro
17 “ No puede ser tan costosa”
La herramienta será económicamente viable
18 “ Que tenga el tamaño apropiado”
La herramienta será de un tamaño acorde a la maquina
19 “ Que sea amigable con el medio
Sera diseñada con materiales amigables al
151
ambiente” medio ambiente 20 “ Que se
pueda alimentar a la red de la planta”
Funcionamiento con red eléctrica de la planta.
Después de identificar las necesidades del cliente, se encontraron las métricas para relacionarlas con las necesidades y así obtener los requerimientos del diseño.
Una vez se encontraron los requerimientos, se realizó la matriz QFD,(Quality Function Deployment), con el fin de identificar cuáles eran las métricas más importantes a tener en cuenta en el diseño.
El resultado obtenido con el método QFD, revela que los aspectos más relevantes para tener en cuenta en el diseño son: la herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos por parte del operario y la seguridad en el resultado, esto significa que el operario debe trabajar en forma segura y sencilla y el resultado tiene que ser exitoso. El operario no debe desgastarse físicamente para obtener excelentes resultados.
GENERACIÓN DE CONCEPTOS
Se realizó una descomposición funcional del sistema, con el fin de dividirlo en subproblemas más simples.
Los sub problemas que surgen a raíz de diseñar una herramienta que realiza el proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado antes del proceso de cromado, son:
Sistema de brillado Sistema de limpieza profunda (
Detergente) Sistema desengrasante (Agua
jabón) Aplicación de insumos
(líquidos, brilla metal) Medición de la fuerza de
brillado Instrumento para brillar Tecnología a utilizar
Después se procedió realizar una combinación de conceptos que da como resultado una serie de soluciones posibles
Cada una de las posibles soluciones, se calificaron en unas rigurosamente en una matriz, frente a los requerimientos del cliente y un porcentaje de importancia establecido anteriormente.
La combinación de conceptos seleccionada, corresponde a la solución D, figura 3.
Figura 3. Solución Seleccionada
152
Esta solución, se enfoca en el subproceso crítico de la limpieza, en el brillado. Este diseño consta de un cilindro neumático sin vástago, que está ubicado a lo largo de toda la máquina; este cilindro tiene una carrera de 1400 mm y un diámetro de embolo de 25mm. Como este cilindro no tiene vástago, el embolo interno, va sujeto a un carro externo en la parte superior del cilindro, ósea que lo que se desplaza externamente, es el carro externo. Sobre el carro externo, se sujeta otro cilindro neumático pero con vástago; este segundo actuador, tiene una carrera de 200mm y un diámetro de embolo de 25mm. Sujeto al vástago, ira una PAD circular de 7 pulgadas de diámetro, con el cual se brillara el cilindro de rotograbado.
Después de hacer una retroalimentación con el personal de mantenimiento y con ingenieros especializados en el área de neumática, se tomó la decisión que la herramienta no llevaría un sensor de fuerza, sino que la fuerza que se
debe aplicar estará determinada por la alimentación en la línea neumática
También se realizó un prueba experimental con los operarios encargados del proceso de limpieza, donde se determinó que la fuerza que se debe ejercer sobre el cilindro de rotograbado para que brille bien la superficie, es de aproximadamente 49,2 lbf.
En la tabla2, se puede observar cada uno de los elementos que componen el diseño de la solución seleccionada y su respectivo costo.
Tabla 2. Costo de elementos y materiales
Elemento Cant. Valor total PLC 1 707.822 Conector NECC-L2G24
1 54.509
Conector NECC-L2G4
1 11.680
Unidad de indicación y control (HMI)
1 1.782.025
Unidad alimentadora de 24 V
1 577.280
Actuador lineal sin vástago
1 1.160.191
Cilindro de doble efecto
1 253.794
Unidad guía 1 1.049.538 Sensor magnético de proximidad
7 648.226
Fijación para 1 14.418
153
S Unidad de mantenimiento
1 237.313
Válvula de estrangulación y antirretorno
4 168.465
Racor rápido QS
3 25.866
Racor rápido QSL
6 74.687
Electroválvula 5/2
1 406.308
Electroválvula 5/3
1 484.325
Bobina magnética
4 219.031
Racor rápido en T
1 19.472
Silenciador 4 61.396 Tubo plástico 20 m 80.934 Regulador de presión
2 191.274
Carril para herramienta +soladura
1 1.541.000
Accionado PE. XCSDMR5902
1 232.000
Carcasa herramienta más soldadura
1 87.700
PAD- felpa7`` 1 19.900 Disco para felpa
1 60.000
TOTAL 10.169.154
En la figura 4, se muestra el diseño de la herramienta ya ensamblado en la maquina canoa.
Figura 4. Ensamble de herramienta automática.
CONCLUSIONES
El mayor beneficio para la empresa EMPAQUES FLEXA con llevar a cabo este proyecto, es no verse involucrado en un futuro con alguna indemnización, remuneración o incapacidad de sus empleados a causa de lesiones en el proceso de limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado. Todo lo que le pase a los trabajadores dentro de la empresa, es responsabilidad de FLEXA; por esta razón, FLEXA debe velar por que las condiciones de trabajo de cada uno de los empleados sean óptimas y seguras.
La inversión que debe realizar la empresa EMPAQUES FLEXA para llevar a cabo este proyecto es de aproximadamente $10.169.154; considerablemente baja, si se tiene en cuenta que se está mejorando notablemente las condiciones de trabajo de los
154
empleados y la excelente tecnología que se está utilizando para llevar a cabo este proyecto. Aunque no es posible estimar el tiempo de recuperación de la inversión, se está previendo que en un futuro la empresa tenga que indemnizar a alguno de los operarios encargados del proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado.
Aunque el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado, abarca operaciones como los son el brillado, la aplicación de detergente, enjuague y secado; en este proyecto se está dando solución al principal problema que pone en riesgo la salud de los operarios encargados de esta labor, el brillado.
Con la implementación de la herramienta diseñada en este proyecto, se disminuye la intervención del operario a lo largo de todo el proceso de limpieza de cilindros. Entre menor sea la intervención del operario en un proceso, más fácil de estandarizar el mismo, menor es el riesgo al que está expuesto y mayor es la probabilidad de que el resultado va a ser exitoso.
La aplicación del método de ingeniería concurrente durante el desarrollo de este proyecto,
hace posible que se tengan en cuenta muchos factores debido a la socialización y relación multidisciplinaria que se va desarrollando a lo largo del proyecto. Esto permite optimizar los recursos, reducir los tiempos de diseño y los costos de desarrollo del proyecto.
La herramienta automática, garantizara una producción homogénea que se caracterizará por la precisión en el proceso; esto hace que disminuyan los desperdicios en la empresa.
REFERENCIAS
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155
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CABRERA, Ana María. Guía de atención integral de salud ocupacional basada en la evidencia para Dolor Lumbar [en línea]; Bogotá, Diciembre de 2006, Página 12 [consultado 13 de noviembre de 2012] Disponible en internet en: http://gavilan.uis.edu.co/~tarazona/docencia/asignatura1/pdfs/glumbar.pdf
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Responsabilidad Social. [Consultado el 6 de noviembre de 2012]. Disponible en internet: http://www.eflexa.co/inicio.html.
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KARL T. ULRICH, Steven D. Eppinger. Diseño y desarrollo de productos, enfoque multidisciplinario. Mc Graw Hill, tercera edición. 256 p.
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SÁNCHEZ MUÑOS, Gustavo. El huecograbado en rotativa o rotograbado [en línea]. [Consultado el 20 de diciembre de 2012]. Disponible en internet: http://gusgsm.com/huecograbado_rotativa.