universidad tecnolÓgica equinoccial facultad de...

II

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA EL SELLADO DE

CAFÉ CON AZÚCAR EN FUNDAS DE PAPEL FILTRO”

TESIS PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

AUTOR: DARÍO FRANCISCO MENA POLO

DIRECTOR DE TESIS: ING. VLADIMIR BONILLA

QUITO - ECUADOR

JUNIO, 2011

III

DECLARACIÓN

Del contenido del presente trabajo se responsabiliza

Darío Francisco Mena Polo

_____________________________

C.I. 100260163-9

IV

CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS

Este trabajo fue supervisado y dirigido por

Ing. Vladimir Bonilla

_____________________________

V

AGRADECIMIENTO

A Dios por darme la vida y unos padres incondicionales quienes me han permitido estudiar

y seguir una carrera para ser un buen profesional y una persona de bien.

A mi director de tesis Ing. Vladimir Bonilla quien siempre ha sido un amigo guiándome por

el camino correcto para la culminación de este trabajo.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial y a sus profesores por compartir sus

conocimientos a lo largo de la carrera y por ser amigos incondicionales, pues siempre

estuvieron prestos a responder cada inquietud reforzando lo aprendido.

Agradezco de manera especial al colegio San Francisco donde realicé mi educación

secundaria, por brindarme todo el conocimiento necesario y tener las bases muy bien

cimentadas para emprender una carrera de nivel superior.

VI

DEDICATORIA

Este trabajo es dedicado a mis padres Iván y Nancy, por apoyarme a lo largo de mi vida y

sobre todo en mi carrera, quienes han sido un pilar fundamental para la culminación exitosa

en mi vida profesional, sin ellos esto no hubiera sido posible.

Dedico de manera especial a mi familia, Alejandra por estar junto a mí y apoyarme en todo

y a mis hijos Francisco y Alejandro ya que son mi inspiración y la razón de luchar cada día.

A mis hermanos Wladimir y Xavier, por ayudarme en momentos difíciles durante mi

carrera y en el desarrollo de este trabajo, quienes son un ejemplo a seguir. Y demás

familiares y amigos quienes estuvieron a mi lado dándome palabras de aliento, las mismas

que fueron de gran importancia.

VII

ÍNDICE GENERAL

CARÁTULA……………………………………………………………………………….II

DECLARACIÓN…………………………………………………………………………III

CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS………………………………………………….IV

AGRADECIMIENTO....………………………………………………...……………......V

DEDICATORIA……..………….………………………………………..……………....VI

ÍNDICE GENERAL…….……………………………………………………………....VII

ÍNDICE DE CUADROS…………………………………………………………….....XIII

ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………...XIV

ÍNDICE DE FOTOS………………………………………………………………….....XV

ÍNDICE DE GRÁFICOS………………………………………….…………………...XVI

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………….…………………...XVII

ÍNDICE DE ANEXOS………………………………………………………………….XIX

RESUMEN…………………………………………………………………………….....XX

SUMMARY………………………………………………………….………………….XXI

VIII

ÍNDICE DE CONTENIDOS

CAPÍTULO I .......................................................................................................................... 1

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1

1.1 ANTECEDENTES ....................................................................................................... 1

1.2. SISTEMATIZACIÓN ................................................................................................. 2

1.2.1. Diagnóstico ........................................................................................................... 2

1.2.2. Pronóstico ............................................................................................................. 3

1.2.3. Control Del Pronóstico ......................................................................................... 4

1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................... 5

1.4. OBJETIVOS ................................................................................................................ 5

1.4.1. Objetivo General ................................................................................................... 5

1.4.2. Objetivos Específicos ........................................................................................... 6

1.5. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 6

1.6. ALCANCE .................................................................................................................. 7

1.7. FACTIBILIDAD ......................................................................................................... 9

1.7.1. Factibilidad Técnica .............................................................................................. 9

1.7.2. Viabilidad............................................................................................................ 12

CAPÍTULO II ...................................................................................................................... 16

2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 16

2.1 MATERIA PRIMA ..................................................................................................... 16

2.2 MÁQUINAS EMPACADORAS ................................................................................ 19

IX

2.2.1 Máquinas Dosificadoras ...................................................................................... 20

2.2.1.1 Dosificador Por Peso ..................................................................................... 21

2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín .................................................................... 22

2.2.1.3 Dosificador Por Pistón .................................................................................. 22

2.2.1.4 Dosificador Por Volumen ............................................................................. 23

2.2.2 Máquinas Selladoras ............................................................................................ 24

2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales ..................................................................... 24

2.2.2.2 Técnicas De Sellado ...................................................................................... 25

2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión .................................................................................. 26

2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente ....................................................................... 27

2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido ................................................................................. 27

2.3 MATERIALES INDICADOS PARA EL CONTACTO CON ALIMENTOS ........... 28

2.3.1 Aceros Inoxidables .............................................................................................. 28

2.3.2 Papel Filtro ........................................................................................................... 30

2.4 CONTROL DE LAS MÁQUINAS............................................................................. 31

2.4.1 Microcontrolador ................................................................................................. 31

CAPÍTULO III ..................................................................................................................... 34

3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA .............................................................................. 34

3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO .......................................... 34

3.1.1 Análisis De La Máquina ...................................................................................... 35

3.1.2 Estructura De La Empacadora ............................................................................. 36

3.1.2.1 Material De La Máquina ............................................................................... 37

X

3.1.2.2 Sistema Dosificador ...................................................................................... 38

3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador ........................................................... 38

3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador

............................................................................................................................... 39

3.1.2.2.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Dosificador ............................ 45

3.1.2.3 Sistema Sellador ............................................................................................ 47

3.1.2.3.1 Módulo Del Sistema Sellador ................................................................. 47

3.1.2.3.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Sellador ... 48

3.1.2.3.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Sellador.................................. 54

3.1.2.4 Control De La Máquina ................................................................................ 56

3.1.2.5 Fuentes De Alimentación .............................................................................. 56

3.2 DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS DEL

PROYECTO ..................................................................................................................... 57

3.2.1 Sistema Mecánico ................................................................................................ 57

3.2.2 Sistema Dosificador ............................................................................................. 58

3.2.2.1 Hardware Del Sistema Dosificador ............................................................... 58

3.2.2.2 Software Del Sistema Dosificador ................................................................ 60

3.2.3 Sistema Sellador .................................................................................................. 61

3.2.3.1 Hardware Del Sistema Sellador .................................................................... 61

3.2.3.2 Software Del Sistema Sellador ..................................................................... 64

3.2.4 Simulación ........................................................................................................... 65

3.2.4.1 Simulación Del Sistema Dosificador Y Sellador .......................................... 65

XI

3.2.4.1.1 Simulación De Sistema Dosificador ....................................................... 66

3.2.4.1.2 Simulación De Sistema Sellador ............................................................ 68

3.2.5 Sistema Eléctrico ................................................................................................. 71

3.2.5.1 Panel De Control ....................................................................................... 71

CAPÍTULO IV ..................................................................................................................... 73

4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO .................................................. 73

4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ...................................................................... 73

4.2 PRUEBAS Y RENDIMIENTO DEL PROTOTIPO ................................................... 76

4.2.1 Verificación Del Peso Y Tiempo Del Producto Dosificado ................................ 77

4.3 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................ 83

4.3.1 Descripción De La Máquina ................................................................................ 83

4.3.2 Identificación De Los Componentes De La Máquina ......................................... 84

4.3.3 Condiciones Generales De Operación ................................................................. 84

4.3.4 Instrucciones De Seguridad De La Máquina ....................................................... 86

4.3.5 Funciones De Los Componentes Principales De La Máquina. ........................... 87

4.3.5.1 Componentes Del Sistema Dosificador ........................................................ 87

4.3.5.2 Componentes Del Sistema Sellador .............................................................. 88

4.3.6 Panel De Control .................................................................................................. 88

4.3.6.1 Distribución Del Panel De Control ............................................................... 88

4.3.6.2 Descripción Y Funcionamiento De Los Componentes Del Panel De Control

................................................................................................................................... 89

XII

CAPÍTULO V ...................................................................................................................... 92

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 92

5.1 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 92

5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................................ 93

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 96

XIII

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas de

aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos..................................... 30

Cuadro No. 2. Pesos dosificados en las cinco fundas .......................................................... 78

Cuadro No. 3. Pesos dosificados en las cinco fundas (proceso manual) ............................. 81

XIV

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura No. 1. Café ................................................................................................................ 16

Figura No. 2. Azúcar ............................................................................................................ 17

Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza ........................................ 21

Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín .............................. 22

Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón........................................... 23

Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica ........................................ 24

Figura No. 7. Selladora manual............................................................................................ 25

Figura No. 8. Selladora por fusión ....................................................................................... 26

Figura No. 9. Selladora por aire caliente.............................................................................. 27

Figura No. 10. Selladora por cosido..................................................................................... 28

Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable ........................................................................ 29

Figura No. 12. Funda de papel filtro .................................................................................... 31

Figura No. 13. Diagrama de bloques general de un microcontrolador ................................ 32

XV

ÍNDICE DE FOTOS

Foto No. 1. Módulo general del sistema .............................................................................. 37

Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador ........................................................................ 39

Foto No. 3. Módulo del sistema sellador ............................................................................. 48

Foto No. 4. Silo de almacenamiento .................................................................................... 57

Foto No. 5. Palanca de sellado ............................................................................................. 58

Foto No 6. Panel de control interior ..................................................................................... 72

Foto No 7. Panel de control exterior .................................................................................... 72

XVI

ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema.......................... 36

Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina ............................ 36

Gráfico No. 3. Secciones del silo ......................................................................................... 41

Gráfico No. 4. Diagrama de flujo de lógica de funcionamiento de sistema dosificador ..... 45

Gráfico No. 5. Diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema sellador ...... 54

Gráfico No. 6. Esquema de hardware del sistema dosificador ............................................ 60

Gráfico No. 7. Esquema de hardware del sistema sellador .................................................. 64

Gráfico No. 8. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema dosificador .. 66

Gráfico No. 9. Simulación en condiciones iniciales de falta de producto en el silo ............ 67

Gráfico No. 10. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema dosificador .... 67

Gráfico No. 11. Simulación de aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento ... 68

Gráfico No. 12. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema sellador ..... 69

Gráfico. No 13. Simulación de la niquelina en condiciones iniciales .................................. 69

Gráfico No. 14. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema sellador .......... 70

Gráfico No. 15. Simulación de la niquelina al sellar la funda ............................................. 70

Gráfico No. 16. Componentes principales de la máquina .................................................... 84

Gráfico No. 17. Componentes principales del panel de control de la máquina ................... 89

XVII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores ........................................................... 9

Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado ............................................................... 10

Tabla No. 3. Comparación de motores ................................................................................ 10

Tabla No. 4. Comparación de sensores ................................................................................ 11

Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual ................... 11

Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación .................................................. 12

Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina .................. 12

Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor. ......................................... 13

Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo. ................... 14

Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina ....................................... 15

Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina .................................................... 34

Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador ........... 44

Tabla No. 13. Tamaño de la funda de papel filtro en centímetros ....................................... 52

Tabla No. 14. Características técnicas de los componentes del sistema sellador ................ 52

Tabla No. 15. Componentes de hardware del sistema dosificador ...................................... 58

Tabla No. 16. Componentes de hardware del sistema sellador............................................ 62

Tabla No. 17. Materiales para la construcción de la máquina. ............................................ 73

Tabla No. 18. Datos del peso dosificado en diez fundas con un peso de 11 gramos ........... 77

Tabla No. 19. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto ..................................... 77

Tabla No. 20. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por el prototipo . 79

XVIII

Tabla No. 21. Datos del peso dosificado en cinco fundas con un peso de 11 gramos

(proceso manual) .................................................................................................................. 80

Tabla No. 22. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto (proceso manual) ........ 81

Tabla No. 23. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por un proceso

manual .................................................................................................................................. 82

Tabla No. 24. Condiciones y especificaciones generales de la máquina ............................. 85

XIX

ANEXOS

Anexo 1: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 311 Estándar

Anexo 2: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 755HB

Anexo 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114

Anexo 4: Información general del Pic 16F877A

Anexo 5: Fotos de construcción del prototipo

Anexo 6: Planos de diseño del prototipo

Anexo 7: Programas del microcontrolador de sistemas dosificador y sellador

XX

RESUMEN

El café y el azúcar son alimentos que se consumen habitualmente, los cuales son

procesados para obtener diferentes productos, por lo tanto, se necesita de maquinaria para

la elaboración de éstos.

Ésta tesis se basa en el diseño y construcción de un prototipo de una máquina semi-

automática para dosificar café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El objetivo es

llegar a implementar ésta máquina en una empresa relacionada con este tipo de producción,

cuyos procesos sean realizados de forma manual para disminuir costos de producción.

Éste prototipo fue diseñado de tal manera que un operador sea capaz de manejarlo. Consta

de dos módulos, uno es el sistema dosificador y el otro es el sistema sellador. Se construyó

por medio de un análisis de cada uno de sus componentes, dependiendo de su

funcionamiento y su costo, para que llegue a ser competitivo en el mercado de éste tipo de

empacadoras.

El prototipo ha sido sometido a pruebas, tomando en cuenta su rendimiento en comparación

del rendimiento de un proceso manual, realizando un análisis con excelentes resultados.

XXI

SUMMARY

Coffee and sugar are commonly consumed foods, which are processed for different

products, therefore, is required machinery for the production of them.

This thesis is about the design and construction of a machine as prototype for dispensing

coffee with sugar in filter paper bags and seal them. It´s objective is to implement this

machine in a company connected with this production, whose processes are carried out

manually to reduce production costs.

This prototype was designed so that an operator could be able to handle it. It consists in two

modules, one is the feeder system and the other is the sealant system. It was constructed

through an analysis of each of its components, depending on their performance and cost to

become competitive in the market for this type of packing.

The prototype has been tested, taking into account its performance against the performance

of a manual process, with an analysis with excellent results.

CAPÍTULO I

1

CAPÍTULO I

1. INTRODUCCIÓN

A continuación se presenta un breve análisis de la maquinaria necesaria para obtener un

producto final, relacionado con alimentos de consumo humano dentro del Ecuador.

1.1 ANTECEDENTES

Debido a la ubicación geográfica del Ecuador, su café es de los mejores producidos en

América del Sur y de los más demandados en Europa, al igual que el Cacao. Por otro lado,

la mayor parte de la demanda del café se encuentra desde hace tiempo concentrada en

pocas empresas estadounidenses y europeas que compran café verde para luego procesarlo,

mezclarlo y venderlo con mayores precios. Ecuador al ser un país altamente productivo, se

plantea la industrialización del café producido por los ecuatorianos, para eliminar la

importación de este producto ya procesado, consumiendo y apoyando lo nuestro. En un

futuro se podría exportar el café procesado, ya no solo como materia prima, sino con un

valor agregado para el resto del mundo.

Actualmente en el Ecuador solo las grandes empresas tiene la posibilidad de acceder a la

tecnología necesaria para producir el café en fundas de papel filtro por sus altos costos de

inversión, y las empresas pequeñas tienen una desventaja tecnológica para lanzar nuevos

productos al mercado, por lo que es importante la implementación de maquinaria de fácil

adquisición y a bajo costo.

2

1.2. SISTEMATIZACIÓN

A continuación se presenta un diagnóstico, pronóstico y control del pronóstico de la

situación actual de las empresas ecuatorianas que trabajan con maquinaria para la

elaboración de un producto.

1.2.1. Diagnóstico

En la actualidad existen empresas dedicadas a la manufactura de productos alimenticios, y

Ecuador al ser un país rico en materia prima es fundamental poder implementar procesos

que transformen a dicha esta en productos elaborados.

La industria cafetera en el Ecuador es poco reconocida a pesar de que este sea uno de los

pocos países que posee café de alta calidad, pero los procesos de transformación del mismo

han dado lugar a que este tenga propiedades organolépticas inferiores, pues en otros países

los procesos productivos son más eficientes y cada día los están renovando, por lo tanto es

imprescindible crear máquinas innovadoras las cuales puedan ayudar a que las empresas de

nuestro país sobresalgan en la industria cafetera, especialmente aquellas que ya tiene un

mercado establecido para poder aumentar su producción logrando satisfacer las necesidades

requeridas, y no solo exportar materia prima, sino que también se pueda brindar al resto del

mundo un producto procesado de alta calidad.

Las máquinas que se usan para la elaboración de un producto son muy costosas ya que la

mayoría son fabricadas en países desarrollados y su costo de importación es muy elevado,

pues con el tema propuesto de crear una máquina para una empresa cafetera, reduciría

3

dichos costos y tendrían la facilidad de adquirirla, beneficiando al aumento de volumen de

producción.

1.2.2. Pronóstico

Las pequeñas empresas cafeteras continuarían con procesos manuales, por lo que sus costos

de producción serían muy altos obteniendo productos con limitaciones de competencia en

el mercado, por lo que se plantea la implementación de esta máquina para tratar de reducir

sus costos de producción.

Si la empresa, con procesos manuales produce un volumen de 4 unidades por minuto, se

espera que al implementar la máquina, aumente su volumen a 8 fundas por minuto, lo cual

representa un 50% aproximadamente de aumento en la producción.

Al no implementar este sistema, las empresas seguirían pagando a 2 o más operadores por

realizar el mismo proceso, obteniendo un volumen limitado de producción, por lo que se

plantea que 1 solo operario lo puede realizar.

La empresa se limita al crecimiento de su producción por tener procesos manuales,

especialmente cuando se tiene un mercado estable y en aumento.

La calidad del producto puede variar cuando se lo elabora manualmente, en cambio con

esta máquina siempre elaborará un mismo producto.

Al implementar esta máquina se puede disminuir factores de contaminación cruzada con

una adecuada desinfección de esta, en cambio cuando se trabaja con varios operadores el

producto tiene más riesgo de ser contaminado.

4

1.2.3. Control Del Pronóstico

Actualmente los procesos en varias pequeñas empresas cafeteras se los realiza

manualmente, a pesar de que tienen un mercado establecido pero con una limitada

producción, en la cual se puede implementar una máquina que dosifique y selle café con

azúcar en fundas de papel filtro, ya que dentro de dicha empresa existen varias desventajas

por no implementar ningún tipo de máquina. Para llegar a obtener el producto sellado y

dosificado se necesitan algunos pasos:

En un proceso manual, el primer paso a seguir es coger el producto con un recipiente que

tenga aproximadamente la cantidad requerida y colocarlo dentro de una funda de papel

filtro, lo cual se demora 5 segundos, el que puede ser reemplazado por un dosificador el que

consiste en almacenar el producto en un silo, el cual deja caer automáticamente la cantidad

exacta al momento que una funda de papel filtro se la coloca en la parte inferior. Por lo

tanto, al implementar un dosificador se puede ahorrar 4 segundos aproximadamente, y

además en el proceso manual, la cantidad llenada con el recipiente no es siempre igual a

cantidad requerida, por lo que es necesario quitar o aumentar café hasta lograr la cantidad

exacta.

En el proceso manual, el segundo paso a seguir es colocar la funda papel filtro en un

sellador y presionar la palanca para sellarla, lo cual se demora 4 segundos

aproximadamente, el que se puede reemplazar por un sellador automático el que consiste en

colocar la funda de papel filtro bajo el sellador donde se encuentra un sensor de presencia,

para que la palanca baje automáticamente en 1 segundo, para lograr un buen sellado. Por lo

5

tanto, al implementar un sellador automático se puede obtener un buen sellado ya que se

mantiene presionada la palanca 0,8 segundos, el que se puede regular dependiendo del tipo

de material de la funda, ya sea un plástico delgado, plástico grueso, papel filtro, etc.

Con la implementación una máquina que dosifique y selle café con azúcar en fundas de

papel filtro las empresas procesadoras de café obtendrán grandes beneficios. Pues esta

máquina será de gran ayuda para poder aumentar la productividad de la empresa ya que 1

sola persona capacitada puede manejarla, lo cual hace que en la empresa se disminuya la

mano de obra y por lo tanto los costos de producción bajarían y las utilidades crecerían.

1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Es posible aumentar el volumen de producción en un 50% reemplazando los procesos

manuales por un prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro en

una empresa cafetera manufacturera?

¿Es posible disminuir costos de producción al implementar un prototipo para el sellado de

café con azúcar en fundas de papel filtro en una empresa cafetera manufacturera?

1.4. OBJETIVOS

A continuación se presentan los objetivos del presente trabajo:

1.4.1. Objetivo General

Construir un prototipo de una máquina dosificadora y selladora de café con azúcar

en fundas de papel filtro.

6

1.4.2. Objetivos Específicos

Recopilar información acerca del diseño y construcción de máquinas dispensadoras

y selladoras de un producto.

Diseñar y construir el sistema de dispensado en las fundas pequeñas de papel filtro.

Diseñar y construir el sistema de sellado de las fundas pequeñas de papel filtro.

Implementar los sistemas de dosificado y sellado en la estructura metálica.

1.5. JUSTIFICACIÓN

Para las empresas ecuatorianas manufactureras que se encuentran en la producción continua

de un producto, es indispensable poseer maquinaria que ayude a la fabricación del mismo,

ya que con procesos manuales la calidad el producto puede variar y su producción podría

ser muy costosa.

Las pequeñas empresas cafeteras que poseen un mercado definido, se encuentran en la

necesidad de mejorar y aumentar su producción con productos ya establecidos en el

mercado y ofreciendo productos innovadores, por lo que se ha resuelto construir un

prototipo semiautomático que dosifique y selle café con azúcar en una funda de papel filtro,

el cual ayuda a obtener una producción de mejor calidad, mayor volumen y con bajos

costos.

Actualmente existen empresas grandes que han surgido a lo largo de su trayectoria, y se han

convertido en empresas exitosas, que a un principio sus procesos eran de forma manual y

7

con el tiempo han crecido y han adquirido maquinaria que sirva como ayuda para su

producción, logrando colocarse en una posición de alta competencia en el mercado actual.

Además existen empresas que han tratado de crecer con procesos manuales, pero su

mercado es limitado debido a la cantidad de productos fabricados, por lo que deberían

implementar maquinaria que les ayude a satisfacer a la mayor parte del mismo

incrementando su volumen de producción, para lo cual no se necesita de manera obligatoria

una máquina de alta tecnología, sino un sistema que sea de fácil adquisición por su costo y

sea capaz de producir lo suficiente para la satisfacer las necesidades requeridas.

Finalmente, la implementación de un prototipo semiautomático que dosifique y selle café

con azúcar en una funda de papel filtro, en cualquier empresa manufacturera cafetera podría

ser muy importante por las ventajas de dosificado y sellado automáticos, siendo un sistema

más económico en comparación con maquinaria extranjera que realiza el mismo trabajo, la

cual únicamente cuenta con la supervisión de un operador capacitado para su manejo, sin la

necesidad de tener a varias personas en procesos diferentes, ya que de esta manera la

empresa se puede ahorrar el pago a cada uno de ellos, logrado un beneficio al implementar

el sistema propuesto.

1.6. ALCANCE

El prototipo planteado consiste en un sistema semiautomático cuyo objetivo es dispensar

café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El prototipo tendrá una estructura

metálica de 52 cm de alto, 50 cm de ancho y 30 cm de profundidad, la cual se encontrará

dividida en dos partes, la primera para el sistema de dosificado y la segunda para el sistema

8

de sellado, las mismas que tienen un funcionamiento independiente. El sistema de

dosificado tendrá un silo de acero inoxidable para almacenamiento del producto, en el cual

se colocará un sensor de presencia QRD1114 en la salida para detectar la funda de papel

filtro y activar al servomotor Hitec HS-311 permitiendo la apertura de la compuerta del

silo. El llenado del silo con producto se lo realiza manualmente. La funda a dosificar debe

llegar a una distancia de 1 centímetro del sensor para que pueda ser detectada. Una vez que

la funda sea dosificada, debe ser retirada inmediatamente, ya que el sistema puede llegar a

sensar y dosificar la misma funda. El sistema de sellado tendrá un sensor de presencia

QRD1114, el cual detectará la funda de papel filtro con café y azúcar, para activar a dos

servomotores Hitec HS-755HB, y colocar sus ejes en una determinada posición por medio

de software para unir la palanca de sellado con la niquelina fija en la estructura. La

niquelina se activa cuando el fin de carrera es presionado por uno de los brazos de la

palanca de sellado. El tiempo de encendido de la niquelina depende del tiempo que el fin de

carrera se encuentra presionado, el cual es controlado por medio de la programación al

momento de girar los ejes de los servomotores. La parte superior de la funda de papel filtro

debe llegar al tope máximo de sellado para que sea detectada por el sensor y ser sellada con

la respectiva palanca. Los sistemas dosificador y sellador utilizan dos microcontroladores

que son pic 16F877A en los que se encuentran los programas respectivos, realizados en

programa Protón. El panel de control contará con un interruptor ON/OFF para encender o

apagar la máquina al igual que tendrá luces piloto para que el operador verifique el

funcionamiento del proceso de dosificado y sellado y un paro de emergencia general del

prototipo. El prototipo será portable para colocarlo en cualquier lugar que sea considerado

9

apropiado para la comodidad del operador. El prototipo funciona con 110 voltios de

corriente alterna.

1.7. FACTIBILIDAD

A continuación se presenta las factibilidades del presente trabajo:

1.7.1. Factibilidad Técnica

Los elementos utilizados en el prototipo son escogidos por su funcionamiento y por su

beneficio al momento de la producción de un producto. Para cada elemento se da un valor

de ponderación dependiendo de su descripción, como se muestra en las siguientes tablas:

Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores

CARACTERÍSTICA PLC MICROCONTROLADOR

Número de pines de entradas y salidas 10 8

Costo 7 10

Total 17 18

Elaborado por: Darío Mena

Fuente: Siemens y Microchip

Para realizar el control del sistema se escoge un microcontrolador, como resultado de la

tabla comparativa, especialmente por su costo y además es capaz de realizar todas las

acciones requeridas para ésta máquina.

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Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado

CARACTERÍSTICA CALOR COSIDO SOPLETE

Costo 10 9 8

Fuente de energía 10 8 7

Seguridad en sellado 9 8 9

Total 29 25 24


Fuente: (INGESIR, 2010)

Para realizar el sellado de las fundas se escoge el sistema de calor, como resultado de la

tabla comparativa, ya que este sistema es el más utilizado en máquinas industriales, por

tener una buena seguridad en el sellado.

Tabla No. 3. Comparación de motores

CARACTERÍSTICA SERVOMOTOR MOTOR AC MOTOR DC

Control de posición 10 6 8

Costo 9 8 10

Consumo de corriente 9 7 10

Torque 9 10 8

Total 37 31 36


Fuente: All power microcontroller

Para realizar los movimientos de la palanca de sellado y abrir la compuerta de salida del

silo de almacenamiento, se escoge al servomotor, ya que es el más indicado para obtener un

mejor control, especialmente en la posición del eje con su respectivo torque.

11

Tabla No. 4. Comparación de sensores

CARACTERÍSTICA CAPACITIVO PRESENCIA

Fuente de energía 9 10

Distancia de sensado 10 7

Costo 9 10

Total 28 27


Fuente: All power microcontroller

Para detectar la presencia de las fundas de papel filtro se escoge el sensor capacitivo por ser

un sensor industrial, indicado para esta máquina.

Para el caso del prototipo se escogerá el sensor de presencia, ya que su costo es más

económico, con características similares al otro sensor, teniendo el mismo funcionamiento

del requerido.

Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual

CARACTERÍSTICA AUTOCAD SOLID WORKS

Moldeados en 3D 9 10

Costo licencia 10 7

Simulación 8 9

Total 27 26


Fuente: Autocad y Solid Works

Para realizar el prototipo virtual en un computador se escoge el programa de autocad, ya

que es un programa en el que se pueden fabricar piezas en tres dimensiones con

coordenadas en x, y, z, y es apropiado para fabricar las piezas de ésta máquina.

12

Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación

CARACTERÍSTICA ASSEMBLER BASIC

Rapidez de respuesta 9 8

Costo de licencia 8 10

Memoria de código limitada 9 10

Total 26 28


Fuente: Assembler y Pic Basic

Para los diseños de programación para los diferentes sistemas de la máquina, se escoge el

lenguaje Basic, el cual es apropiado y capaz de cumplir con los requerimientos de la

activación y funcionamiento de los dispositivos electrónicos.

1.7.2. Viabilidad

A continuación se presenta la lista de materiales y costos para la fabricación de la máquina.

Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina

MÓDULO CANT. UNIDADES MATERIALES

COSTO

UNIT.

COSTO

TOTAL

(DÓLARES) (DÓLARES)

ESTRUCTURA 9,2 metro lineal Tubo cuadrado 3/4 pulgadas 2,00 18,40

4 m2 Tol galvanizado 7,00 28,00

0,5 m2 Lámina de acero 2mm espesor 0,80 0,40

50 unidades Tornillo 0,03 1,50

20 unidades Perno 0,08 1,60

1 unidad Soldar acero inoxidable 40,00 40,00

1 unidad Pintura electrostática 100,00 100,00

PANEL DE 1 unidades Interruptor ON/OFF 1,00 1,00

CONTROL 7 unidades Luz piloto 0,75 5,25

1 unidad Paro de emergencia 5,00 5,00

1 unidad Fuente de computador 25,00 25,00

4 m Cable UTP categoría 5 0,50 2,00

3 m Cable gemelo #20 0,30 0,90

1 unidad Pulsador redondo 1,50 1,50

13

SISTEMAS: 2 unidades Servomotor industrial 11 kg/cm 600,00 1200,00

SELLADOR 1 unidad Transformador 110VAC-24VAC 30,00 30,00

Y 2 unidad Fin de carrera industrial 5,00 10,00

DOSIFICADOR 1 unidad Niquelina 5,00 5,00

1 unidad Tela térmica 3,00 3,00

1 unidad Silicona térmica 3,00 3,00

2 unidades Baquelita 2,00 4,00

2 unidades Resistencia 220 ohmios 0,02 0,04

2 unidades Resistencia 1k ohmios 0,02 0,04

2 unidades Resistencia 10k ohmios 0,02 0,04

2 unidades Cristal de 4 MHz 1,50 3,00

4 unidades Borneras de 2 pines 0,75 3,00

2 unidades Bornera de 3 pines 0,90 1,80

2 unidades Zócalo de 40 pines 0,50 1,00

9 unidades Espadines macho 0,02 0,18

2 unidades Pic 16F877A 8,00 16,00

2 unidades Sensor capacitivo 75,00 150,00

1 unidad Servomotor industrial 3 kg/cm 250,00 250,00

2 m2 Acero inoxidable 45,00 90,00

TOTAL 2000,65


Fuente: Ferroindustrial, ubicada en Ibarra y All Power Microcontroller (APM)

Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor

CANT. DESCRIPCIÓN PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL

DÓLARES DÓLARES

1 Licencia programa PROTON PICBASIC LITE 150 150

200 Horas de desarrollo del autor 10 2000

TOTAL 2150


Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro

Para la elaboración del diseño de software de cada uno de los programas, tanto del sistema

dosificado como del sistema sellador, es necesaria la licencia del programa Proton Pic

Basic.

14

Para la construcción física de la máquina se necesitan los materiales de la tabla No. 7 y los

elementos de la tabla No. 8, por lo que el costo de la máquina sería de 4150,65 dólares.

El prototipo de la máquina contiene otros componentes no industriales, pero tienen un

funcionamiento similar que los de la máquina y son los siguientes:

Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo

CANT. COMPONENTE PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL

(DÓLARES) (DÓLARES)

2 Servomotor Hitec-HS 755HB 65 130

1 Servomotor Hitec-HS 311 Estándar 17 17

2 Sensor de presencia QRD1114 2.5 5 Elaborado por: Darío Mena

Fuente: All Power Microcontroller (APM)

Para la construcción física del prototipo, los servomotores y sensores de la Tabla No. 9, son

reemplazados en la tabla No. 8 por los respectivos componentes, además se toma en cuenta

el desarrollo del autor, por lo que se necesitan 2650,65 dólares.

El costo de la licencia no se toma en cuenta en la construcción del prototipo por ser una

licencia académica.

A continuación se presenta una tabla comparativa entre el prototipo y la máquina, a cerca

de los componentes que van a ser reemplazados, como se indicó anteriormente.

15

Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina

COMPONENTE CARACTERÍSTICA PROTOTIPO MÁQUINA

Servomotor Número de operaciones por hora 414 unidades 414 unidades

Velocidad servomotor 1 0,19 seg 0,17 seg

Velocidad servomotor 2 0,28 seg 0,25 seg

Torque servomotor 1 3 kg/cm 3 kg/cm

Torque servomotor 2 11 kg/cm 11 kg/cm

Tiempo de vida útil 5 años 12 años

Mantenimiento Cada 6 meses Cada 1 año

Control de posición 1° 0,5°

Robustez Plástico Hierro

Material de engranes internos Plástico Hierro

Sensor Rapidez de respuesta Normal Mayor

Tiempo de vida útil 10 años 25 años

Mantenimiento Cada 1 año Cada 3 años

Distancia de sensado 1.5 cm máx. 8 cm máx.

Precisión de sensado Normal Mayor

Eficiencia Dosificado 85% 95%

Sellado 89% 97%


Fuente: Hoja de datos de servomotores, sensores y prototipo para el sellado de café con

azúcar en fundas de papel filtro

CAPÍTULO II

16

CAPÍTULO II

2. MARCO TEÓRICO

A continuación se describe la teoría necesaria para el desarrollo del presente tema.

2.1 MATERIA PRIMA

La materia prima a utilizar en el presente trabajo se describe a continuación:

Café

La especie de café más antiguamente conocida y difundida a nivel mundial es la coffea

arábiga, originaria de Etiopía, África. Se puede decir, que la producción mundial del café

descansa en un 90% sobre esta especia, la cual tiene como patrón representativo la variedad

Typica o Arábigo que presenta las características específicas de poseer hojas elípticas.

(Instituto salvadoreño de investigación del café, 1999)

Figura No. 1. Café

Fuente: www.plantasparacurar.com

17

Producción

Se prevé que la producción mundial del café tendrá un crecimiento de 2,7 % anual entre

1995 y 2005, es decir, una tasa de crecimiento algo superior a la del decenio anterior. En

2005 la producción mundial ascenderá a 7,31 millones de toneladas.

Consumo

Se estima que el consumo mundial de café aumentará anualmente en 1,7 % de 5,63

millones de toneladas en 1995 a 6,74 millones de toneladas en 2005. (Instituto salvadoreño

de investigación del café, 1999)

Azúcar

El azúcar es un edulcorante natural, conocido normalmente en forma de cristales

solidificados de sacarosa, y se puede ser producido utilizando la materia prima como es la

caña de azúcar.

Figura No. 2. Azúcar

Fuente: www.es.wikipedia.org

18

Se cree que la caña de azúcar, de la cual se derivan sus variedades modernas, es originaria

de Nueva Guinea. Existen registros en los que es posible determinar que allí se desarrollo y

cultivó por más de 9 mil años.

La caña de azúcar es producida principalmente en regiones de clima tropical, pues necesita

de una exposición solar intensa y requiere de gran cantidad de agua para su desarrollo. Se

trata de una planta de la familia de las gramíneas, por lo que, después de cosechada, el brote

vuelve a crecer de la misma planta son tener que volver a sembrar. Por esta característica, la

producción de caña tiene mejor rendimiento en los primeros cortes. A través de los años se

han desarrollado infinidad de variedades de caña de azúcar, y hoy existen algunas que

ofrecen rendimientos aceptables comercialmente después de siete u ocho cortes. Sus

rendimientos son de entre 60 a 120 toneladas por hectárea y sui rendimiento en contenido

de azúcar puede fluctuar entre el 10% y 12,5% base azúcar cruda.

Producción

En la actualidad, el azúcar se produce en más de 120 países, con una producción total

cercana a los 145 millones de toneladas y con una tendencia creciente de la producción para

hacer frente a la demanda mundial.

Consumo

El azúcar es un producto de consumo básico y cumple dos roles fundamentales en la dieta

alimenticia de las personas: actúa como endulzante y es un alimento que proporciona

energía.

19

El sabor dulce es una sensación básica para el paladar humano, con una gran carga

emocional. Lo dulce es placentero y se obtiene en los primeros días a través de la leche

materna. Antes de 1650 los principales endulzantes eran la miel y las frutas.

El comportamiento del consumo en el mundo es similar al de la producción; es decir,

presenta una tendencia creciente. (Bolívar, Galetovic, & Jana, 2005)

2.2 MÁQUINAS EMPACADORAS

Una máquina empacadora es un sistema que tiene como objetivo controlar la concentración

de la materia prima y realizar el sellado dentro de un empaque. Tiene dos sistemas

principales como es el de dosificación y de sellado. Existen máquinas manuales,

semiautomáticas y automáticas. Usualmente en este tipo de máquinas se utilizan sistemas

como la neumática y la hidráulica porque los actuadores realizan desplazamientos rápidos y

precisos, pero cuando se realiza el diseño de una máquina se debe tomar en cuenta la

energía con la que trabaja, elementos de mando, sistemas de control, etc., por lo que este

prototipo trabajará con elementos mecánicos, electromecánicos y electrónicos, los cuales

permiten un control eficiente.

Las máquinas empacadoras semiautomáticas son diseñadas para realizar el empaquetado de

productos, ya sean sólidos, líquidos o en polvo, las cuales tienen una combinación de

procesos automáticos y procesos manuales. Cada máquina puede tener diferentes elementos

mecánicos o electrónicos y pueden ser unas más sofisticadas que otras pero con la misma

finalidad. La gran mayoría de estas máquinas poseen un sistema metálico por donde pasa el

plástico, tomando la forma de una bolsa realizando un sellado vertical con niquelinas a una

20

determinada temperatura, para que el producto pase por el interior del tubo de plástico para

ser sellado en la parte inferior y cortar los empaques individuales y así obtener el producto

final. Además existen máquinas empacadoras divididas en dos partes en una sola estructura,

la primera es un sistema de dosificado y la segunda es el sistema de sellado. La mayoría de

las máquinas poseen una estructura de forma vertical, ya que el producto granulado se

encuentra almacenado en una tolva en la parte superior y con la ayuda de la gravedad baja

al proceso de dosificado.

2.2.1 Máquinas Dosificadoras

El sistema dosificador es un mecanismo que se utiliza para regular la salida del producto, el

mismo que está compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores,

electroimanes y actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es

diferente y depende del tipo de producto a dosificar.

Existen varios tipos de dosificadores, los cuales dependen de su producto como

dosificadores de líquidos, de gas y de sólidos.

El tema de máquinas dosificadoras es muy extenso, por lo que vamos a considerar a los

dosificadores de sólidos como principales, ya que son los más apropiados para el desarrollo

de este proyecto. Además el dosificado del producto se lo realizará en forma vertical, ya

que se aprovecha a la gravedad para dejar caer el producto en su empaque.

Las dosificadoras de sólidos pueden tener diferentes sistemas, por lo que se dividen en:

Dosificador por peso

21

Dosificador por tornillo sinfín

Dosificador por pistón

Dosificador por volumen

2.2.1.1 Dosificador Por Peso

La dosificación por peso se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de

almacenamiento, siendo llevado hacia dos canales transportadores vibratorios, uno fino y

otro grueso, los mismos que son controlados desde el panel de control para que se detengan

(primero el grueso y después el fino) cuando el producto haya sido pesado por una balanza

que se encuentra a continuación de dichos canales y haya completado el peso deseado. La

descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su

empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es

necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)

Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza

Fuente: www.ingesir.com.ar

22

2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín

La dosificación por tornillo sinfín se realiza por medio del producto despachado desde la

tolva de almacenamiento, llevándolo directamente hacia el tornillo sinfín diseñado

especialmente para ajustar diferentes dosis que se requiera, de esta manera cuando el

tornillo sinfín gire un determinado tiempo, el producto caerá por la boquilla de descarga en

su empaque. Para su manejo solo es necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)

Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín


2.2.1.3 Dosificador Por Pistón

La dosificación por pistón se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de

almacenamiento, llevándolo directamente hacia el pistón dosificador de carrera, el mismo

que se activa abriendo espacio dentro de la boquilla de descarga para que el producto caiga

en el empaque y cuando no se encuentra activado, el paso del producto permanecerá

sellado. La regulación de la dosis dependerá de la distancia de apertura dentro de la

boquilla de descarga. (INGESIR, 2011)

23

Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón


2.2.1.4 Dosificador Por Volumen

La dosificación volumétrica se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de

almacenamiento llenando recipientes con la dosis deseada, los mismos que son colocados

sobre una bandeja central que gira con velocidad controlada desde el panel de control. La

descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su

empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es

necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)

24

Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica


2.2.2 Máquinas Selladoras

El sistema sellador es un mecanismo que se utiliza para unir las partes abiertas de un

empaque logrando que el producto dosificado quede protegido, el mismo que está

compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores, electroimanes y

actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es diferente y

depende del tipo de producto a sellar. (INGESIR, 2011)

2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales

Las máquinas selladoras manuales generalmente son utilizadas para unir fundas de

polietileno, poliéster, polipropileno, papel filtro, etc. Usualmente son utilizadas para una

producción de bajo volumen de un determinado producto. Para realizar el sellado es

necesario que el empaque sea pre fabricado y el tamaño depende del producto a sellar.

25

Figura No. 7. Selladora manual

Fuente: www.bonomi-resistencias.com.ar

Descripción:

1. Agarradera

2. Palanca

3. Silicona térmica

4. Estructura metálica

5. Tela térmica

6. Lámina metálica

7. Luz indicador

8. Control temperatura

2.2.2.2 Técnicas De Sellado

El sistema de sellado consiste en unir los extremos de las fundas de papel filtro para que se

queden totalmente cerradas con café y azúcar.

26

Entre los principales tipos de sellado tenemos:

Sellado por fusión

Sellado por gas calentado

Sellado por cosido

2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión

Las superficies del material a sellar se funden y se deben comprimir con una pequeña

presión una contra otra durante el tiempo programado para lograr el sellado. Para conseguir

el calentamiento de las superficies se utilizan elementos de conducción de calor, que se

calientan por medio de corriente eléctrica, transformándola en calor, como una niquelina El

tiempo y la cantidad de calor ejercida sobre las superficies dependen del material a sellar.

Figura No. 8. Selladora por fusión

Fuente: www.empaqueysellado.com

27

2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente

Es un sistema combinado con varios elementos que consiste en un soplete interno de sellar

por aire caliente, que funciona eléctricamente. La punta del soplete es similar a la de un

soplete para soldar metal, por la que sale aire caliente comprimido. El aire sale a una

determinada presión producida por un ventilador que se encuentra en el interior del soplete.

Figura No. 9. Selladora por aire caliente

Fuente: www.logismarket.es

2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido

Las superficies a sellar son unidas con hilo de manera que el producto interno no salga por

ningún orifico ya que el sistema cuenta con un sellado seguro por pasar dos veces el hilo

por el mismo lugar, reforzando la unión. El sistema cuenta con un riel fijo por el que un

motor recorre de un lado al otro realizando el sellado y regresando a su inicio. El motor

puede activarse por medio de un pulsador o por medio de un sensor cuando detecte la

presencia de la funda lista a sellar.

28

Figura No. 10. Selladora por cosido

Fuente: www.agroterra.com

2.3 MATERIALES INDICADOS PARA EL CONTACTO CON ALIMENTOS

Los materiales que se encuentren en contacto con los alimentos deben estar en condiciones

normales y libres de corrosión. Los materiales correctos para el contacto con los alimentos

pueden ser los aceros inoxidables, plásticos, fundas de papel filtro, enlatados, entre otros.

Al fabricar o comprar una máquina para producción de alimentos, se debe tomar en cuenta

el material que se encuentra en contacto con estos, ya que deben ser los correctos para

obtener una producción libre de contaminación del producto.

2.3.1 Aceros Inoxidables

Son elementos de aleaciones combinadas donde el cromo forma una capa sobre la

superficie con resistencia a la corrosión, elevada resistencia y ductilidad. Las propiedades

de los aceros inoxidables son importantes ya que aportan al ámbito higiénico, son

29

reciclables y ayudan a no contaminar el medio ambiente. Poseen una alta resistencia

mecánica, además soportan altas y bajas temperaturas; al igual que tienen un buen acabado

estético, al cual se lo puede someter a diferentes procesos para obtener terminados de

espejo, coloreados, satinado, entre otros.

Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable

Fuente: www.equipcenter.com.ar

La mayoría del equipo para el procesamiento de alimentos, en cocinas, áreas de servicio de

alimentos, máquinas y herramientas, está construido de acero inoxidable (tipo 304). El

acero inoxidable no se corroe fácilmente, es de fácil limpieza, no reacciona con los

alimentos ni es tóxico. Para que el acero inoxidable dure por tiempo largo, debe limpiarse

en forma adecuada y luego secarse totalmente, no debiendo sufrir rayones, golpes o

impactos que alteren el pulido de la superficie. No es aconsejable colocar sobre el acero

inoxidable concentraciones elevadas de sal por tiempos largos. (Kalpakjian, 2002)

Los aceros inoxidables son utilizados en amplios campos como en la alimentación,

transporte, salud construcción, energía, etc. Se llaman inoxidables porque en presencia de

oxígeno forman una película delgada y dura muy adherente de óxido de cromo, que protege

al metal contra la corrosión. Esta película protectora se vuelve a formar en caso que se raye

la superficie. (Fauquié, 2000)

30

Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas

de aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos

AISI Resistencia Resistencia Elongación Características y aplicaciones típicas

Tensil a cedencia en

(UNS)

máx.

(MPa) (MPa) 50mm (%)

303 550-620 240-260 53-50 Productos de máquinas de roscar , flechas, válvulas, pernos,

(S30300) bujes y tuercas; acoplamientos para aeronaves; pernos;

tuercas; remaches; tornillos; prisioneros.

304 565-620 240-290 60-55 Equipo químico y de procesamiento de alimentos, equipo

(S30400) para cervecerías, recipientes criogénicos, canalones,

tubos de descenso, botaguas.

316 550-590 210-290 60-55

Elevada resistencia a la corrosión y alta resistencia a la

cedencia

(S31600) Equipo para manejar productos químicos y pulpas, equipo

fotográfico, cubas para brandy, piezas de fertilizantes,

marmitas

de cocción de salsa de tomate y tinas de fermentación.

410 480-520 240-310 35-25 Piezas para maquinaria, flechas de bombas, pernos, bujes,

(S41000)

rampas para carbón, cuchillería, implementos de pesca,

herrajes,

piezas de motor a chorro, maquinaria para la industria

minera,

cañones para rifles, tornillos y válvulas.

416 480-520 275 30-20 Acoplamientos para aeronaves, pernos, tuercas, insertos

(S41600) para extintores de incendio, remaches y tornillos.


Fuente: (Fauquié, 2000)

2.3.2 Papel Filtro

Un papel filtro es lo mismo que un tamiz: tiene orificios finos de cierto tamaño que

permiten que algunas partículas lo atraviesen, mientras que otras quedan retenidas, según su

tamaño. La mayoría de los filtros de papel tienen orificios, o poros, de 1/100000 cm de

31

diámetro. Algunas partículas mayores son retenidas por el papel filtro; se pueden fabricar

filtros de papel con diferentes tamaños de los poros, según los empleos a que estén

destinados.

Figura No. 12. Funda de papel filtro

Fuente: www.cecomex.com.ec

En general las partículas sólidas son mucho más grandes que las líquidas, y cuando se

intenta que una mezcla de sólidas y líquidas pase a través de un filtro de papel, las sólidas

son retenidas en el filtro mientras que las líquidas pasan a través del mismo. Las partículas

sólidas han sido filtradas de las partículas líquidas. (Sellwood, 1995)

2.4 CONTROL DE LAS MÁQUINAS

El control de las máquinas puede ser por medio de microcontroladores.

2.4.1 Microcontrolador

Un microcontrolador combina los recursos fundamentales disponibles en un

microcomputador, es decir, la unidad central de procesamiento CPU, la memoria de los

recursos de entrada y salida, en un único circuito integrado. La siguiente figura muestra en

diagrama de bloques general de un microcontrolador.

32

Figura No. 13. Diagrama de bloques general de un microcontrolador

Elaborado por: Valdés & Pallas, 2007

Fuente: Valdés & Pallas, 2007

Igual que en un microcomputador, la CPU es el “cerebro” del microcontrolador. Esta

unidad trae las instrucciones del programa una a una, desde la memoria donde están

almacenadas, las interpreta (descodifica) y hace que se ejecuten. En la CPU se incluyen los

circuitos de la ALU para realizar operaciones aritméticas y lógicas elementales con los

datos binarios.

La CPU de un microcontrolador dispone de diferentes registros, algunos de propósito

general y otros para propósitos específicos, entre estos últimos están el registro de

instrucción, el acumulador, el registro de estado, el contador de programa, el registro de

direcciones de datos y el puntero de la pila.

La memoria del microcontrolador el es lugar donde son almacenadas las instrucciones del

programa y los datos que manipulan. En un microcontrolador siempre hay dos tipos de

memoria, la memoria RAM (Random Access Memory) y la memoria ROM (Ready Only

Memory). La memoria RAM es una memoria de lectura y escritura que además es volátil,

33

es decir, pierde la información almacenada cuando falta la energía que alimenta a la

memoria. La memoria ROM es una memoria de sólo lectura y no volátil.

La entrada y salida es particularmente importante en los microcontroladores, pues a través

de ella el microcontrolador interacciona con el exterior. Forman parte de la entrada y salida

los puertos paralelo y serie, los temporizadores y la gestión de las interrupciones. El

microcontrolador puede incluir también entradas y salidas analógicas asociadas a

convertidores A/D y D/A. (Valdés & Pallas, 2007)

CAPÍTULO III

34

CAPÍTULO III

3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA

A continuación se presenta el análisis de requerimientos del proyecto:

3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO

A continuación se realiza una tabla con datos del análisis de requerimientos de la máquina.

Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina

REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN

ESTRUCTURA

Tipo de estructura Metálica, por su consistencia y resistencia

Tipo de material Tol galvanizado y acero inoxidable en las partes que

tenga contacto físico con el alimento

Tipo de pintura Electrostática, para evitar descargas eléctricas

DOSIFICADO Y SELLADO

Dosificación Desde 7 hasta 1000 gramos

Rendimiento 8 fundas en 1 minuto aproximadamente

Sellado Niquelina a alta temperatura

Modificar cantidad de dosificado Por medio de tiempo, volumen o peso

Modificar tiempo de sellado Depende del material a sellar

Capacidad de detectar cualquier

tipo de empaque

Para dosificar y sellar en plástico grueso, delgado,

papel filtro, etc.

Control Por medio de microcontrolador o plc

35

PRODUCTO Y EMPAQUE

Material de empaques Plástico grueso, delgado, papel filtro.

Tipos de productos Grano fino(azúcar), mediano (arroz) y grueso (fréjol)

Tamaño empaque Mínimo 5cm x 5cm, hasta 15 cm x 15cm

VARIOS

Tensión de funcionamiento 110 voltios y/o 220 voltios

Protección tarjetas electrónicas Dentro de un panel de control

Tipos de motores Servomotores para control de posición

Dimensiones 1m largo x 1m ancho x 1m profundidad

Temperatura ambiente Mínimo 10oC y máximo 30

oC

Peso aproximado 40 kilos

Movilidad Capaz de ser llevado con facilidad

Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana

Interfaz amigable al usuario Por medio de un panel de control


3.1.1 Análisis De La Máquina

Las condiciones iniciales de la máquina para iniciar son: llenar el silo con producto y

energizar el sistema.

La máquina realiza cuatro funciones principales que son:

Detectar la funda a dosificar, cuyo tiempo es de 0,01 segundos; llenar la funda con

producto, cuyo tiempo es de 0,5 segundos; detectar la funda a sellar, cuyo tiempo es de 0,01

36

segundos y sellar la funda, cuyo tiempo es de 1,2 segundos, los cuales tiene como finalidad

conseguir un producto empacado que cumpla los requerimientos de fabricación.

Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema



Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina



3.1.2 Estructura De La Empacadora

Para realizar el estudio de la empacadora se la divide en dos sistemas:

Sistema de Dosificado

Sistema de Sellado

DETECTAR LA

FUNDA A

DOSIFICAR

DETECTAR LA

FUNDA A

SELLAR

SELLAR LA

FUNDA

LLENAR LA

FUNDA CON

PRODUCTO

LLENAR EL

SILO CON

PRODUCTO

ENERGIZAR

EL SISTEMA

37

Foto No. 1. Módulo general del sistema


3.1.2.1 Material De La Máquina

La máquina estará compuesta por tres tipos de materiales que son:

Tol galvanizado

Acero inoxidable

Hierro

El tol galvanizado es un material que pertenece al conjunto de materiales que son sometidos

a procesos electroquímicos, el cual es formado por el recubrimiento de un metal con otro.

La mayor parte de la máquina irá cubierta con tol galvanizado ya que es un material de fácil

maleabilidad y se pueden fabricar piezas específicas sin tener problemas en el

funcionamiento. La protección de la estructura y de todos los componentes internos irán

cubiertos por este material.

38

El silo de almacenamiento del producto será de acero inoxidable por sus propiedades frente

a los alimentos. Existen varios tipos de aceros inoxidables, de los cuales, el más indicado

para esta máquina es el A.I.S.I. 304 ya que estará en contacto con el alimento a empacar.

El A.I.S.I. 304 tiene una gran resistencia a la corrosión en todos los estados que este pueda

estar, soportando a los ácidos inorgánicos y orgánicos, productos alimenticios etc. Es

utilizado en industria química, alimenticia, automotriz, estanterías, etc.

El soporte de la estructura metálica es de tubo de hierro cuadrado de ¾ pulgadas, el cual

forma una estructura sólida donde se asientan todos los componentes del sistema,

manteniéndose fijos a ésta.

3.1.2.2 Sistema Dosificador

La función de este sistema es llenar la funda con producto, que en este caso es café con

azúcar. Para realizar este proceso hay que detectar la funda a dosificar, activar el

servomotor y llenar la funda.

3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador

En la parte inferior del silo de almacenamiento se ha colocado un tope de forma cilíndrica

alrededor del tubo más pequeño a una cierta altura, de tal manera que la funda ingresa por

este, hasta llegar al tope cilíndrico para que el producto pueda caer libremente por el

orificio de 1 centímetro de diámetro. La funda debe llegar hasta el tope cilíndrico para que

el sensor pueda detectarla.

39

Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador


3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador

A continuación se describen los componentes principales del sistema dosificador:

Sensor

El sensor de presencia QRD1114, es un sensor óptico compuesto por un diodo infrarrojo y

un fototransistor para detectar el reflejo de luz infrarroja y así poder detectar cualquier

objeto a una distancia de 1 centímetro, la cual puede alcanzar a detectar la funda de papel

filtro, dependiendo en la posición que este se encuentre en el silo.

Se ha escogido este tipo de sensor por su funcionamiento especialmente en ésta máquina,

ya que se requiere detectar a una funda de papel filtro a una distancia de 1 centímetro y

debe ser pequeño para ser colocado en cualquier lugar de la máquina, por lo que es

adecuado para lo requerido.

40

Servomotor

Los servomotores de corriente continua son pequeñas máquinas especialmente diseñadas

para el control de posicionamiento de su eje. Aunque el principio de funcionamiento es el

de una máquina de continua convencional con excitación independiente, su forma

constructiva está adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par

de arranque importante. (Balcells & Romeral, 1997)

El servomotor Hitec HS-311 Estándar se encuentra fijo en la estructura, cuyo eje realiza la

acción de abrir y cerrar la compuerta del silo de almacenamiento. Se ha escogido este

servomotor por tener el torque adecuado de 3.7 kg.cm para la acción requerida y es

activado cuando el sensor detecta la presencia de la funda de papel filtro. (HITECRCD,

2008)

Al momento de dosificar la funda de papel filtro, la compuerta se queda abierta durante 225

milisegundos con el torque respectivo del servomotor, cuyo tiempo es adecuado para

dosificar la cantidad de 11 gramos con producto.

Silo

El silo consiste en una tolva para almacenar el café con azúcar. El silo es de acero

inoxidable por sus características propias frente a los alimentos de consumo humano, y

tiene la forma de un cono cilíndrico para que el producto no se quede atascado en uniones o

esquinas con un mejor flujo en la salida y posee una tapa en la parte superior para evitar el

ingreso a elementos extraños.

41

Cálculos del volumen del silo

Para calcular el volumen de producto que debe haber en el silo, se lo divide en tres partes

por estar compuesto de diferentes secciones, y se realizan las siguientes operaciones:

Gráfico No. 3. Secciones del silo

3

2

1


Fuente: Autocad

Volumen sección 1: Prisma cilíndrico

Se aplica la fórmula 1 para obtener el volumen de la sección 1 del silo.

[1]

Donde: r es el radio del cono,

h es la altura del cono.

Volumen sección 2: Prisma cónico truncado


42

[2]

Donde: h es la altura del cono truncado,

R es el radio mayor del cono truncado,

R es el radio menor del cono truncado.

Volumen sección 3: Prisma cilíndrico


Volumen Total del Silo

Se aplica la fórmula 3 para obtener el volumen total del silo.

[3]

Donde: volumen1 es el volumen de la sección 1 del silo,

volumen2 es el volumen de la sección 2 del silo,

volumen3 es el volumen de la sección 3 del silo.

43

Se necesitará de 1778 gramos aproximadamente del producto para que el silo se haya

llenado hasta su tope máximo requerido.

Acople de sujeción

El acople de sujeción es una pieza fija en la estructura en la que se ajusta el servomotor

Hitec-HS 311 estándar, el que realiza la apertura o cierre de la compuerta del silo

dosificador. Su material es de acero de 3mm de espesor, ya que es una lámina robusta

manteniéndose firme sin tendencia a doblarse cumpliendo su requerimiento.

Compuerta

La compuerta de salida del producto consiste en una lámina de acero inoxidable sujetada al

eje del servomotor por medio de un acople. Ésta lámina gira conjuntamente con el eje del

servomotor cuando es activado. Permite la apertura del dosificador al coincidir el centro de

la salida del silo de almacenamiento con el orificio en la compuerta, dejando caer el

producto hacia la funda.

Funda de papel filtro

Los granos a dosificar tienen un diámetro aproximado de 1 milímetro por lo que la funda de

papel filtro es adecuada para este prototipo.

A continuación se presentan las características de los componentes del sistema dosificador:

44

Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador

COMPONENTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

SILO Material: A.I.S.I. 304

Espesor: 1 mm

Volumen: 1778 cm3 aproximadamente

Fuente: www.salonemprendedor.com

SENSOR Tipo: Sensor de presencia

Dimensiones cabeza (mm): 6.1 x 4.39 x 4.65

Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC

Rango: 1 centímetro

Fuente: www.me.ucsb.edu

SERVOMOTOR Tipo: Hitec-HS311 Estándar

Dimensiones (mm): 40 x 20 x 37


Torque: 3.7 kg.cm

Rango de giro: 0° a 180°.

Fuente: www.hitecrcd.com

ACOPLE DE SUJECIÓN Tipo: Lámina

Material: Acero de 3 mm

Fuente: AutoCad

COMPUERTA Tipo: Lámina

Material: Acero de 3 mm

Fuente: AutoCad


http://www.me.ucsb.edu/

http://www.hitecrcd.com/

45

3.1.2.2.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Dosificador

Una vez que el café con azúcar hayan sido homogenizados y listos para ser empacados, son

vaciados dentro del silo de modo manual por un operador. Este producto es retenido hasta

iniciar el proceso de dosificado.

Para realizar el dosificado automático utilizamos un servomotor, el que se activará después

de que el sensor colocado en la salida del silo haya detectado la presencia de la funda de

papel filtro. El eje del servomotor gira a una posición específica durante un tiempo

programado para la apertura del silo, esto quiere decir que cuando el servomotor se active,

la salida del silo se abrirá y el producto caerá a la funda de papel filtro durante el tiempo

programado y se desactivará enseguida, para detectar una nueva funda.

Gráfico No. 4. Diagrama de flujo de lógica de funcionamiento de sistema dosificador

NO

SI

SI

INICIO

ENCENDER

APAGAR

DESABILITA Y APAGA

TODOS LOS COMPONEENTES

DEL SISTEMA

A

46

NO

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SENSAR

FUNDA

ACTIVAR

MOTOR

POSICIONAR

EL EJE DEL

MOTOR

A

ABRIR LA

COMPUERTA DEL

SILO

ESPERAR TIEMPO

PROGRAMADO

LENAR LA FUNDA

CON PRODUCTO

ACTIVAR

MOTOR B

C

47

SI

NO

SI



3.1.2.3 Sistema Sellador

La función de este sistema es unir las superficies de la funda por donde el producto fue

dosificado. Para realizar este proceso hay que detectar la funda a sellar, activar los

servomotores, activar el fin de carrera, calentar la niquelina y retirar la funda sellada.

3.1.2.3.1 Módulo Del Sistema Sellador

Se presenta a continuación el módulo del sistema sellador del prototipo real.

B C

FIN

CERRAR LA

COMPUERTA DEL

SILO

POSICIONAR

EL EJE DEL

MOTOR

48

Foto No. 3. Módulo del sistema sellador


3.1.2.3.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Sellador

A continuación se describen los componentes principales del sistema dosificador:

Sensor

El sensor de presencia QRD1114, es un sensor óptico compuesto por un diodo infrarrojo y

un fototransistor para detectar el reflejo de luz infrarroja y así poder detectar cualquier

objeto a una distancia de 1.5 centímetros, la cual puede alcanzar a detectar la funda de

papel filtro, dependiendo en la posición que este se encuentre.

Se ha escogido este tipo de sensor por su funcionamiento especialmente en ésta máquina,

ya que se requiere detectar a una funda de papel filtro a una distancia de 1 centímetro y

debe ser pequeño para ser colocado en cualquier lugar de la máquina, por lo que es

adecuado para lo requerido.

Servomotor

Los servomotores Hitec HS-755HB tienen el torque con capacidad de mover a la palanca

para realizar el sellado. Estos se encuentran fijos en la estructura.

49

Se ha escogido este tipo de servomotor por tener un torque de 11 kg.cm, el cual es

adecuado para la acción requerida y son activados cuando el sensor detecta la presencia de

la funda de papel filtro para mover la palanca de sellado. (HITECRCD, 2008)

Al momento de sellar la funda de papel filtro, la palanca se queda presionada durante 800

milisegundos con el torque respectivo del servomotor, cuyo tiempo es adecuado para lograr

un buen sellado.

Fin de carrera

Interruptores de posición o también llamados finales de carrera, se utilizan parea detectar,

por contacto físico el final de recorrido de un elemento móvil de una máquina o dispositivo

automático. Permiten abrir y/o cerrar circuitos cuando se ejerce presión sobre él, volviendo

estos a su posición de reposo cuando cesa la acción. Dependiendo de las necesidades de

detección existen numerosos tipos de cabezas de accionamiento (rodana, palanca, rueda,

varilla, etc.) intercambiables entre sí para un mismo modelo de final de carrera.

Algunos modelos se fabrican de material altamente robusto para trabajar en ambientes

industriales muy agresivos. (Martín & García, 2009)

El fin de carrera del prototipo se encuentra fijo en la estructura junto a la niquelina, el que

es presionado por la palanca de sellado cuando los servomotores son activados.

Se ha escogido este elemento electromecánico para cambiar una señal física a una señal

eléctrica al momento de presionar su pulsador, en este caso cuando la palanca presiona el

fin de carrera

50

Niquelina

La función de la niquelina es calentarse para que selle la funda. La niquelina es de tipo

plana y se activa por medio de un transformador. Se calienta por medio de un pulsador, al

presionar el fin de carrera, se cierra el circuito que se encuentra en normalmente abierto

haciéndola calentar de forma instantánea sellando la funda.

El sistema eléctrico de la niquelina es independiente a los demás sistemas de la

empacadora, ya que el fin de carrera funciona como un pulsador para cerrar el circuito y

activar la niquelina.

Se ha escogido este tipo de niquelina ya que es el más común en este tipo de máquinas y es

adecuada para realizar el sellado de las fundas de papel filtro.

Cuando la niquelina es activada, se enciende durante 800 milisegundos para sellar la funda

de papel filtro. Este tiempo es adecuando para mantener un buen sellado y apropiado para

evitar la quemadura total de la tela térmica que cubre a la niquelina.

La niquelina no debe estar encendida por largo tiempo ya que el transformador puede sufrir

daños.

Tela térmica

La tela térmica es la unión de tejidos de material resistente a altas temperaturas. La

niquelina es protegida por la tela térmica para que la funda de papel filtro no tenga contacto

directo con el material incandescente evitando quemarla.

51

Silicona térmica

La silicona térmica se encuentra colocada en la palanca de sellado en posición horizontal,

de tal manera que llega a toparse con la niquelina, soportando altas temperaturas y haciendo

presión para sellar la funda.

Palanca de sellado

Consiste en dos brazos de lámina de acero de 3mm separados por medio de una barra

rectangular de tol galvanizado en sus extremos. Los otros extremos sueltos son conectados

a los ejes de los servomotores Hitec-HS 755HB por medio de un acople. En la parte

posterior de la barra metálica se encuentra colocada una barra de silicona térmica, la que

hace presión con la niquelina al momento que la palanca realiza el sellado.

Acoples de sujeción

Los acoples de sujeción son dos piezas fijas en la estructura en la que se ajusta el

servomotor Hitec-HS 755HB, cuyos ejes son conectados a cada brazo de la palanca. Su

material es de acero de 3mm de espesor, ya que es una lámina robusta manteniéndose firme

sin tendencia a doblarse al realizar el sellado.

Funda de papel filtro

El prototipo puede dosificar fundas de varias dimensiones y puede sellar fundas de hasta 15

centímetros de ancho.

52

Tabla No. 13. Tamaño de la funda de papel filtro en centímetros

RANGO DE PESO

(gramos)

ALTO DE LA FUNDA

(cm)

ANCHO DE LA FUNDA

(cm)

11 5 5


Fuente: Darío Mena

El rango de peso de la funda con el producto dosificado tiene una tolerancia de 0,5

gramos, lo que quiere decir que el peso total puede variar entre 10,5 y 11,5 gramos.

A continuación se presentan las características de los componentes del sistema sellador:

Tabla No. 14. Características técnicas de los componentes del sistema sellador

COMPONENTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

SENSOR Tipo: Sensor de presencia

Dimensiones cabeza (mm): 6.1 x 4.39 x 4.65


Rango: 1 centímetro


SERVOMOTOR Tipo: Hitec HS-755HB

Dimensiones (mm): 59 x 29 x 50


Torque: 11 kg.cm

Grados de giro: 0° a 180°


NIQUELINA

Tipo: Plana

Dimensiones (cm): 0.4 x 18

Voltaje de funcionamiento: 24 voltios AC

http://www.me.ucsb.edu/

http://www.hitecrcd.com/

53

FIN DE CARRERA Tipo: Industrial

Voltaje máx.: 500/660 voltios AC/DC

Corriente máx.: 10 amperios

TELA TÉRMICA

Tipo: Común

Dimensiones (cm): 2.5 x 18

SILICONA TÉRMICA

Tipo: Común

Dimensiones (cm): 1 x 19 x 1

Fuente: www.tritonpackaging.com

PALANCA DE SELLADO Tipo: Lámina

Material: Acero de 3mm

Fuente: AutoCad

ACOPLES DE SUJECIÓN Tipo: Lámina

Material: Acero de 3mm

Fuente: AutoCad


54

3.1.2.3.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Sellador

Para sellar las fundas de papel filtro es necesario calentar sus dos superficies y

comprimirlas una contra otra con una pequeña presión durante un tiempo programado para

lograr el sellado. Para esto, el filo de la funda se debe colocar junto a la niquelina, que se

encuentra en la estructura.Una vez que se encuentre lista en esta posición, el sensor

detectará la presencia de la funda, haciendo activar a dos servomotores, para que sus ejes

conectados a dos brazos, giren a una determinada posición, logrando activar el fin de

carrera con uno de ellos, para calentar la niquelina, obteniendo el sellado de la funda. El

proceso se repite cuando el sensor detecta una nueva funda.

Cuando uno de los brazos hace contacto con el fin de carrera, este se mantiene presionado,

activando la niquelina durante un determinado tiempo para lograr el sellado de la funda.

Una vez terminado el sellado, los ejes de los servomotores conectados a los brazos, son

ubicados en la posición inicial, hasta detectar una nueva funda para repetir el proceso.

Gráfico No. 5. Diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema sellador

NO

SI

INICIO

ENCENDER DESABILITA Y APAGA

TODOS LOS COMPONEENTES

DEL SISTEMA

B A

55

SI

NO

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SI

APAGAR

SENSAR

FUNDA CON

PRODUCTO

ACTIVAR

MOTOR

PULSAR FIN

DE CARRERA

CALENTAR

NIQUELINA

A B

C

56



3.1.2.4 Control De La Máquina

Para el control de ésta máquina se requiere que todos los componentes electrónicos,

mecánicos, electromecánicos y demás elementos que conforman todo el sistema, estén

relacionados y conectados a un solo controlador o cerebro que sea capaz de recibir y enviar

información que son transmitidos por dichos elementos. Por lo que se ha escogido a un

microcontrolador como el cerebro que controla a todos los componentes por medio de la

programación respectiva.

3.1.2.5 Fuentes De Alimentación

La alimentación general de la máquina es de 110 voltios de corriente alterna, la que pasa

por un regulador de voltaje para obtener 5 voltios de corriente continua para alimentación

del microcontrolador y demás elementos electrónicos.

SELLADO DE FUNDA

CON PRODUCTO

FIN

C

57

La energía para la niquelina es por medio de un transformador de 24 voltios de salida con

una corriente de 8 amperios. La corriente es alta para que la niquelina llegue a altas

temperaturas para un sellado seguro.

3.2 DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS DEL

PROYECTO

El diseño de los componentes mecatrónicos se dividen en varias partes:

3.2.1 Sistema Mecánico

A continuación se presentan las partes mecánicas del prototipo.

Foto No. 4. Silo de almacenamiento


58

Foto No. 5. Palanca de sellado


3.2.2 Sistema Dosificador

A continuación se presenta el hardware y software del sistema dosificador:

3.2.2.1 Hardware Del Sistema Dosificador

La tarjeta electrónica del sistema dosificador está compuesta por diferentes dispositivos

electrónicos y se detallan en la siguiente tabla:

Tabla No. 15. Componentes de hardware del sistema dosificador

CANTIDAD COMPONENTE

1 Baquelita

1 Bornera de 3 pines

2 Borneras de 2 pines

1 Cristal de 4 MHz

6 Espadines macho

1 Pic 16F877A

1 Resistencia 10K ohmios


1 Resistencia 220 ohmios

1 Sensor QRD1114

1 Servomotor Hitec - HS 311 Estándar

1 Zócalo de 40 pines Elaborado por: Darío Mena


59

Componentes de entrada al microcontrolador

La simbología de entrada al microcontrolador es I (input) ó 1 lógico.

El sensor de presencia es una entrada al microcontrolador, ya que este recibe un dato de 0 ó

1 lógico y lo envía por un pin de entrada. La configuración de pin de entrada se la realiza

por medio de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control.

El sensor QRD1114 tiene un pin de envío de datos el que se conecta directamente al pin de

entrada del microcontrolador.

Componentes de salida del microcontrolador

La simbología de salida del microcontrolador es O (output) ó 0 lógico.

El servomotor es una salida de control, ya que el microcontrolador está programado para

enviar un dato de salida cuando el sensor reciba el dato de presencia de la funda para

posicionar al eje del servomotor. La configuración de pin de entrada se la realiza por medio

de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control. La conexión del

microcontrolador al servomotor es directa por medio del pin de control.

Configuración de pines del microcontrolador

La configuración de los pines del microcontrolador debe ser realizada por medio de la

programación. Los pines son configurados como entradas o salidas dependiendo el

requerimiento de los componentes a controlar.

Los pines configurados como entrada en el microcontrolador son:

60

RC4 entrada del sensor que detecta la presencia de la funda.

Los pines configurados como salida en el microcontrolador son:

RB7 control de la posición de los ejes del servomotor.

Esquema electrónico del sistema dosificador

A continuación se presenta el esquema de hardware del sistema dosificador:

Gráfico No. 6. Esquema de hardware del sistema dosificador


Fuente: Proteus

3.2.2.2 Software Del Sistema Dosificador

Los elementos electrónicos se complementan con la programación del microcontrolador

para formar un sistema.

61

Cuando el sensor detecta la presencia de la funda, el dato es recibido y enviado al puerto de

entrada del microcontrolador, el cual es analizado por una específica condición, y si la

cumple, el programa envía 1 lógico por el pin de salida para la activación del servomotor

Hitec-HS 311, caso contrario el sensor espera hasta detectar una funda.

El programa realizar las siguientes acciones para el funcionamiento del sistema dosificador:

1. Encender y apagar el prototipo.

2. Encender luces piloto amigables al operador.

3. Mantener almacenado el producto en un silo.

4. Sensar la funda a dosificar.

5. Activar el servomotor para dosificar.

6. Dosificar el producto en la funda.

3.2.3 Sistema Sellador

A continuación se presenta el hardware y software del sistema sellador:

3.2.3.1 Hardware Del Sistema Sellador

La tarjeta electrónica del sistema sellador está compuesta por diferentes dispositivos

electrónicos y se describen en la siguiente tabla:

62

Tabla No. 16. Componentes de hardware del sistema sellador

CANTIDAD COMPONENTE

1 Baquelita

1 Bornera de 3 pines

2 Borneras de 2 pines

1 Cristal de 4 MHz

6 Espadines macho

1 Pic 16F877A



1 Resistencia 220 ohmios

1 Sensor QRD1114

2 Servomotor Hitec - HS 755HB

1 Zócalo de 40 pines Elaborado por: Darío Mena


Componentes de entrada al microcontrolador

La simbología de entrada al microcontrolador es I (input) ó 1 lógico.

El sensor de presencia es una entrada al microcontrolador, ya que este recibe un dato de 0 ó

1 lógico y lo envía por un pin de entrada. La configuración de pin de entrada se la realiza

por medio de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control. El

sensor QRD1114 tiene un pin de envío de datos el que se conecta directamente al pin de

entrada del microcontrolador.

Componentes de salida del microcontrolador

La simbología de salida del microcontrolador es O (output) ó 0 lógico.

63

Los servomotores son componentes de salida, ya que el microcontrolador está programado

para enviar un dato por un pin de salida y posicionar a los ejes de los servomotores. La

conexión del microcontrolador al servomotor es directa por medio del pin de control.

Configuración de pines del microcontrolador

La configuración de los pines del microcontrolador debe ser realizada por medio de la

programación. Los pines son configurados como entradas o salidas dependiendo el

requerimiento de los componentes a controlar.

Los pines configurados como entrada del microcontrolador son:

RC0 entrada del sensor que detecta la presencia de la funda.

Los pines configurados como salida del microcontrolador son:

RB7 control de la posición de los ejes de los servomotores.

Esquema electrónico del sistema sellador

A continuación se presenta el esquema de hardware del sistema sellador:

64

Gráfico No. 7. Esquema de hardware del sistema sellador


Fuente: Proteus

3.2.3.2 Software Del Sistema Sellador

Los elementos electrónicos se complementan con la programación del microcontrolador

para formar un sistema.

Cuando el sensor detecta la presencia de la funda, el dato es recibido y enviado al puerto de

entrada del microcontrolador, el cual es analizado por una específica condición, y si la

cumple, el programa envía 1 lógico por el pin de salida para la activación de los

servomotores Hitec-HS 755HB, caso contrario el sensor espera hasta detectar una funda.

Los servomotores pueden girar de 0 a 180 grados. En condiciones iniciales los

servomotores se encontrarán ubicados en 18.5 grados, hasta que sean activados para ser

ubicados en 72.5 grados para pulsar el fin de carrera y activar la niquelina. Una vez

65

terminado el tiempo de sellado, los servomotores son ubicados a la posición inicial, para

realizar un nuevo sellado.

El programa realizar las siguientes acciones para el funcionamiento del sistema dosificador:

1. Encender y apagar el prototipo.

2. Encender luces piloto amigables al operador.

3. Sensar la funda a sellar.

4. Activar los servomotores.

5. Pulsar fin de carrera.

6. Activar y calentar la niquelina durante el tiempo programado.

7. Sellar la funda.

3.2.4 Simulación

La simulación del prototipo se basa en el hardware del sistema dosificador y sellador.

3.2.4.1 Simulación Del Sistema Dosificador Y Sellador

A continuación se detalla la simulación del sistema dosificador y sellador:

Máquina apagada

La máquina se encuentra apagada cuando el cable de poder no está conectado al

tomacorriente de 110 voltios AC y el interruptor ON/OFF aún no se ha encendido.

66

3.2.4.1.1 Simulación De Sistema Dosificador

A continuación se detalla la simulación del sistema dosificador:

• Condiciones iniciales

Para encender el prototipo se presiona el interruptor en posición de encendido ON.

Una vez encendida la máquina, el eje del servomotor del sistema dosificador

automáticamente se coloca en la posición de 18.5 grados, donde el acople conectado al eje,

cierra completamente el paso del producto, colocándose en la salida del silo de

almacenamiento y quedándose energizado para que se quede fijo.

Gráfico No. 8. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema dosificador


Fuente: Proteus

67

Gráfico No. 9. Simulación en condiciones iniciales de falta de producto en el silo


Fuente: Proteus

Sensado de la funda a dosificar

La funda es detectada por el sensor de presencia y el eje del servomotor automáticamente

se colocan en la posición de 72.5° dejando caer el producto.

Gráfico No. 10. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema dosificador


Fuente: Proteus

Una vez que haya terminado el tiempo programado de dosificación del producto, el

servomotor regresa a la posición inicial a 18.5° (Ver Gráfico No 8).

68

Aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento

Cuando el silo de almacenamiento requiera de más producto, se activará una luz piloto para

su aviso.

Gráfico No. 11. Simulación de aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento


Fuente: Proteus

3.2.4.1.2 Simulación De Sistema Sellador

A continuación se detalla la simulación del sistema sellador:

Condiciones iniciales

Para encender el prototipo se presiona el interruptor ON/OFF.

Una vez encendida la máquina, los ejes de los servomotores del sistema sellador se colocan

automáticamente en la posición de 18.5 grados, donde los brazos de la palanca de sellado se

quedan energizados, fijos y listos para realizar el sellado.

69

Gráfico No. 12. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema sellador


Fuente: Proteus

Gráfico. No 13. Simulación de la niquelina en condiciones iniciales


Fuente: Proteus

Sensar la funda a sellar

La funda es detectada por el sensor de presencia y los ejes de los servomotores

automáticamente se colocan en la posición de 72.5°, llegando a pulsar el fin de carrera para

calentar la niquelina y sellando la funda de papel filtro.

70

Gráfico No. 14. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema sellador


Fuente: Proteus

Gráfico No. 15. Simulación de la niquelina al sellar la funda


Fuente: Proteus

Una vez que haya terminado el tiempo programado de sellado de la funda, los servomotores

regresan a la posición inicial a 18.5° (Ver Gráfico No. 8).

71

3.2.5 Sistema Eléctrico

Todo el sistema eléctrico de la máquina se encuentra en el panel de control que se presenta

a continuación:

3.2.5.1 Panel De Control

Dentro del panel de control se encuentran todos los elementos que van a controlar al

sistema, como microcontroladores y demás dispositivos electrónicos, los mismos que se

encuentran con protecciones de metal. Todas las conexiones de los elementos que se

encuentran en la máquina llegan directamente a este panel. En la parte frontal de estos

paneles se encuentran pulsadores que controlan de forma directa a la máquina como son de

encendido, apagado y paro de emergencia con sus respectivas luces piloto para tener una

visualización de comprobación del funcionamiento de la máquina. Este panel se lo coloca

en la parte superior de la máquina para que los operadores puedan controlarla sin interferir

en su funcionamiento. El acceso es por la parte superior abriendo la tapa de protección. El

panel de control contiene tarjetas electrónicas de las cuales se distribuyen cables para los

demás sistemas y elementos de la máquina.

72

Foto No 6. Panel de control interior


Foto No 7. Panel de control exterior


CAPÍTULO IV

73

CAPÍTULO IV

4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO

A continuación se detalla la construcción del prototipo:

4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

Se presenta la lista de materiales para la construcción de la máquina:

Tabla No. 17. Materiales para la construcción de la máquina.

MÓDULO CANTIDAD UNIDADES MATERIALES

ESTRUCTURA 9,2 metro lineal Tubo cuadrado 3/4 pulgadas

4 m2 Tol galvanizado

0,5 m2 Lámina de acero 2mm espesor

50 unidades Tornillo

20 unidades Perno

PANEL DE 1 unidades Interruptor ON/OFF

CONTROL 7 unidades Luz piloto

1 unidad Paro de emergencia

1 unidad Fuente de computador

4 m Cable UTP categoría 5

3 m Cable gemelo #20

1 unidad Pulsador redondo

SISTEMAS: 2 unidades Servomotor industrial

SELLADOR 1 unidad

Transformador 110VAC-

24VAC

Y 2 unidad Fin de carrera industrial

DOSIFICADOR 1 unidad Niquelina

1 unidad Tela térmica

1 unidad Silicona térmica

2 unidades Baquelita

2 unidades Resistencia 220 ohmios

2 unidades Resistencia 1k ohmios

2 unidades Resistencia 10k ohmios

2 unidades Cristal de 4 MHz

74

4 unidades Borneras de 2 pines

2 unidades Bornera de 3 pines

2 unidades Zócalo de 40 pines

9 unidades Espadines macho

2 unidades Pic 16F877A

2 unidades Sensor capacitivo

1 unidad Servomotor industrial

2 m2 Acero inoxidable


Fuente: Ferroindustrial, ubicada en Ibarra y All Power Microcontroller (APM)

A continuación se presentan los pasos para la construcción de la máquina:

Se diseña toda la estructura metálica con todos sus componentes en una herramienta

CAD, acotando todas sus dimensiones.

Se procede a cortar el tubo cuadrado de ¾ pulgadas en: 6 piezas de 20 cm, 4 piezas

de 50 cm, 2 piezas de 40 cm, 2 piezas de 52 cm, 2 piezas de 24 cm, 2 piezas de 12

cm, 10 piezas de 30 cm y 2 piezas de 18 cm.

Se sueldan todos los tubos como se indica en los planos de diseño de la estructura

metálica.

Se toman medidas entre los tubos para formar las tapas de tol galvanizado como se

muestra en el resultado final de la estructura metálica.

Las tapas de tol galvanizado se sueldan a los tubos.

Se perfora un hueco redondo de 12 cm de diámetro en la parte del sistema

dosificador para colocar el silo de almacenamiento, según los planos diseñados.

Se perforan huecos redondos en la lámina del panel de control para colocar las luces

piloto, interruptor ON/OFF y paro de emergencia.

75

Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 5cm x 22,5cm

cortándola y soldándola como se muestra en los planos de diseño del acople de

sujeción del servomotor del sistema dosificador.

El acople de sujeción del servomotor se suelda en la estructura metálica a una altura

de 20 cm desde el suelo y centrado en la pared izquierda.

Se cortan 2 barras de lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de

17cm x 12cm, que son los brazos de la palanca de sellado y se hacen orificios de

1mm de radio para atornillar cada uno de los brazos con los acoples de los

servomotores, según los planos diseñados.

Los extremos de los brazos de la palanca de sellado son sujetos a una barra metálica

en la que se coloca una barra de silicona térmica para soportar la temperatura de la

niquelina.

Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 10cm x

1,5cm, y otra de 4cm x 2cm y doblarla por la mitad, hasta formar un ángulo de 90

grados. Perforar cada una de las láminas con orificios de 1 mm de radio y soldar las

dos láminas en la estructura metálica según los planos de diseño de los acoples de

sujeción del servomotor del sistema sellador.

Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 11cm x 20cm

y doblarla en 3 partes como se indica en los planos de la pieza donde se coloca la

niquelina y se hacen orificios para poder atornillarla a la estructura y orificios para

atornillar la niquelina. Además se hacen orificios en dicha lámina para atornillar dos

barras delgadas de acero para sujetar la tela térmica y dos orificios para sujetar una

76

lámina pequeña de acero de dimensiones de 7 cm x 1.5 cm, doblada en la mitad que

sirve como tope máximo que deben llegar las fundas de papel filtro para sellarlas.

Formar el silo de almacenamiento con acero inoxidable en forma de cono, de tal

manera que el orificio superior por donde ingresa el producto para llenar el silo,

debe tener un diámetro de 12 cm y el orificio por donde sale el producto a dosificar

debe tener un diámetro de 3 cm.

A toda la estructura metálica con las láminas de acero soldadas y las piezas sueltas

se las debe masillar para corregir todas las fallas como hendiduras y posteriormente

se pinta a todas las piezas.

Una vez que todas las piezas están listas y pintadas se procede a la implementación

de todos los componentes electrónicos, mecánicos, electromecánicos y demás

elementos que abarcan todo el sistema de control.

4.2 PRUEBAS Y RENDIMIENTO DEL PROTOTIPO

Con el prototipo construido, se puede realizar pruebas para verificación del

funcionamiento, obteniendo resultados como su rendimiento.

Las pruebas buscan establecer la cantidad promedio del producto que la máquina debe

dosificar para llenar la funda con la cantidad requerida, con un rango mínimo de error en la

dosificación.

En las pruebas se harán repeticiones de dosificado y sellado con 10 fundas, en las cuales se

tomará en cuenta la cantidad dosificada, rango de error en la dosificación, tiempo de cada

funda y tiempo total de todo el proceso.

77

4.2.1 Verificación Del Peso Y Tiempo Del Producto Dosificado

En las siguientes tablas se presentan los datos obtenidos de las diferentes pruebas.

A continuación se detalla las pruebas realizadas por el prototipo, del cual se puede obtener

valores de error en el dosificado y la desviación estándar del tiempo de las 10 fundas

tomadas como muestra.

Tabla No. 18. Datos del peso dosificado en diez fundas con un peso de 11 gramos

NÚMERO DE

FUNDA

PESO

REQUERIDO

(gramos)

PESO

DOSIFICADO

(gramos)

ERROR

(%)

1 11 10,5 4,5

2 11 11 0

3 11 10,5 4,5

4 11 11 0

5 11 11 0

6 11 10,5 4,5

7 11 11 0

8 11 11,5 4,5

9 11 11 0

10 11 11 0



Tabla No. 19. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto

NÚMERO DE FUNDAS EN 1 MINUTO TIEMPO POR UNIDAD (segundos)

7 8,7



78

Cuadro No. 2. Pesos dosificados en las cinco fundas



Para obtener el valor de error en la dosificación del prototipo, se basa en los datos tomados

en la tabla No.16.

Si: e, es el error de la cantidad dosificada con respecto a la cantidad requerida, entonces se

aplica la fórmula 4, obteniendo el siguiente resultado:

La unidad de medida de e es porcentaje (%)

[4]

Donde: e1 es el error de la funda 1, e2 es el error funda 2, etc.

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PES

O (

gram

os)

NÚMERO DE FUNDA

PESO GRAMOS

PESO REQUERIDO

79

El error total es el promedio de los errores de cada una de las fundas dosificadas, por lo

tanto el error obtenido es el 1,8% de dosificación en las 10 fundas tomadas de muestra.

Para obtener el valor de la desviación estándar en el tiempo de sellado y dosificado, se ha

tomado la muestra de 10 fundas elaboradas, para lo cual se necesita la siguiente tabla:

Tabla No. 20. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por el

prototipo

NUMERO DE FUNDA TIEMPO DE SELLADO Y

DOSIFICADO DE CADA FUNDA

1 8,5

2 8,7

3 8,8

4 8,4

5 8,5

6 8,7

7 8,7

8 8,5

9 8,4

10 8,7



Para el cálculo de la desviación estándar se necesita la fórmula 5:

[5]

Donde:

80

Como resultado se obtiene que la desviación estándar es 0,132, lo que quiere decir que el

tiempo de cada funda varía entre ± 0,132 segundos, de las 10 fundas tomadas como

muestra.

A continuación se detalla las pruebas realizadas por un proceso manual, del cual se puede

obtener valores de error en el dosificado y la desviación estándar del tiempo de las 10

fundas tomadas como muestra.

Tabla No. 21. Datos del peso dosificado en cinco fundas con un peso de 11 gramos

(proceso manual)

NÚMERO DE

FUNDA

PESO

REQUERIDO

(gramos)

PESO

DOSIFICADO

(gramos)

ERROR

(%)

1 11 11,5 4,5

2 11 11 0

3 11 10 9,1

4 11 11 0

5 11 10,5 4,5

81

6 11 11 0

7 11 11,5 4,5

8 11 12 9,1

9 11 11 0

10 11 10 9,1


Fuente: Simulación piloto del proceso manual

Tabla No. 22. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto (proceso manual)

NÚMERO DE FUNDAS EN 1 MINUTO

TIEMPO POR UNIDAD

4

14,5



Cuadro No. 3. Pesos dosificados en las cinco fundas (proceso manual)



9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PES

O (

gram

os)

NÚMERO DE FUNDA

PESO GRAMOS

PESO REQUERIDO

82

Para obtener el valor de error en la dosificación del proceso manual, se basa en los datos

tomados en la tabla No.21.

Si: e, es el error de la cantidad dosificada con respecto a la cantidad requerida, entonces se

aplica la fórmula 4, obteniendo el siguiente resultado:

La unidad de medida de e es porcentaje (%)

El error es el promedio de los errores de cada una de las fundas dosificadas, por lo tanto el

error obtenido es el 4,3% de dosificación en las 10 fundas tomadas de muestra.

Para obtener el valor de la desviación estándar en el tiempo de sellado y dosificado, se ha

tomado la muestra de 10 fundas elaboradas, para lo cual se necesita la siguiente tabla:

Tabla No. 23. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por un proceso

manual

NUMERO DE FUNDA TIEMPO DE SELLADO Y

DOSIFICADO DE CADA FUNDA

1 14,5

2 14,8

3 15,1

4 14,2

5 13,9

6 14,6

7 14,9

83

8 15,2

9 14,5

10 14,2



Para el cálculo de la desviación estándar se necesita la fórmula 5 y se obtiene el siguiente

resultado:

Como resultado se obtiene que la desviación estándar es 0,396, lo que quiere decir que el

tiempo de cada funda varía entre ± 0,396 segundos, de las 10 fundas tomadas como

muestra.

4.3 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO

A continuación se detalla el manual de funcionamiento de la máquina:

4.3.1 Descripción De La Máquina

Esta máquina es un sistema de la unión de dos módulos: dosificador y sellador. Tiene como

objetivo dosificar el producto en una funda de papel filtro y sellarla. El panel de control es

la interfaz amigable con el operador. El sistema está diseñado para operar con granos secos.

84

4.3.2 Identificación De Los Componentes De La Máquina

A continuación se muestran los componentes de la máquina en un prototipo virtual:

Gráfico No. 16. Componentes principales de la máquina


Fuente: Autocad

4.3.3 Condiciones Generales De Operación

A continuación se describen las condiciones generales de operación de la máquina:

85

Tabla No. 24. Condiciones y especificaciones generales de la máquina

REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN

ESTRUCTURA

Tipo de estructura Metálica, por su consistencia y resistencia

Tipo de material Tol galvanizado y acero inoxidable en las

partes que tenga contacto físico con el

alimento

Tipo de pintura Electrostática, para evitar descargas

eléctricas

DOSIFICADO Y SELLADO

Dosificación Desde 7 hasta 1700 gramos

Rendimiento 7 fundas en 1 minuto aproximadamente

Sellado Niquelina a alta temperatura

Modificar cantidad de dosificado Por medio de tiempo

Modificar tiempo de sellado Si es modificable y depende del material a

sellar

Capacidad de detectar cualquier tipo de

empaque

Para dosificar y sellar en plástico grueso,

delgado, papel filtro, etc.

Control Por medio de microcontrolador

PRODUCTO Y EMPAQUE

Material de empaques Plástico grueso, delgado, papel filtro.

Tipos de productos Grano fino (azúcar), mediano (arroz) y

grueso (fréjol)

Tamaño empaque Mínimo 5cm x 5cm, hasta 17 cm x 13cm

VARIOS

Tensión de funcionamiento 110 voltios

Protección tarjetas electrónicas Dentro de un panel de control

Tipos de motores Servomotores para control de posición

86

Dimensiones 52cm de largo x 50cm de ancho x 30cm de

profundidad

Temperatura ambiente Mínimo 10oC y máximo 30

oC

Peso aproximado 35 kilos

Movilidad Capaz de ser llevado con facilidad

Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana

Interfaz amigable al usuario Por medio de un panel de control



4.3.4 Instrucciones De Seguridad De La Máquina

Se presenta una lista de instrucciones importantes que deben ser leídas y analizadas para la

adecuada operación de la máquina.

ADVERTENCIA: Todas las personas que vayan a operar esta máquina deben estar

capacitadas para su manejo, habiendo leído y entendido el manual de funcionamiento.

ADVERTENCIA: Para evitar daños, realice cualquier modificación con la máquina

apagada y desconectado el cable de poder.

ADVERTENCIA: La máquina debe estar libre de objetos que obstruyan su

funcionamiento y dar aviso al personal cuando se vaya a encender.

ADVERTENCIA: Todas las personas que operen esta máquina deben conocer la

ubicación del paro de emergencia para detener todo el proceso en funcionamiento cuando

exista alguna falla.

87

ADVERTENCIA: La máquina debe colocarse en un lugar que cumpla normas de sanidad

para evitar la contaminación riesgosa del producto.

ADVERTENCIA: Ninguna persona puede subirse ni colocar objetos extraños sobre la

máquina por cualquier motivo, ya que puede perjudicar a la estructura de la misma.

ADVERTENCIA: La máquina debe colocarse fijamente en una estructura más estable

para evitar que se caiga.

ADVERTENCIA: No deben existir corrientes de aire en el área de producción donde se

coloque la máquina.

ADVERTENCIA: Apagar toda la energía de la máquina antes de desconectar el cable de

poder.

4.3.5 Funciones De Los Componentes Principales De La Máquina.

A continuación se describen los componentes principales de la máquina:

4.3.5.1 Componentes Del Sistema Dosificador

Silo de almacenamiento

La función es almacenar al producto a dosificar y mantenerlo protegido ante

elementos extraños.

Sistema de sensado

La función del sensor es detectar la funda que se va a llenar con el producto.

88

Sistema de salida del producto

La función es activar al servomotor que permite la apertura o cierre de la compuerta

de la salida del producto.

Sistema de nivel de producto

La función es indicar la falta de producto en el silo, para volver a ser llenado.

4.3.5.2 Componentes Del Sistema Sellador

Sistema de sensado

La función del sensor es detectar la funda que se va a sellar con el producto

dosificado.

Palanca de sellado

La función es hacer presión a la funda sobre la niquelina para sellarla.

4.3.6 Panel De Control

A continuación se detalla la distribución del panel de control:

4.3.6.1 Distribución Del Panel De Control

A continuación se presenta la distribución del panel de control de la parte frontal amigable

al operador.

89

Gráfico No. 17. Componentes principales del panel de control de la máquina


Fuente: AutoCad

4.3.6.2 Descripción Y Funcionamiento De Los Componentes Del Panel De Control

El panel de control está en la parte delantera superior derecha de la máquina. El panel

contiene: interruptor ON/OFF, pulsador de paro de emergencia, luces piloto de: encendido,

de reposo del sistema dosificador y sellador, de activación del sistema dosificador y

sellador, paro de emergencia y falta de producto en el silo.

90

Interruptor ON/OFF

Está conectado directamente a la entrada de energía, que al pulsarlo se enciende o se apaga,

dependiendo del estado que se encuentre.

Pulsador de paro de emergencia

Permite detener totalmente todos los procesos en funcionamiento cuando haya sido

presionado por cualquier motivo de falla.

Luz de ON/OFF

Indica el estado de la máquina y se enciende cuando el interruptor es presionado y colocado

en la posición de encendido, y se apaga cuando el interruptor se encuentra en la posición de

apagado. La luz indicadora es de color verde.

Luz de reposo del sistema dosificador

Indica el estado de reposo del sistema dosificador, se enciende la luz desde el momento que

se prende la máquina, indicando que está esperando detectar la funda a dosificar y se apaga

cuando el sistema es activado. La luz indicadora es de color rojo.

Luz de reposo del sistema sellador

Indica el estado de reposo del sistema sellador, se enciende la luz desde el momento que se

prende la máquina, indicando que está esperando detectar la funda a sellar y se apaga

cuando el sistema es activado. La luz indicadora es de color rojo.

91

Luz de activación del sistema dosificador

Indica el estado de activación del sistema dosificador, se enciende cuando la compuerta de

salida del producto se activa y se mantiene encendida durante el tiempo programado hasta

que la compuerta se cierre por completo. Se apaga cuando el sistema se queda en reposo.

La luz indicadora es de color verde.

Luz de activación del sistema sellador

Indica el estado de activación del sistema sellador, se enciende cuando la palanca es

activada para sellar la funda y se mantiene encendida durante el tiempo programado hasta

que la palanca vuelva a su posición inicial. Se apaga cuando el sistema se queda en reposo.

La luz indicadora es de color verde.

Luz de activación del paro de emergencia

Indica el estado en el que se ha producido una falla en el sistema, presionando el pulsador

de paro de emergencia para detener por completo el sistema. La luz indicadora es de color

rojo.

Luz de activación de falta de producto en el silo.

Indica el estado del producto en el silo, se enciende cuando el producto llega a un nivel bajo

y es necesario que sea llenado. La luz indicadora es de color rojo.

CAPÍTULO V

92

CAPÍTULO V

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

A continuación se presentan las conclusiones y recomendaciones obtenidas del presente

tema.

5.1 CONCLUSIONES

Se recopiló información acerca del diseño y construcción de máquinas

dispensadoras y selladoras de un producto, ayudando a analizar cada uno de los

sistemas y escogiendo los más adecuados para el desarrollo de ésta máquina.

Se diseñó y construyó el sistema de dispensado del producto en las fundas de papel

filtro, por medio del cual se pudo dosificar 5 segundos más rápido en cada funda,

que en un proceso manual.

Se diseñó y construyó el sistema de sellado de las fundas de papel filtro, logrando

sellarlas completamente, obteniendo un sellado de una máquina industrial.

Se implementaron los sistemas de dosificado y sellado con elementos mecánicos,

electrónicos y demás elementos, que cumplen con las especificaciones y se

encuentran dentro de una estructura metálica, logrando la unificación de dos

procesos diferentes para que un sólo operador pueda manejarlos.

El material escogido para el contacto con el producto fue el acero inoxidable

A.I.S.I. 304 ya que es el más indicado para la inocuidad de los alimentos.

93

Todos los sistemas implementados en la máquina son desmontables para facilitar el

mantenimiento o cambio de cualquier componente.

El componente escogido para el control del sistema fue el microcontrolador Pic

16F877A, ya que es fiable y capaz de cumplir con los requerimientos del

funcionamiento sistema, además por tener un costo bajo en comparación con otros

controladores como los PLC.

Los sistemas de sellado y dosificado funcionan independientemente, por lo que

pueden trabajar simultáneamente sin interrupciones entre ellos.

Se implementó un panel de control, que permite la comunicación entre el operador y

la máquina, la cual es amigable por medio de alertas que verifican el

funcionamiento del sistema.

La máquina ha llegado a dosificar y sellar 7 fundas por minuto, mientras que el

proceso manual dosifica y sella 4 fundas por minuto, obteniendo como resultado

que la máquina produce un 42,9% más que el proceso manual.

5.2 RECOMENDACIONES

Se debe incentivar la investigación en el país para que seamos capaces de

desarrollar y construir nuestras propias máquinas, sin tener la necesidad de importar

del extranjero.

Para la fabricación de una máquina es importante saber exactamente lo que

queremos hacer; buscar información necesaria que abarque todas las partes de la

94

máquina, diseñar los planos en una herramienta CAD para mayor precisión, diseñar

un prototipo virtual para probar el comportamiento de la máquina, construir todas

las partes del sistema, diseñar los sistemas de hardware y software, implementar

todas las partes en una base o estructura general, implementar las tarjetas

electrónicas, poner a funcionar la máquina y realizar pruebas hasta obtener un buen

funcionamiento.

Se debe utilizar un programa CAD para el diseño de la estructura, ya que permite el

manejo técnico de la construcción de la máquina, pues se tiene una idea más clara

del sistema final como un prototipo virtual.

Los diseños de una máquina deben ser realizados de tal manera que los módulos

internos puedan ser desmontables para realizar mantenimiento o cambio de

cualquier componente.

Se debe detallar el manual de funcionamiento conjuntamente con un mantenimiento

preventivo incluyendo sus registros historiales y los planos de todo el sistema, para

cuidar el buen funcionamiento de la máquina.

Para tener un mayor control de todo el sistema se recomienda utilizar un

microcontrolador con capacidad de comunicación para una mejor coordinación

entre los módulos.

A la máquina se debe hacer un mantenimiento preventivo, antes que un correctivo

para que tenga un buen funcionamiento y sin tendencia a originar fallas.

Antes de poner en marcha una máquina el operador debe estar capacitado y haber

leído el manual de funcionamiento para un buen manejo de la misma.

95

Para el diseño de una máquina se debe analizar las piezas, mecanismos y materiales

para obtener un buen funcionamiento, al igual los costos para que la empresa que

requiera la implementación de ésta pueda disminuir costos de producción.

Se debe tomar en cuenta el tipo de material de la máquina, especialmente si se

trabaja con alimentos, ya que existen materiales exclusivos para garantizar la

inocuidad de éstos.

Al diseñar una máquina se debe implementar una interfaz amigable con el operador,

ya que es el medio de comunicación entre ellos.

Al momento de dosificar y sellar se debe implementar una interacción sonora con el

operador, al igual que se debe colocar luces de indicación cerca del orificio de

dosificación y cerca de la niquelina.

Se debe implementar un tornillo sinfín acoplado a un motor en el silo de

almacenamiento que gire a una velocidad constante para que el producto no se

obstruya a la salida del producto.

El silo de almacenamiento siempre debe permanecer lleno ya que la dosificación se

la realiza en serie y el producto almacenado puede acabarse muy rápido, por lo que

se debe implementar un sistema de llenado permanente al silo de almacenamiento.

El silo de almacenamiento debe tener un sensor de nivel del producto para dar una

señal de alarma cuando éste se haya terminado.

96

BIBLIOGRAFÍA:

Balcells, J., & Romeral, J. L. (1997). Autómatas programables. Mundo Electrónico .

Bolívar, M., Galetovic, A., & Jana, Á. (2005). El libro blanco del azúcar. Santiago

de Chile: RIL.

Fauquié, R. (2000). Higiene y saneamiento en la preparación y servicio de

alimentos. Cuadernos USB , 480.

Instituto interamericano de cooperación para la agricultura. (2000). Manual de

manejo post cosecha de café. El Salvador: IICA.

Instituto salvadoreño de investigación del café. (1999). Técnicas modernas para el

cultivo del café. El Salvador: Nueva San Salvador.

Kalpakjian, S. (2002). Manufactura; ingeniería y tecnología (Cuarta edición ed.).

México: Prentice Hall.

Martín, J. C., & García, M. P. (2009). Automatismos Industriales. Barcelona:

EDITEX.

Microchip Incorporated Technology. (2003). PIC16F87XA. U.S.A.: DNV.

Sellwood, C. (1995). Química elmental básica 1. Barcelona: Reverté.

97

PÁGINAS DE INTERNET CONSULTADAS

HITECRCD. (5 de 10 de 2008). Hitecrcd. Recuperado el 30 de 11 de 2010, de

http://www.hitecrcd.com/products/analog.htlm

INGESIR. (20 de 12 de 2010). Ingesir. Recuperado el 20 de 12 de 2010, de

http://www.ingesir.com.ar/semiautomaticas.htm

ANEXOS

ANEXO 1: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 311 Estándar


ANEXO 2: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 755HB


ANEXO 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114


ANEXO 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114 (continuación)


ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A

La siguiente es una lista de las características que comparte el PIC16F877 con los

dispositivos más cercanos de su familia:

PIC16F873

PIC16F874

PIC16F876

PIC16F877

CPU:

Tecnología RISC

Sólo 35 instrucciones que aprender

Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que

requieren dos

Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz (200 nseg de ciclo de instrucción)

Opciones de selección del oscilador

Memoria:

Hasta 8k x 14 bits de memoria Flash de programa

Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM)

Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM

Lectura/escritura de la CPU a la memoria flash de programa

Protección programable de código

Stack de hardware de 8 niveles

ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A (continuación)

Reset e interrupciones:

Hasta 14 fuentes de interrupción

Reset de encendido (POR)

Timer de encendido (PWRT)

Timer de arranque del oscilador (OST)

Sistema de vigilancia Watchdog timer.

Otros:

Modo SLEEP de bajo consumo de energía

Programación y depuración serie “In-Circuit” (ICSP) a través de dos patitas

Rango de voltaje de operación de 2.0 a 5.5 volts

Alta disipación de corriente de la fuente: 25mA

Rangos de temperatura: Comercial, Industrial y Extendido

Foto Microcontrolador


Características generales del Microcontrolador

DESCRIPCIÓN INFORMACIÓN

Procesador

Núcleo RISC, Arq. Harvard, 20 MHz. 5

MIPS

Interrupciones 14 fuentes posibles de interrupción

Reloj 0-20 MHz.

Reset

Master Clear, Brown Out,

Watchdog, Power On

Instrucciones 35 instrucciones de 14 bits

Periféricos

Puertos programables de E/S Hasta 33 bits, pueden ser usados

por otros periféricos

Timers/Counters Dos de 8 bits y uno de 16 bits

Puertos de captura/comparación

de datos

Dos de 8 bits

Moduladores de ancho de pulso

(PWM)

Dos de 8 bits

Conversor Analógico/Digital de

10 bits

Puerto serie síncrono

Con un MPX de 8 canales para 8

entradas diferentes

Configurable en modo SPI e I2C

USART Para conexiones RS 232

Puerto paralelo esclavo 8 bits + 3 bits de control

Memoria M. de programa 8 K palabras de 14 bits

M. de datos RAM 368 registros de 8 bits

M. de datos EEPROM 256 registros de 8 bits

Pila 8 palabras de 13 bits

M. de datos ext. EEPROM Hasta 256 KBytes


Diagrama de bloques

Periféricos

ANEXO 5: Fotos de construcción del prototipo

ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo

ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)

ANEXO 7: Programas de los microcontroladores de sistemas dosificador y sellador

Programa del Microcontrolador del Sistema Dosificador

Device 16F877

XTAL 4

Clear

Dim R As Byte

Dim S As Byte

Dim T As Byte

LOOP1:

Clear

Call INICIO

LOOP2:

Call SENSAR

Call DOSIFICAR

DOSIFICAR:

For R=1 To 100

Servo PORTB.7, 1260

DelayMS 5

Next

For T=1 To 45;

Servo PORTB.7, 1730

DelayMS 5;

High PORTB.6

Low PORTB.0

Next

GoTo LOOP1

INICIO:

For R=1 To 400

Servo PORTB.7, 1260

DelayMS 5

High PORTB.0

Low PORTB.6

Next

Return

SENSAR:

For S=1 To 200000000

Servo PORTB.7, 1260

DelayMS 25

High PORTB.0

Low PORTB.6

If PORTC.4=0 Then GoTo DOSIFICAR

Next

GoTo LOOP2

ANEXO 7: Programas de los microcontroladores de sistemas dosificador y sellador

(continuación)

Programa del Microcontrolador del Sistema Sellador

Device 16F877

XTAL 4

Clear

Dim R As Byte

Dim S As Byte

Dim T As Byte

LOOP1:

Clear

Call INICIO

LOOP2:

Call SENSAR

Call SELLAR

SELLAR:

For T=1 To 100

Servo PORTB.7, 1725

DelayMS 5

Next

For T=1 To 15

Servo PORTB.7, 1740

DelayMS 5

Next

For T=1 To 15

Servo PORTB.7, 1760

DelayMS 5

Next

For T=1 To 15

Servo PORTB.7, 1790

DelayMS 5

Next

For T=1 To 15

Servo PORTB.7, 1820

DelayMS 5

Next

For T=1 To 160

Servo PORTB.7, 1860

DelayMS 5

Next

GoTo LOOP1

INICIO:

For R=1 To 1000000

Servo PORTB.7, 1725

DelayMS 5

Next

Return

SENSAR:

For S=1 To 200000000

Servo PORTB.7, 1725

DelayMS 25

If PORTC.0=0 Then GoTo SELLAR

Next

GoTo LOOP2

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