DISEÑO DE MAQUINA LLENADORA PARA FLUIDOS VISCOSOS

DISEÑO DE MÁQUINA LLENADORA PARA FLUIDOS VISCOSOS

NELSON DANIEL LÓPEZ QUIÑONES DAGOBERTO CUERO HURTADO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2009

DISEÑO DE MÁQUINA LLENADORA PARA FLUIDOS VISCOSOS

NELSON DANIEL LÓPEZ QUIÑONES DAGOBERTO CUERO HURTADO

Pasantía para optar al título de Ingeniero Electrónico y Mecatrónico

Directores ZEIDA MARÍA SOLARTE

Ingeniera Electrónica

JESÚS ALFONSO LÓPEZ SOTELO Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2009

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en Cumplimiento de los Requisitos Exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para Optar al título de ingeniero Electrónico y Mecatrónico

Ing. Andrés Navas_________________ Jurado

Ing. Juan Carlos Perafan____________ Jurado

Santiago de Cali, 5 de Marzo de 2009

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CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 13 INTRODUCCIÓN 14 1. OBJETIVOS 15 1.1 OBJETIVO GENERAL 15 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 15 2. PLANIFICACIÓN 16 2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16 2.2 PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN 17 2.1.1 Descripción del producto 17 2.1.2 Mercado Primario 17 2.1.3 Mercado secundario 17 2.1.4 Premisas y restricciones 17 3. DESARROLLO CONCEPTUAL 18 3.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES 18 3.2 ESTABLECER ESPECIFICACIONES PRELIMINARES 19 3.2.1 Relación medidas – necesidades 19 3.2.2 Evaluación de satisfacción de necesidades del cliente en productos competidores (BENCHMARKING) 19 3.2.3 Evaluación de medidas en productos competidores 21

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3.2.4 Asignación de valores ideales y marginales 23 3.2.5 Establecer especificaciones preliminares 23 3.3 GENERACIÓN DE CONCEPTOS 24 3.3.1 Clarificación del problema 25 3.3.2 Descomposición del problema 25 3.3.2.1 Diagrama de caja negra 26 3.3.2.2 Descomposición funcional 26 3.3.3 Subfunciones criticas 27 3.3.4 Generación de conceptos para las subfunciones 28 3.3.4.1 Generación de conceptos para Posicionar Boquillas y Dosificadores 28 3.3.4.2 Árbol de clasificación de conceptos – Posicionar boquillas y dosificadores 31 3.3.4.3 Conceptos generados para dosificar fluido 32 3.3.4.4 Árbol de clasificación de conceptos para la subfunción dosificar fluido 34 3.3.4.5 Conceptos generados para controlador 35 3.3.4.6 Árbol de clasificación para subfunción controlador 35 3.3.5 Combinación de conceptos 35 3.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS 37 3.4.1 Selección personal 38 3.4.2 Matriz de tamizaje de conceptos 38 3.4.3 Matriz para la evaluación de conceptos. 39 3.4.4 Especificaciones finales 41 4. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA 42

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4.1 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 42 4.1.1 Interacciones entre elementos físicos y funcionales 42 4.1.2 Esquema de grupos de elementos a conjunto 43 4.1.3 Distribución geométrica (Layout) 44 4.1.4 Interacciones entre productos 45 4.1.5 Descripción de las interacciones 46 4.2 DISEÑO INDUSTRIAL (DI) 47 4.2.1 Valoración del diseño industrial 48 4.2.2 Clasificación del producto 49 4.2.3 Evaluación de la calidad del diseño industrial 49 4.3 DISEÑO PARA MANUFACTURA 50 4.3.1 Análisis de diseño para manufactura 50 4.3.2 Modelo del sistema de manufactura 51 4.3.3 Estimación de los costos de manufactura 51 4.3.3.1 Costo de los componentes 52 4.3.3.2 Costos Fijos 53 4.3.4 Reducción de costos de manufactura 53 5. DISEÑO DETALLADO 55 5.1 SELECCIÓN DE MATERIALES 55 5.2 DISEÑO MECÁNICO 56 5.2.1 Propiedades reológicas del fluido a dosificar 56 5.2.2 Análisis de fuerza dentro del sistema dosificador 60

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5.2.3 Diseño de subfunciones criticas 63 5.2.3.1 Diseño de subfunción critica encajar boquillas y dosificadores 64 5.2.3.2 Diseño de subfunción dosificar fluido 65 5.2.3.3 Diseño del subconjunto controlador 66 5.3 DISEÑO ELECTRÓNICO 81 5.3.1 Sensores 81 5.3.2 Parámetros eléctricos 84 5.3.2.1 Esquema general de conexión 84 5.3.3 Parámetros mecánicos 85 5.3.4 Parámetros térmicos 85 6. CONCLUSIONES 86 7. RECOMENDACIONES 87 BIBLIOGRAFÍA 88 ANEXOS 90

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LISTA DE CUADROS

Pág.

Cuadro 1. Necesidades identificadas e importancia 18 Cuadro 2. Relación medidas – necesidades 19 Cuadro 3. Comparación de las necesidades entre competidores según el grado de satisfacción del cliente 20 Cuadro 4. Evaluación de medidas en productos competidores 22 Cuadro 5. Asignación de valores ideales y marginales 23 Cuadro 6. Especificaciones preliminares 24 Cuadro 7. Organización de conceptos generados 35 Cuadro 8. Combinación de conceptos 36 Cuadro 9. Matriz de tamizaje de conceptos 38 Cuadro 10. Matriz de evaluación de conceptos 40 Cuadro 11. Costo de los elementos comerciales 52 Cuadro 12. Costo de elementos no comerciales 53 Cuadro 13. Costo Total 53 Cuadro 14. Reducción de costos 54 Cuadro 15. Propiedades del acero inoxidable 316 55 Cuadro 16. Resultados prueba de viscosidad 60 Cuadro 17. Variables del programa 66

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Proceso de llenado actual 16 Figura 2. Diagrama de Caja Negra 26 Figura 3. Descomposición funcional 27 Figura 4. Concepto A para posicionamiento de boquillas 28 Figura 5. Concepto B para posicionamiento de boquillas 29 Figura 6. Concepto C para posicionamiento de boquillas 29 Figura 7. Concepto D para posicionamiento de boquillas 30 Figura 8. Concepto E para posicionamiento de boquillas 31 Figura 9. Árbol de clasificación para los conceptos de posicionar boquillas y dosificadores. 31 Figura 10. Concepto A para dosificar fluido 32 Figura 11. Concepto B para dosificar fluido 33 Figura 12. Concepto C para dosificar fluido 34 Figura 13. Árbol de clasificación para conceptos de dosificar fluido 34 Figura 14. Árbol de clasificación para conceptos de controlador 35 Figura 15. Interacción entre elementos físicos y funcionales 43 Figura 16. Grupos de elementos en conjuntos 44 Figura 17. Distribución geométrica, vista frontal 45 Figura 18. Distribución geométrica, vista lateral 45 Figura 19. Interacciones incidentales entre conjuntos 46 Figura 20. Valoración del diseño industrial 48

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Figura 21. Clasificación del producto 49 Figura 22. Diferenciación del producto 50 Figura 23. Modelos del sistema de manufactura 51 Figura 24. Prueba de viscosidad 56 Figura 25. Detalle del movimiento del fluido 57 Figura 26. Tipos de fluidos 58 Figura 27. Curvas de fluidez y viscosidad 59 Figura 28. Mecanismos de dosificación con cruz de malta 65 Figura 29. Disposición física de los pistones 69 Figura 30. Grafcet del software de la planta (1) 70 Figura 31. Grafcet del software de la planta (2) 71 Figura 32. Subrutina dosificación 72 Figura 33. Programa en ladder (Rung 0 – Rung 6) 73 Figura 34. Programa en ladder (Rung 7 – Rung 14) 74 Figura 35. Programa en ladder (Rung 15 – Rung 18) 75 Figura 36. Programa en ladder (Rung 19 – Rung 23) 76 Figura 37. Programa en ladder (Rung 24 – Rung 25) 77 Figura 38. Programa en ladder (Rung 26/ Subrutina de dosificación (Rung 0- Rung 1) 78 Figura 39. Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 2- Rung 5) 79 Figura 40, Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 6- Rung 10) 80 Figura 41.Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 11- Rung 13) 81 Figura 42. Diagrama de bloques del foto-sensor 82 Figura 43. Circuito óptico 83

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Figura 44. Comparador 83 Figura 45. Esquema general de conexión para las entradas 84 Figura 46. Esquema general de conexión para las salidas 85 Figura 47. Tanque de almacenamiento auxiliar 90 Figura 48. Mangueras de conducción 91 Figura 49. Contenedor cilíndrico 92 Figura 50. Pistón o embolo 93 Figura 51. Tornillo de ajuste 95 Figura 52. Chasis de la llenadora 96 Figura 53. Estructura 97 Figura 54. Soporte del contenedor cilíndrico 97 Figura 55. Ubicación soporte del contenedor cilíndrico 98 Figura 56. Ubicación del contenedor cilíndrico 99 Figura 57. Pistón ensamblado con el contenedor cilíndrico 100 Figura 58. Sistema de pistón y contenedor cilíndrico fijos en el chasis 101 Figura 59. Dosificador 102 Figura 60. Dosificadores sobre el riel 103 Figura 61. Subsistema de dosificación ensamblado 103 Figura 62. Maquina llenadora de líquidos viscosos 104 Figura 63. Casa de calidad 105 Figura 64. Maquina llenadora equitek 106 Figura 65. Maquina llenadora diseyco 108

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LISTA DE ANEXOS

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Anexo A. Elementos físicos 90 Anexo B. Casa de calidad 105 Anexo C. Productos Competidores 106 Anexo D. Planos 110 Anexo E. Formato IFAC 119

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RESUMEN

Para la realización de este proyecto se tomó en cuenta el proceso de diseño conocido en ingeniería como concurrente, el cual se ajusto a las necesidades de crecimiento y a la capacidad económica de la empresa Lubricantes Superdelta . Luego de entrevistas hechas en la empresa se definen los objetivos y se comienza a planificar el desarrollo del proyecto, luego se pasa a la parte fundamental para el diseño llamada Desarrollo Conceptual porque es aquí donde se identifican y se plasman las necesidades del cliente para luego traducirlas a lenguaje de ingeniería el cual permite hacer comparaciones con proyectos de este tipo ya desarrollados y que se encuentran en funcionamiento en la industria. Una vez superada la fase anterior y luego de realizar una descomposición funcional del problema, se procede a la Generación de Conceptos en la que se pretende buscar posibles soluciones que satisfagan las subfunciones mas criticas, para esto se busco de manera ordenada en diferentes fuentes de información como internet, industrias dedicadas a la fabricación de este tipo de maquinas, industrias que utilizan este tipo de maquinas, consulta a expertos en la materia, textos, entre otras. Con toda la información recaudada se evalúan los conceptos y se combinan para escoger la mejor solución posible por medio de métodos de Selección de Conceptos como la matriz de tamizaje. Una vez seleccionada la mejor combinación de conceptos se establecen las especificaciones finales que son la base del desarrollo de posteriores capítulos. La tercera etapa en el desarrollo del proyecto es el Diseño a Nivel de Sistema en la que se define la arquitectura del producto (modular o integral), se agrupan las subfunciones en conjuntos y se distribuyen espacialmente de forma que no se vean afectadas por las mutuas interacciones que se presentan entre si. Luego en la fase del Diseño Industrial se crean y desarrollan conceptos y funciones que optimicen la función, valor y apariencia de los productos y sistemas para el beneficio del usuario y el fabricante. Lo siguiente es determinar las técnicas para un eventual desarrollo del producto el cual incluye un análisis y supervisión de costos. La estructura de realización de este proyecto finaliza realizando el Diseño Detallado, en esta etapa se diseña y se ejecutan los conceptos seleccionados, que satisfacen las especificaciones finales, comprende toda la parte técnica y de estudio de cada concepto generado. Al final de este documento se encontrarán anexos que contienen información complementaria a algunos temas inmersos en este documento.

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INTRODUCCIÓN

Debido a la apertura económica y a los diferentes cambios que están ocurriendo a nivel nacional, las PYMES ya establecidas en el Valle del Cauca se ven en la obligación de implementar nuevas tecnologías, para así poder competir y estar a la altura de las necesidades del mercado nacional y en un futuro del mercado internacional, producto de los tratados y convenios internacionales que se avecinan (TLC, ALCA, entre otros). Por esta razón la empresa Lubricantes Súper Delta, ubicada en la región, la cual se dedica a la fabricación de diferentes tipos de aceite para motor, se ha visto en la necesidad de automatizar algunos de sus procesos; entre estos el proceso de llenado para los diferentes tipos de presentaciones que se ofrecen al mercado. Este proceso es una parte fundamental para llegar a ser más competitiva en el nicho de mercado en el cual esta empresa se desenvuelve. La intensión de este proyecto es diseñar una máquina capaz de cubrir las necesidades en esta parte del proceso. Este documento contiene la información recopilada en la empresa y la tecnología disponible en la industria que realiza este tipo de maquinas. También es importante aclarar que la información contenida en este documento es el final de un estudio. Durante el desarrollo de este proyecto se ve la importancia de la integración de ingenierías tales como la Electrónica y Mecatrónica, ya que en este proyecto se estudian áreas importantes, en las cuales pueden tener más fortalezas un ingeniero Mecatrónico que Electrónico o viceversa.

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1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar una maquina llenadora para fluidos viscosos.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Conocer en detalle las diferentes etapas del proceso y las necesidades de la empresa. • Investigar las tecnologías existentes utilizadas en la elaboración de máquinas llenadoras.

• Analizar los alcances y restricciones de la máquina.

• Realizar análisis QFD.

• Seleccionar tecnologías y componentes que se utilizaran en el diseño de la máquina.

• Realizar diseño general de la máquina.

• Dividir el diseño general en sub-sistemas.

• Simular cada uno de los sub-sistemas.

• Integrar y depurar la máquina llenadora.

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2. PLANIFICACIÓN

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proceso de llenado de los envases en la empresa Lubricantes Súper Delta presenta grandes deficiencias, ya que éste se realiza de forma manual por medio de unas llaves conectadas a un tanque, que permite el llenado de los envases por efecto de la gravedad. Por tratarse de un líquido viscoso, el proceso no se realiza en un tiempo óptimo; además no existe un buen control del volumen de aceite que deben tener los envases para ser distribuidos, presentándose la situación de que el operario con un “simple vistazo” determina el nivel que deben llevar estos envases. A parte de los problemas ya mencionados, otra situación que consideramos muy perjudicial para la empresa es que en la ejecución de esta actividad se presentan pérdidas considerables de lubricante durante el desarrollo de la misma. El proceso tal y como es en la actualidad se puede observar en las figura 1.

Figura 1. Proceso de llenado actual

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2.2 PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN 2.1.1 Descripción del producto. Maquina llenadora de fluidos viscosos

2.1.2 Mercado Primario. Empresas que en su proceso requieran el llenado de algún tipo de fluido viscoso.

2.1.3 Mercado secundario

• Instituciones Educativas. • Empresas que requieran llenado de cualquier tipo de productos como: Jarabes, salsas con semillas, licores, jaleas, miel, suspensiones farmacéuticas, yogurt, cremas, shampoo, pinturas, adhesivos, aceites comestibles, agroquímicos, limpiadores y detergentes viscosos.

2.1.4 Premisas y restricciones

• Aparato semiautomático • Maquina flexible y aplicable a diferentes tipos de envases

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3. DESARROLLO CONCEPTUAL

3.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES Para la identificación de necesidades se encuesto a los operarios y a los diferentes socios y trabajadores de la empresa para tener una idea precisa de las condiciones que la maquina debía cumplir para el óptimo desempeño del proceso de llenado. El siguiente cuadro muestra de una manera organizada las diferentes necesidades identificadas a las cuales se les da un nivel de importancia según el criterio propio.

Cuadro 1. Necesidades identificadas e importancia

Numero Identificación de necesidades Nivel de importancia*

1 La maquina genera un proceso limpio 3 2 La maquina es de alta producción 5 3 La maquina es semiautomática 4 4 La maquina tiene espacios para futuras mejoras 3 5 La maquina es adaptable para diferentes tipos de tarros 5 6 La maquina tiene la capacidad para dosificar diferentes tipos de

aceites 5

7 La intervención del operario es mínima 4 8 La maquina posee una interfaz de usuario amigable e intuitiva 3 9 Al momento de una falla la maquina se restablece sin mayor

traumatismo 4

10 La maquina es modular para fácil mantenimiento 2 11 La maquina es de fácil transporte 2 12 La maquina presenta un proceso de dosificación rápido 4 13 La maquina genera un mínimo de perdida en el proceso 4 14 El costo de la maquina es moderado 2 15 El tamaño de la maquina optimo 3 16 La maquina indica la cantidad de liquido 3 17 La maquina valida si el tipo de tarro seleccionado es igual introducido 4 18 La maquina presenta un consumo de energía optimo 4 19 La maquina es segura y no presenta peligro alguno para el operario 4 20 La maquina presenta un diseño agradable 3 21 La vida útil de la maquina es alta 3 22 La maquina tiene control sobre el volumen dosificado 4

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Identificación de necesidades. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 73.

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3.2 ESTABLECER ESPECIFICACIONES PRELIMINARES 3.2.1 Relación medidas – necesidades. Las especificaciones técnicas son el conjunto de medidas y valores de un objeto, estas son necesarias para expresar las necesidades del usuario en un atributo medible en el producto. La siguiente tabla muestra la relación de las necesidades identificadas con las medidas y unidades correspondientes. En el Cuadro 2 se puede observar la asignación de una unidad medible a cada una de las necesidades así como las diferentes asociaciones entre ellas.

Cuadro 2. Relación medidas – necesidades

Numero Necesidades relacionadas

Métrica o Medida Unidad Importancia

1 3,17,16,13,7 Autonomía % 4 2 1,2,37,,17,13,22 Precisión % 4 3 10,11,15,19 Dimensión Cm 3 4 10,11,21 Vida útil Años 3 5 2,3,12 Velocidad de llenado mL/seg 5 6 6 Diámetros de boquilla Mm 3 7 5,6 Distancias entre boquillas Cm 4 8 11 Masa total Kg 2 9 14 Costo unidad manufacturada $ 3 10 8,20 Estética Subj* 4 11 18 Consumo de potencia eléctrica w/h 4 12 10 Tiempo de mantenimiento Min 3 13 1,13,19,21,22 Confiabilidad Subj 4 14 2,7,12,17 Tiempo de operación Horas 4 15 7,19 Seguridad Subj 5 16 4,5,6 Flexibilidad Subj 3 17 2 Cantidad de cabezales Unidades 3 18 5,22 Volumen de llenado mL 4 19 6 Capacidad de dosificación

viscosa Subj 5

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Identificación de necesidades. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 76. 3.2.2 Evaluación de satisfacción de necesidades del cliente en productos competidores (BENCHMARKING) ∗∗∗∗. Para la elaboración de esta tabla se recopilaron las especificaciones técnicas de algunos competidores que se

∗ En el anexo C se muestran las especificaciones técnicas de las maquinas de cada competidor.

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especializan en el llenado de fluidos y se compararon con las necesidades anteriormente establecidas que estas satisfacen. En el Cuadro siguiente se muestra la comparación entre los diferentes grados de satisfacción del cliente de cada una de las necesidades de dos competidores los cuales son los que tienen a nivel local productos muy similares al que se desea diseñar.

Cuadro 3. Comparación de las necesidades entre competidores según el grado de satisfacción del cliente

Numero Identificación de necesidades Nivel de importancia

Equ

itek*

DIS

EY

CO

LT

DA

1 La maquina genera un proceso limpio 3 ***** *****

2 La maquina es de alta producción 5 ***** *****

3 La maquina es semiautomática 4 ***** *****

4 La maquina tiene espacios para futuras mejoras 3 * * 5 La maquina es adaptable para diferentes tipos de

tarros 5 ***** ****

6 La maquina tiene la capacidad para dosificar diferentes tipos de aceites

5 ***** *****

7 La intervención del operario es mínima 4 **** **** 8 La maquina posee una interfaz de usuario

amigable e intuitiva 3 *** *

9 Al momento de una falla la maquina se restablece sin mayor traumatismo

4 **** ****

10 La maquina es modular para fácil mantenimiento

2 *** **

11 La maquina es de fácil transporte

2 ** ***

12 La maquina presenta un proceso de dosificación rápido

4 ***** *****

13 La maquina genera un mínimo de perdida en el proceso

4 **** ****

14 El costo de la maquina es moderado

2 *** *****

21

Cuadro 3. (Continuación). Numero Identificación de necesidades Nivel de

importancia

Equ

itek

*

DIS

EY

CO

LT

DA

15 El tamaño de la maquina optimo 3 *** *** 16 La maquina indica la cantidad de liquido 3 ***** ****

* 17 La maquina valida si el tipo de tarro seleccionado es

igual introducido 4 * *

18 La maquina presenta un consumo de energía optimo 4 **** **** 19 La maquina es segura y no presenta peligro alguno

para el operario 4 ** **

20 La maquina presenta un diseño agradable 3 **** *** 21 La vida útil de la maquina es alta 3 *** *** 22 La maquina tiene control sobre el volumen

dosificado 4 ***** ****

* Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Grafica de Benchmarking con base en la satisfacción percibida de las necesidades. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 82. 3.2.3 Evaluación de medidas en productos competidores. En el siguiente cuadro se muestra el resultado de un análisis realizado con la información técnica obtenida de los competidores según sus fortalezas y debilidades teniendo como referencia la tabla 2, en la cual a las necesidades del cliente se les asigno una unidad medible. Los valores de dicha información técnica se comparan con cada una de las necesidades y de las métricas asignadas a las mismas con anterioridad. La tabla además nos brinda información detallada acerca del estado actual de los competidores el cual permite tener como referencia para el diseño de la maquina. (Ver Cuadro 4, página siguiente),

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Cuadro 4. Evaluación de medidas en productos competidores

Numero Necesidades relacionadas Métrica o Medida Unidad Importancia Equitek DISEYCO

LTDA

1 3,17,16,13,7 Autonomía % 4 95 95 2 1,17,13,22 Precisión % 4 98 96 3 10,11,15,19 Dimensión Cm 3 300*120*80 - 4 10,11,21 Vida útil Años 3 - - 5 2,12 Velocidad de llenado L/Hora 5 1800 a 3000 5000 6 6 Diámetros de boquilla Mm 3 8 a 25 - 7 5,6 Distancias entre boquillas Cm 4 - - 8 11 Masa total Kg 2 - - 9 14 Costo unidad manufacturada $ 3 33.000.000 -

10 8,20 Estética Subj 4 Buena Buena 11 18 Consumo de potencia eléctrica w/h 4 - - 12 10 Tiempo de mantenimiento Min 3 - - 13 1,13,19,21,22 Confiabilidad Subj 4 Buena Buena 14 2,7,12,17 Tiempo de operación Horas 4 Ilimitado ilimitado 15 7,19 Seguridad Subj 5 Regular Regular 16 4,5,6 Flexibilidad Subj 3 Excelente Buena 17 2 Cantidad de cabezales Unidades 3 2 a 8 6 18 5,22 Volumen de llenado mL 4 100 A 2500 Hasta 5000

19 6 Capacidad de dosificación viscosa Subj 5 Alta Alta

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Grafica de Benchmarking con base en las medidas. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 80.

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3.2.4 Asignación de valores ideales y marginales. En la siguiente tabla se muestra la asignación de un rango de valores a cada una de las métricas que es establecieron a las necesidades anteriormente descritas (Cuadro 2.) con el objetivo de poder diseñar una máquina de fácil entrada al mercado y que pueda igualar o superar el nivel de los principales competidores. La importancia de esta tabla radica en el valores reales que la maquina puede llegar a alcanzar y se descartan los valores utópicos los cuales no favorecen al diseño de la misma.

Cuadro 5. Asignación de valores ideales y marginales

Numero Métrica o Medida Unidad Valor marginal Valor Ideal 1 Autonomía % <60 >90 2 Precisión % <98 >99 3 Dimensión (ancho x

alto x profundidad) Cm > 400cm x 297cm x

125cm < 400cm x 297cm

x 125cm 4 Vida útil Años <8 >8 5 Velocidad de llenado L/min <20 >60 6 Diámetros de boquilla Mm >19 <13 7 Distancias entre

boquillas Cm >97 <59

8 Masa total Kg >160 <50 9 Costo unidad

manufacturada $ 40.000.000 20.000.000

10 Estética Subj 1 5 11 Consumo de potencia

eléctrica w/h >1.7 <1.7

12 Tiempo de mantenimiento

Min >60 <30

13 Confiabilidad Subj <3 5 14 Tiempo de operación Horas <12 Ilimitado 15 Seguridad Subj* <3 5 16 Flexibilidad Subj <3 5 17 Cantidad de cabezales Unidade

s 1 5

18 Volumen de llenado mL <1 >1 19 Capacidad de

dosificación viscosa Subj <3 5

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Especificaciones objetivo. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 84. 3.2.5 Establecer especificaciones preliminares . El cuadro que se muestra a continuación surge a partir de los resultados obtenidos en dos métodos diferentes, el primero basado en las especificaciones de la competencia y el segundo basado en el método QFD, el cual hace una relación entre las necesidades del cliente y los productos ya existentes en el mercado arrojando un resultado muy acertado frente a los productos ya posicionados en el mercado.

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Cuadro 6. Especificaciones preliminares

Numero Métrica o Medida Unidad Valor %

Imp. 1 Autonomía % 95 9,5

2 Precisión % 99.5 11.4

3 Dimensión (ancho x alto x

profundidad) Cm

400cm x 297cm x 125cm

2.2

4 Vida útil Años 15 2.5 5 Velocidad de llenado mL/seg 500 5.4

6 Diámetros de boquilla mm Entre 13.5 y 33 1.9

7 Distancias entre boquillas Cm Entre 60 y 100 4.8 8 Masa total Kg 50 0.4 9 Costo unidad manufacturada $ 20.000.000 2.7 10 Estética Subj 5 4.7

11 Consumo de potencia

eléctrica w/h 1.5 4.2

12 Tiempo de mantenimiento Min 30 2.2 13 Confiabilidad Subj 5 8.9 14 Tiempo de operación Horas Ilimitado 10.9

15 Seguridad Subj 5 6.2 16 Flexibilidad Subj 5 5.0

17 Cantidad de cabezales Unidades 5 4.3 18 Volumen de llenado mL Entre 500 y 4000 6.9

19 Capacidad de dosificación

viscosa Subj 5 5.8

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Especificaciones preliminares. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 90.

3.3 GENERACIÓN DE CONCEPTOS En esta etapa del proceso de diseño se pretende dar soluciones mediante una lluvia de ideas generadas por el grupo a cada una de las subfunciones que se identifiquen como criticas en el proceso, por medio de búsquedas de información en diferentes medios físicos y virtuales.

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3.3.1 Clarificación del problema • Descripción del producto. Diseño de maquina llenadora semiautomática de fluidos viscosos • Necesidades - Maquina semiautomática - Dosifica productos viscosos - Ajustable a diferentes tipos de envases - Es de alta producción - Permite ampliar el numero de cabezales - Sus boquillas se mueven en x para garantizar el llenado de diferentes tipos de

envases. • Especificaciones Preliminares - Llena volúmenes entre 500 y 4000 mL - Velocidad de llenado 500 mL/s - Llena envases con diámetros de boquilla entre 13.5 y 33 mm - Dimensiones (ancho, alto y Prof.) 200 cm x 297 cm x 125 cm - Llena diferentes tipo de aceites - Los diferentes tipos de aceites no se mezclan entre un proceso y otro. 3.3.2 Descomposición del problema. En esta parte se realiza una vista general de la maquina como un todo o caja negra en la que solo se puede visualizar sus entradas y salidas sin detallar lo que pasa en su interior.

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3.3.2.1 Diagrama de caja negra

Figura 2. Diagrama de Caja Negra

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Caja negra general. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 102.

3.3.2.2 Descomposición funcional. Consiste en analizar cada una de las partes del proceso que debe realizar la maquina como subfunciones individuales que permitan solucionar de manera precisa cada una de las funciones criticas del proceso. (Ver Figura 3, página siguiente).

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Figura 3. Descomposición funcional

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Depuración que muestra subfunciones. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 1022.

3.3.3 Subfunciones criticas. Luego de descomponer el proceso en subfunciones individuales y con base en las necesidades más importantes identificadas anteriormente,, se han identificado alguna de estas como criticas debido a que son en cierta forma la base de todo el proceso y un mal funcionamiento de estas ocasionaría una desviación en el cumplimiento de los objetivos planteados y en las especificaciones finales de la máquina, teniendo en cuenta lo anterior las subfunciones identificadas como criticas son: - Encajar boquillas y dosificadores - Dosificar fluido - Controlar

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3.3.4 Generación de conceptos para las subfunciones. La generación de conceptos por medio de una lluvia de ideas para cada una de las subfunciones criticas fue la opción adoptada en este proceso de diseño el cual posteriormente y por combinación de cada uno de los conceptos nos arrojara cual de las combinaciones es la ideal para el desarrollo de la máquina. 3.3.4.1 Generación de conceptos para Posicionar Boquillas y Dosificadores. En esta subfunción la precisión juega un papel muy importante ya que las boquillas de los dosificadores deben quedar perfectamente alineados para garantizar que no se presenten perdidas del fluido y el volumen deseado en cada envase. Los conceptos generados para esta subfunción son: - Banda con separadores. - Banda en forma de acordeón. - Movimiento de los dosificadores por medio de un tornillo sin fin y piñones sobre un riel. - Bandeja con separadores dependiendo del tipo de tarro. - Movimiento de los dosificadores por parte del operario. • Concepto A: Con este concepto se pretende ubicar los envases de forma manual sobre marcas dibujadas en una banda transportadora que representen las distancias de los diferentes tipos de tarros para que el operario sepa dónde ubicarlos con el fin de que encajen perfectamente con los dosificadores.

Figura 4. Concepto A para posicionamiento de boquillas

Tipo de envase A Tipo de envase B

Banda con marcas según tipo de envase

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• Concepto B: Con este concepto se pretende ubicar los envases debajo de los dosificadores debido al movimiento tipo acordeón que realiza la banda transportadora el cual garantiza la ubicación exacta de los envases, dependiendo del tipo de envase. Una vez la banda posiciona el envase esta detiene su movimiento, el tiempo necesario para el llenado.

Figura 5. Concepto B para posicionamiento de boquillas

• Concepto C: Con este concepto se pretende ubicar los dosificadores sobre las boquillas de los envases utilizando un tornillo sin fin para generar el movimiento en Y de los dosificadores y para generar el movimiento en X se pretende utilizar piñones los cuales se desplazarían sobre un riel.

Figura 6. Concepto C para posicionamiento de boquillas

Banda forma de acordeón: se estira o encoje dependiendo del tipo de envase a dosificar

Dosificador

Piñón

Tornillo sin fin

Riel

Dosificador

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• Concepto D: Tener bandejas con el espacio justo para cada tipo de envase y cantidad determinada de espacios para los envases que se deseen llenar al tiempo, en este concepto el operario debe ubicar manualmente los envases dentro de las bandejas y retirarlos luego de terminar el proceso para así poder reutilizar las mismas.

Figura 7. Concepto D para posicionamiento de boquillas

• Concepto E: El operario deberá posicionar y ajustar los dosificadores de forma manual según el tipo de envase a llenar, sobre un riel o soporte de desplazamiento que posee la maquina el cual tiene unas marcas o guías previamente establecidas, permitiendo que la ubicación de los envases y los dosificadores sea la ideal. Los envases se ubicaran uno tras otro sobre la banda transportadora y estos serán puestos en grupos por dos topes luego de que un foto sensor detecte su posición. (Ver Figura 8, página siguiente).

Bandeja Banda transportadora

Dosificador

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Figura 8. Concepto E para posicionamiento de boquillas

En la siguiente figura se muestra de una manera más clara lo descrito con anterioridad. 3.3.4.2 Árbol de clasificación de conceptos – Posicionar boquillas y dosificadores

Figura 9. Árbol de clasificación para los conceptos de posicionar boquillas y dosificadores.

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Arbol de clasificacion. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 112.

Soporte o riel con guías

Banda transportadora

Dosificado

Tornillo de ajuste

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3.3.4.3 Conceptos generados para dosificar fluido. En esta subfunción se debe tener en cuenta que la cantidad de fluido a dosificar debe ser siempre la misma y que la velocidad de llenado este acorde con las especificaciones previamente establecidas, también se debe tener presente la viscosidad del producto y si este presenta o no espuma al momento del llenado ya que de esto ser así se debe llenar desde el fondo del envase. Los conceptos generados para esta subfunción son: - Realizar el llenado de los envases por efecto de la gravedad. - Tornillo sin fin dentro de un cilindro - Pistones neumáticos - Motores lineales • Concepto A: Consiste en instalar una electro válvula en una tolva auxiliar de almacenamiento la cual, simplemente permitiría o no el paso del líquido a través de ella, permitiendo así el llenado de los envases debido a la gravedad.

Figura 10. Concepto A para dosificar fluido

• Concepto B: En este concepto se tiene un tornillo sin fin que por medio de su rotación la cual le proporciona un motor expulsa el líquido depositado dentro del cilindro permitiendo de esta manera tener un control en la cantidad de fluido dosificado y la velocidad con que este se dosifica.

Electro válvula

Tolva auxiliar

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Figura 11. Concepto B para dosificar fluido

• Concepto C: En este concepto un cilindro neumático se encarga succionar el líquido por medio de un movimiento uniforme, siendo este mismo quien se encarga de expulsarlo posteriormente, el liquido pasa de la tolva de almacenamiento al cilindro dosificador a través de una válvula unidireccional la cual permite que el fluido únicamente circule hacia el cilindro dosificador y no se devuelva al momento que el pistón realice la tarea de expulsión del mismo. La velocidad de dosificación depende la presión que suministre el circuito neumático vinculado a este y el volumen depende del desplazamiento que haga el vástago del cilindro y esto puede hacerse colocándole un tope ajustable a la medida que se requiera, adicional a este se debe colocar una válvula unidireccional entre la tolva y el cilindro contenedor para evitar de esta manera que el fluido se devuelva al depósito. (Ver Figura 12, página siguiente).

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Figura 12. Concepto C para dosificar fluido

• Concepto D: Los motores lineales realizan las mismas funciones que un pistón neumático, las cuales son succionar y dosificar el líquido de una tolva, este tipo de motores permiten controlar su posición de manera eléctrica y no mecánica como debe hacerse con los pistones además pueden conseguirse velocidades, potencia y precisión muy superiores a los pistones neumáticos. 3.3.4.4 Árbol de clasificación de conceptos para la subfunción dosificar fluido

Figura 13. Árbol de clasificación para conceptos de dosificar fluido


Cilindro neumático Cilindro dosificador

Válvula unidireccional

Tolva de almacenamiento auxiliar

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3.3.4.5 Conceptos generados para controlador. Esta subfunción se encargada de la comunicación del dosificador por medio de señales de periféricos y dispositivos de instrumentación, es el encargado de la parte inteligente del proceso, el controlador analiza estas señales las procesa y envía respuestas según lo programado. Los conceptos generados para el controlador son los siguientes: - Familia de Microcontroladores - Controladores Industriales (PLC’s) 3.3.4.6 Árbol de clasificación para subfunción controlador

Figura 14. Árbol de clasificación para conceptos de controlador


3.3.5 Combinación de conceptos. En la siguiente tabla se muestran de manera ordenada los conceptos generados para cada una de las subfunciones críticas

Cuadro 7. Organización de conceptos generados

ENCAJAR BOQUILLAS Y DOSIFICADORES

DOSIFICAR FLUIDOS

CONTROL

Banda con separadores Gravedad Microcontroladores

Banda en forma de acordeón Tornillo sin fin Controladores industriales

Tornillo sin fin y piñones sobre riel Válvula neumática Bandeja con separadores Motores lineales

Manual

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Cuadro 8. Combinación de conceptos

Concepto Encajar boquillas y

dosificadores Dosificar fluidos

Control

Concepto A Banda con separadores Gravedad Microcontroladores Concepto B Banda con separadores Gravedad PLC Concepto C Banda con separadores Tornillo sin fin Microcontroladores Concepto D Banda con separadores Tornillo sin fin PLC

Concepto E Banda con separadores Válvula

neumática Microcontroladores

Concepto F Banda con separadores Válvula

neumática PLC

Concepto G Banda con separadores Motores lineales

Microcontroladores

Concepto H Banda en forma de acordeón Motores lineales

PLC

Concepto I Banda en forma de acordeón Gravedad Microcontroladores Concepto J Banda en forma de acordeón Gravedad PLC Concepto K Banda en forma de acordeón Tornillo sin fin Microcontroladores Concepto L Banda en forma de acordeón Tornillo sin fin PLC

Concepto M Banda en forma de acordeón Válvula


Concepto N Banda en forma de acordeón Válvula

neumática PLC

Concepto O Banda en forma de acordeón Motores lineales

Microcontroladores

Concepto P Tornillo sin fin y piñones sobre riel Motores lineales

PLC

Concepto Q Tornillo sin fin y piñones sobre riel Gravedad Microcontroladores Concepto R Tornillo sin fin y piñones sobre riel Gravedad PLC Concepto S Tornillo sin fin y piñones sobre riel Tornillo sin fin Microcontroladores Concepto T Tornillo sin fin y piñones sobre riel Tornillo sin fin PLC

Concepto U Tornillo sin fin y piñones sobre riel Válvula


Concepto V Tornillo sin fin y piñones sobre riel Válvula

neumática PLC

Concepto W Tornillo sin fin y piñones sobre riel Motores lineales

Microcontroladores

Concepto X Bandeja con separadores Motores lineales

PLC

Concepto Y Bandeja con separadores

Gravedad Microcontroladores

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Cuadro 8. (Continuación)

Concepto Encajar boquillas y

dosificadores Dosificar fluidos

Control

Concepto Z Bandeja con separadores Gravedad PLC Concepto AA Bandeja con separadores Tornillo sin fin Microcontroladores

Concepto AB Bandeja con separadores Válvula

neumática PLC

Concepto AC Bandeja con separadores Válvula


Concepto AD Bandeja con separadores Motores lineales

PLC

Concepto AE Bandeja con separadores Motores lineales

Microcontroladores

Concepto AF Manual Gravedad PLC

Concepto AG Manual Gravedad Microcontroladores

Concepto AH Manual Tornillo sin fin PLC

Concepto AI Manual Tornillo sin fin Microcontroladores

Concepto AJ Manual Válvula

neumática PLC

Concepto AK Manual Válvula


Concepto AL Manual Motores lineales

PLC

Concepto AM Manual Motores lineales

Microcontroladores

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Tabla de combinación de conceptos. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 114. 3.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS En primera instancia se puede observar que algunas de la combinaciones no cumplen con las especificaciones previamente establecidas y por tal motivo estas han sido descartadas con base en una decisión personal, luego por medio de la evaluación hecha en la matriz de tamizaje y la matriz de evaluación de conceptos se seleccionara el concepto final que en teoría es el ideal para desarrollar la máquina pero también se deberá tener en cuenta factores como la capacidad económica de la empresa y la disposición de los materiales y equipos.

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3.4.1 Selección personal. Los criterios A, B, C, E, G, I, J, K, M, O, Q, R, S, U, W, Y, Z, AA, AC, AE, AF, AG, AI, AK y AM fueron descartados a criterio personal por no cumplir con muchos de los requerimientos necesarios para el cumplimiento de los objetivos. Se decidió eliminar los conceptos que en la subfunción controlador requieran de un microcontrolador ya que esto limita la máquina para futuras mejoras o expansiones además el número de horas ingeniero requeridas para la puesta en marcha y mantenimiento es mayor que las requeridas para un PLC. También se descartaron los conceptos que pretendían hacer la dosificación por efecto de la gravedad ya que la idea es mejorar considerablemente los tiempos de llenado actuales. 3.4.2 Matriz de tamizaje de conceptos. Esta matriz de selección evalúa los criterios de selección por medio de pesos o ponderaciones, para el tamizaje los criterios son: + mejor que, 0 igual que, - peor que, al final la suma de positivos y negativos definirá el orden para así determinar los conceptos que continúan. En el Cuadro 9, se seleccionó como referencia el concepto F (ver cuadro 8) ya que muchas de las maquinas de este tipo que se encuentran en el mercado presentan características muy similares a esta.

Cuadro 9. Matriz de tamizaje de conceptos

CRITERIOS DE SELECCIÓN Conceptos

D H L N P T V X AB AD F

(ref.) Autonomía 0 0 + + + 0 0 + - - 0

Rango de capacidad volumétrica 0 0 0 0 0 + + + 0 0 0

Tamaño y peso adecuados - + - - - - - - 0 - 0 Flexibilidad - + - - - 0 + + - 0 0

Capacidad de dosificación viscosa

0 + 0 0 + 0 0 + + 0 0

Velocidad de llenado 0 + - 0 + - 0 + - 0 0 Precisión - 0 - 0 + - 0 + - 0 0

Velocidad de transporte de envases

0 0 - - - 0 0 0 - - 0

Positivos 0 4 1 1 4 1 2 6 1 0 0 Iguales 5 4 2 4 1 4 5 1 2 5 8

Negativos 3 0 5 3 3 3 1 1 5 3 0 Total -3 4 -4 -2 1 -2 1 5 -4 -3 0

Orden 8 3 11 7 4 6 5 1 10 9 ¿Continuar? NO SI NO NO SI NO SI SI NO NO

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Matriz de tamizaje. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 130. El cuadro anterior muestra que los conceptos D, L, N, T, AB, AD no serán tenidos en cuenta ya que afectan de manera negativa el desempeño de la maquina, para

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el resto de las combinaciones se hará un análisis un poco más detallado posteriormente. 3.4.3 Matriz para la evaluación de conceptos. Para la matriz de evaluación los criterios: 1 mucho peor que, 2 peor que, 3 igual a, 4 mejor que, 5 mucho mejor que. Se establece una ponderación para cada criterio de selección y se multiplica por la evaluación correspondiente, esto determinará el total para cada concepto y se escoge el óptimo para desarrollar (ver Cuadro 10, página siguiente).

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Cuadro 10. Matriz de evaluación de conceptos

Variantes de Conceptos

H P V X F (ref.)

Criterios de

selección

Ponderación

(%)

Nota Criterio

ponderado

Nota Criterio

ponderado

Nota Criterio

ponderado

Nota Criterio

ponderado

Nota Criterio

ponderado

Autonomía 10 3 0.3 4 0.4 5 0.5 5 0.5 4 0.4

Rango de capacidad

volumétrica

10 3 0.3 4 0.4 5 0.5 5 0.5 3 0.3

Tamaño y peso

ideales

5 4 0.2 2 0.1 2 0.1 3 0.15 3 0.15

Capacidad de

dosificación viscosa

15 5 0.75 5 0.75 4 0.6 5 0.75 4 0.6

Costo 5 2 0.1 2 0.1 2 0.1 2 0.1 3 0.15

Velocidad de llenado 20 5 1 5 1 3 0.6 5 1 3 0.6

Flexibilidad 10 3 0.3 2 0.2 3 0.3 4 0.4 3 0.3

Precisión 15 5 0.75 5 0.75 3 0.45 5 0.75 3 0.45

Facilidad de uso 10 3 0.3 4 0.4 4 0.4 5 0.5 4 0.4

Total 4.0 4.1 3.55 4.65 3.35

Orden 4 2 5 1 6

¿Continuar? NO NO NO DESARROLLAR NO

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Matriz de puntuación de conceptos. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 134.

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De la anterior evaluación se puede observar que el concepto X es el más pertinente para desarrollar ya que este cumple a cabalidad con las especificaciones requeridas por la empresa. Se debe tener en cuenta que los conceptos AL, AJ y AH no se incluyeron en el proceso de selección ya que estos involucran el posicionamiento manual de los dosificadores aunque no fueron completamente descartados ya que podrían ser aun alternativa válida teniendo en cuenta las condiciones económicas de la empresa. 3.4.4 Especificaciones finales. Después de seleccionado el concepto se realizan algunos cambios a las especificaciones finales, que definen las características de la máquina, estas dependen del concepto seleccionado y se ajustan de acuerdo a sus características. Se numeran en orden de acuerdo a la importancia generada en el método QFD (ver anexo C). Las especificaciones finales coinciden exactamente con las preliminares (ver Cuadro 6).

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4. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA

4.1 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

En esta etapa del proceso de diseño se determina si la arquitectura del producto es modular o integral, el tipo de modularidad, la asignación de funciones a los conjuntos y otros aspectos serán oportunamente tratados en esta etapa del proceso de diseño. Para este proyecto se planteó que lo más importante es la flexibilidad de la máquina ya que se requiere espacio para futuras mejoras tales como: adición de dosificadores, adaptabilidad a nuevos tipos de aceites, la posibilidad de llenar diferentes tipos de aceite al mismo tiempo y la posibilidad de hacer un control de calidad automático a los envases dosificados, estas son razones de peso por las cuales después de analizar todas las futuras mejoras que se le pueden realizar a la maquina, se llego a la conclusión que el proyecto debe estar enfocado hacia una estructura modular para garantizar que las futuras mejoras que se le realicen no causen mayor dificultad a la hora de realizar dichos cambios. 4.1.1 Interacciones entre elementos físicos y funcionales (Ver Figura 15, página siguiente).

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Figura 15. Interacción entre elementos físicos y funcionales

Aunque estas interacciones muestran que existen algunas relaciones entre elementos físicos y funcionales se debe dejar claro que no se trata de un diseño con arquitectura integral. Estas relaciones se dan simplemente porque de alguna forma la relación de los elementos físicos con algunos funcionales garantizan el buen funcionamiento del sistema, formando módulos independientes que realizan funciones específicas que al momento de interactuar desarrollan la función principal. La arquitectura modular la define la flexibilidad de todos y cada uno de sus conjuntos o subsistemas, logrando realizar futuras mejoras y así garantizar un aumento en la producción y desempeño de la maquina. 4.1.2 Esquema de grupos de elementos a conjunto. En la siguiente figura se pueden observar a los elementos físicos con sus respectivos flujos de señales y el

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grupo al cual pertenecen. Estos elementos se agrupan según sus funciones y la relación que exista con los demás elementos seleccionados, estas relaciones las podemos establecer por medio del flujo de señales, flujo de fuerzas y energía o flujo de materiales.

Figura 16. Grupos de elementos en conjuntos

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Diagrama esquemático. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 172.

4.1.3 Distribución geométrica (Layout). Permite determinar si es posible la distribución y ubicación en un espacio dado, o estudiar otras posiciones en caso de haber interacciones físicas incidentales entre los conjuntos que afecten el funcionamiento de la máquina (ver figura 18 y 19).

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Figura 17. Distribución geométrica, vista frontal

Figura 18. Distribución geométrica, vista lateral

4.1.4 Interacciones entre productos. Existen dos tipos de interacciones, fundamentales e incidentales, la primera es necesaria para el perfecto funcionamiento de la planta (ver figura 19). La segunda surge de la implementación física o por la distribución geométrica de los conjuntos que al

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interactuar causan algún efecto negativo sobre algún conjunto. En la siguiente tabla se muestran las posibles interacciones incidentales de la máquina.

Figura 19. Interacciones incidentales entre conjuntos

Fuente: Tomado de formato de ULRICH, Karl. Diagrama de interacción incidental. Diseño y desarrollo de productos. México, 2004. p. 176. 4.1.5 Descripción de las interacciones. Para todas las descripciones que se muestran a continuación están referenciadas con base a la figura 19. • Interacción 1: Debido a que el fluido se dejara caer por efecto de la gravedad dentro de la tolva al momento de realizar el llenado de la tolva se presenta una vibración casi despreciable. • Interacción 2-1: El controlador distorsiona térmicamente el chasis debido al calentamiento de algunos de sus componentes. • Interacción 3-1: La interferencia RF es producida por la fuente de alimentación o circuito de potencia, si no se tiene una buena protección esto puede ocasionar pulsos falsos debido al ruido. • Interacción 4-1: Esta interacción no ocurriría siempre y cuando se tenga una distancia adecuada entre la boquilla de los envases y los dosificadores. Si llegara a ocurrir esta obstrucción, se podría ver seriamente afectada la punta de los dosificadores, la boquilla de los tarros o la banda transportadora.

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4.2 DISEÑO INDUSTRIAL (DI) En esta etapa del diseño concurrente se debe crear y desarrollar conceptos y funciones las cuales logren optimizar las diferentes etapas del sistema, logrando con esto beneficiar al usuario y al fabricante. El diseño industrial tiene unos objetivos los cuales son de gran ayuda en el desarrollo de un producto, estos son: Utilidad, apariencia, facilidades de mantenimiento, Bajo costo, Comunicación. • Utilidad: garantizar que la interfase con el usuario debe ser segura, fácil de usar e intuitiva. • Apariencia: El propósito de esta es lograr que el producto final logre ser agradable.

• Facilidad de mantenimiento: Poder comunicar de forma sencilla como será su mantenimiento y reparación.

• Bajo costo: La forma y las características del producto influyen en el costo de producción. • Comunicación: El producto debe comunicar su misión por medio de su apariencia visual.

El diseño industrial puede ser una herramienta muy importante para el comprador debido a la comunicación que el producto brinda en su aspecto visual, logrando por medio de esta diferenciar las cualidades del producto con mayor facilidad. Para que un producto sea exitoso debe tener ciertas cualidades diferenciadoras que lo hacen competitivo, a continuación se nombran las más importantes: - Tamaño y peso moderado. - Características de funcionamiento. - Superior ergonomía. - Durabilidad - Fácil de fabricar - Buena apariencia. A continuación se procede a evaluar el nivel de importancia del DI del producto según las necesidades ergonómicas y estéticas, la primera se relaciona con todos los aspectos de las interfaces con los humanos; la segunda se relaciona con el impacto visual que produce el producto.

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Al momento de realizar la evaluación de las necesidades ergonómicas es necesario hacer los siguientes cuestionamientos: • ¿Cuán importante es la facilidad de uso? • ¿La facilidad de mantenimiento? • ¿Cuántas interacciones se requieren con el usuario para hacer que el producto funcione? • ¿Cuánta novedad involucran esas interacciones? • ¿Cuáles son los aspectos de seguridad a considerar? Al momento de realizar la evaluación de las necesidades estéticas también es necesario hacer ciertos cuestionamientos: • ¿Se requiere una diferenciación visual del producto? • ¿Cuán importante es el orgullo de posesión, la imagen y la moda? • ¿Podría la estética del producto motivar al equipo de desarrollo? 4.2.1 Valoración del diseño industrial

Figura 20. Valoración del diseño industrial

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4.2.2 Clasificación del producto

Figura 21. Clasificación del producto

Este producto es dominado por la tecnología, debido a que su beneficio principal está basado en la tecnología o su habilidad de acometer una terea técnica especifica; Para el equipo de desarrollo los requerimientos ingenieriles y técnicos predominan sobre los otros. 4.2.3 Evaluación de la calidad del diseño industrial. Para realizar esta evaluación de la calidad de DI en la maquina dosificadora de líquidos viscosos se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos: • Calidad de las interfaces de usuario: al realizar este punto de la evaluación se puede saber cuán fácil es usar el producto. En el preciso momento en el cual el usuario observe el producto este podrá reconocer su funcionalidad y modo de operación. • Requerimientos emocionales: evalúa los requerimientos emocionales del consumidor. El producto es atractivo a simple vista, ya que en todas sus partes se logra observar la calidad del diseño, posee apariencia tecnológica e inspira orgullo de posesión al usuario y al grupo de desarrollo. • Facilidades de mantenimiento y reparación: aunque el producto es de fácil mantenimiento por su modularidad es importante que el mantenimiento del mismo sea realizado por personal capacitado, el usuario no debe ser el encargado de realizar esta tarea, a menos que reciba la respectiva capacitación del caso. • Uso apropiado de recursos: evalúa cuán bien han sido utilizados los recursos para satisfacer las necesidades del cliente. Los materiales seleccionados en el diseño son los más apropiados. La dosificación del líquido está diseñada a la medida y no se ha despreciado ninguna característica. El diseño del producto cumple con los aspectos legales y ambientales para su fabricación y funcionamiento.

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• Diferenciación del producto: evalúa la exclusividad del producto y su consistencia con la identidad corporativa. El cliente podrá diferenciar el producto con solo mirarlo, debido a la calidad e innovación que este posee.

Figura 22. Diferenciación del producto

4.3 DISEÑO PARA MANUFACTURA En este apartado se explicara el conjunto de técnicas que se emplean desde la fabricación y la puesta en marcha de la planta hasta su posterior retiro, se tendrán en cuenta los problemas presentados y se plantearan soluciones para estos. 4.3.1 Análisis de diseño para manufactura. Esta máquina está siendo diseñada para el sector industrial encargado de la fabricación de aceites para motores, sin embargo se busca que pueda encajar perfectamente en cualquier tipo de sector industrial como el de los alimentos, por lo tanto el material ideal para esta aplicación es el acero inoxidable ya que tiene propiedades físicas que son beneficiosas tanto para el sector industrial como para el sector alimenticio o para cualquier otro tipo de industria.

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También se debe tener presente que variables como el peso y los costos juegan un papel importante en este proceso, por eso la importancia de escoger los materiales y equipos adecuados que me representen una vida útil considerable y que garanticen la economía de la máquina al pasar del tiempo. Otro ejemplo de esto puede observarse en el conjunto dosificadores-envases ya que una medida errónea de las distancia puede ocasionar perdidas y por ende dinero. El programa que controla la planta se hizo lo mas modular posible tratando de independizar algunos procesos, esto con el objetivo reducir las horas ingeniero en caso de que se desee adicionar un dosificador o algún otro módulo. 4.3.2 Modelo del sistema de manufactura

Figura 23. Modelos del sistema de manufactura

4.3.3 Estimación de los costos de manufactura. En apartados anteriores de este documento se tomo como alternativa de implementación un concepto que impulsaba el movimiento de los dosificadores de manera automática por medio de

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un tornillo sin fin el cual realizaba el movimiento de los dosificadores en el eje Y, y un riel por el cual se desplazarían sobre el eje X cada uno de los pistones de manera individual impulsados por tantos motores paso a paso como numero de dosificadores existan. Debido a la cantidad de partes que tiene esta solución y teniendo en cuenta la situación económica de la empresa esta decidió que la solución anteriormente descrita no sería implementada y que el movimiento de los dosificadores se haría de forma manual por parte del operario justo antes del proceso de dosificación ya que este movimiento no se realiza de manera constante si no únicamente cuando se cambia el tipo de envase. Con base en esta información se decidió a realizar la cotización de los elementos necesarios para la implementación de la máquina. 4.3.3.1 Costo de los componentes. Algunos de los componentes son comerciales y se encuentran en el mercado a precios favorables. Es recomendable adquirir elementos estandarizados debido a que el costo de manufactura en un taller industrial es elevado. Otra ventaja es que estos componentes cumplen normas internacionales y poseen especificaciones, las cuales son de vital información para el diseño. El siguiente es un cuadro con los precios de los componentes que pueden adquirirse fácilmente en el mercado.

Cuadro 11. Costo de los elementos comerciales

Component es Unidades Costo Unidad Costo Total

Sensores de nivel 2 250.000 500.000 Electro válvulas 10 172.250 1.722.500

Banda transportadora 1 2.000.000 2.000.000 Válvulas unidireccionales 5 511.000 2.555.000

Mangueras de alimentación (m) 10 22.000 220.000 Controlador 1 3.128.000 3.128.000

Fuente de alimentación 1 50.000 50.000 interfaz de usuario 1 50.000 50.000

Pistones de doble vástago 5 544.750 2.723.750 Pistones de vástago sencillo 2 118.000 236.000

Foto sensor 1 250.000 250.000 Finales de carrera p ara pistones 7 98.000 686.000

Interruptor tipo Hongo 1 12.000 12.000 Luego de identificar las partes que se consiguen fácilmente en el mercado se deben seleccionar las partes que hay que mandar a fabricar. En la siguiente tabla

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se muestra el listado de costos de los elementos a los que se les debe hacer maquila.

Cuadro 12. Costo de elementos no comerciales

Pieza Proceso Costo Chasis soldadura 350.000

Tubo con boquilla dosificadora Torno Fresa y doblado 170.000 Cilindro de dosificación Rectificación y torno 138.000

Tolva cónica Corte, Soldadura y torno 250.000 Embolo Torno fresa 150.000

Cuadro 13. Costo Total

Tipo de elementos Valor Comerciales 14.133.250 No comerciales 1.058.000

Total 15.191.250 Cabe resaltar que las cotizaciones fueron hechas en compañías como Micro S.A., Scheneider Electric, entre otras, las cuales proveen este tipo de componentes a muchas empresas dedicadas a la construcción de este y otros tipos de maquinas en la región; se escogieron estas compañías por el respaldo que estas al momento de un mal funcionamiento podrían brindar. 4.3.3.2 Costos Fijos. Los costos fijos son mínimos; en el caso de los costos de aseguramiento no se requirió inversión; existieron solo algunos costos indirectos como transporte, asesorías, internet, consultas telefónicas y gastos en pruebas de laboratorio. 4.3.4 Reducción de costos de manufactura. El rediseño de componentes para eliminar etapas de procesamiento es clave durante el proceso de diseño, pero requiere investigar o cotizar nuevos sistemas que cumplan con la especificación establecida, aunque esta reducción se ha hecho de manera indirecta con anterioridad se considera que para la subfunción posicionar boquillas y dosificadores, el foto sensor escogido con anterioridad el cual es el encargado de detectar la presencia de los envases, por su elevado costo, sería remplazado por un circuito conformado básicamente por un diodo infrarrojo, un foto transistor y un

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comparador (LM339) alimentado con 24 V que es el voltaje de operación del controlador. En el siguiente cuadro se muestra la reducción de costos efectuada.

Cuadro 14. Reducción de costos

COMPONENTE ACTUAL COSTO 1 ($) COMPONENTE

MODIFICADO COSTO 2 ($)

FOTO SENSOR 250.000 CIRCUITO CON INFRARROJO 12.000

En la reducción de costos mostrada anteriormente, se puede observar que el ahorro con el cual contaría la empresa seria de $238.000 esto hace que el costo total de la maquina sea $14.953.250 y no $15.191.250 como se muestra en la tabla 20.

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5. DISEÑO DETALLADO 5.1 SELECCIÓN DE MATERIALES Los materiales que se tuvieron en cuenta en el diseño de este proyecto, fueron seleccionados para ser aptos al momento de entrar en contacto con los diferentes tipos de aceites que intervienen en el proceso. Aunque existen diversos tipos de materiales que cumplen con normas internacionales para estar en contacto con estos tipos de aceites los cuales son derivados del petróleo se tomó la decisión de utilizar acero inoxidable 316, por ser el material utilizado en la industria de alimentos y esto hace que la maquina sea universal. A continuación se dilucida las propiedades del acero inoxidable 316. • Acero inoxidable 316: este es un material perteneciente a la familia de las aleaciones de hierro resistentes a la corrosión y que contiene un mínimo de un 11% de cromo. Es este contenido en cromo el que confiere al acero inoxidable la capacidad resistente a la corrosión a través de la formación de una película superficial pasivante, que se adhiere a la superficie y se auto sella cuando se daña. La resistencia a la corrosión hace del acero inoxidable un material muy adecuado cuando el factor medioambiental es determinante en la selección del material ya que tiene un ciclo de vida mayor y requiere un menor mantenimiento que otros tipos de acero.

Cuadro 15. Propiedades del acero inoxidable 316

Fuente: POSADA, Alejandro. Analizador de electrolitos: propiedades del acero inoxidable 316. Trabajo de grado Ingeniero Mecatrónico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2005.p.85.

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5.2 DISEÑO MECÁNICO Para realizar el diseño mecánico se tuvo principalmente en cuenta los requerimientos del cliente, también los resultados arrojados en la etapa de diseño industrial y el análisis de fuerzas en las subfunciones mas criticas. Para determinar la fuerza necesaria de cada pistón al momento de dosificar, se realizaron pruebas de viscosidad a cada uno de las sustancias que se pretende dosificar con el objetivo de obtener los datos para resolver las ecuaciones correspondientes. Estas ecuaciones fueron resueltas solo con la sustancia mas viscosa ya que es la que mayor fuerza requiere. (Ver Cuadro 16).

Figura 24. Prueba de viscosidad

5.2.1 Propiedades reológicas del fluido a dosificar. Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, estas determinan las

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propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo. Las propiedades reológicas se definan a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se va deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Dicho sistema de fuerzas se representa matemáticamente mediante el esfuerzo cortante “ xyτ ” mientras que la respuesta dinámica del fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformación “D”.

Figura 25. Detalle del movimiento del fluido

Fuente: Introducción a la reología. Deformación de un fluido [en línea]. Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en internet: http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/pcf_reologia/anexo1.doc

Tipo de fluido: existen tres tipos de fluidos Newtonianos, no Newtonianos y Viscoelásticos, el tipo lo define la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación que viene dada por la ecuación:

dt

duxy µτ =

Siendo xyτ = esfuerzo cortante (mPa)

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µ = viscosidad dinámica del fluido (mPa-s) du/dt = velocidad de deformación del fluido (s-1) = D Nota: Estas unidades son las más usadas en reología. En el siguiente esquema se muestra los tipos de fluidos existentes en reología.

Figura 26. Tipos de fluidos

Viscosidad: se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido, es decir, la capacidad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza.

dy

dv

A

F η=

Donde η es el coeficiente de viscosidad que depende del flujo1.

1 Introducción a la reología. Deformación de un fluido [en línea]. Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en internet: http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/pcf_reologia/anexo1.doc

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Según el análisis reológico (ver figura 26) el aceite fabricado por la empresa que presenta mayor viscosidad es newtoniano ya que sus curvas de fluidez y viscosidad (esfuerzo de corte versus velocidad de corte y viscosidad versus velocidad de corte respectivamente) teóricamente se pueden ajustar perfectamente a las mostradas en la figura 27.

Figura 27. Curvas de fluidez y viscosidad

Fuente: Introducción a la reología. Deformación de un fluido [en línea]. Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/pcf_reologia/anexo1.doc (Ver Cuadro 16, página siguiente).

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Cuadro 16. Resultados prueba de viscosidad

Tipo de Aceite Velocidad RPM

Viscosidad cP

Velocidad de corte D (s -1)

Esfuerzo de corte τ

(dinas/cm2)

Monogrado SAE 50

100 657000 1.67 1097.19

60 656700 1.00 656.7

50 656000 0.83 544.48

30 653300 0.50 326.65

Viscosidad, esfuerzo y velocidad de corte promedio 655750 1.00 655.75

5.2.2 Análisis de fuerza dentro del sistema dosificador. Si se supone un embolo de radio r dentro de un cilindro de radio R y longitud L, se obtienen las siguientes fuerzas sobre el pistón • Fuerza debido a la presión

PrF ∆⋅⋅= 2π • Fuerza debido a la viscosidad

rLdr

dVF πη 2⋅⋅−=

Al igualar las fuerzas obtenemos:

L

rP

dr

dVrL

dr

dVPr

ηπηπ

222 ⋅∆−=⇒⋅⋅−=∆⋅⋅

Luego de despejar el diferencial del volumen e integrar con respecto al diferencial del radio se obtiene la siguiente expresión para el volumen:

L

rPV

η4

2⋅∆−=

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A partir de esta ecuación puede deducirse el caudal como:

∫ ∫ ⋅⋅==R R

rdrrVdArVQ0 0

)(2)( π

Luego de realizar esto el caudal se define como:

L

RPQ

ηπ

8

4⋅∆=

Al despejar la presión de la ecuación anterior obtenemos:

4

8

R

LQP

πη=∆

Esta fórmula se utiliza para fluidos con viscosidad constante y debido a que el fluido con el que se está trabajando es newtoniano se puede pensar que la viscosidad permanecerá constante. La prueba de viscosidad se realizo a velocidades muy inferiores a las velocidades de operación de la planta por tal motivo de aquí en adelante se trabajara con la velocidad de corte promedio obtenida en las pruebas (ver tabla 24) ya que resulta conveniente para este análisis. Para determinar la fuerza que se necesita para desplazar el embolo dentro del cilindro se debe tener en cuenta la presión ya que la fuerza está en función de esta. Se debe empezar a realizar el análisis desde la boquilla de dosificación tramo por tramo hasta el conjunto conformado por el embolo y el cilindro como se indica en el problema 1. • Problema Uno. El fluido contenido en la tolva fluye a través de la válvula unidireccional por acción del embolo de radio R cuando este realiza un desplazamiento negativo empujado por un cilindro neumático hasta llenar 1L el contenedor cilíndrico (para este caso se supondrá el llenado de 1L por ser la cantidad que mas dosifica en la empresa, pero la capacidad máxima del cilindro es de 4L), luego de eso el cilindro neumático empuja el embolo en la dirección positiva haciendo que el contenido del contenedor cilíndrico salga por la boquilla dosificación, el fluido no se devolverá hacia la tolva que la válvula que permitió su ingreso solo permite el flujo en una sola dirección. El tiempo de llenado del contenedor cilíndrico y la dosificación del envase es de 4 segundos.

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Teniendo en cuenta que la fuerza permanecerá siempre constante en el proceso de llenado y dosificación, hallar la fuerza necesaria para desplazar el embolo hasta llenar 1L del fluido dentro del contenedor cilíndrico en 2 segundos. • Solución: Partiendo de datos que conocemos como el caudal de salida en la boquilla de dosificación Q=500 mL/s, el diámetro de la boquilla mmdb 55.32= , la longitud de la boquilla de dosificación es de 1 pulgada, el tubo de salida del contenedor cilíndrico posee una distancia mmLt 253= y un diámetro de 6 cm, la carrera del embolo al interior del contenedor cilíndrico es de 5.66 cm, el diámetro del cilindro contenedor es cmDc 15= , la viscosidad promedio del fluido es de 655750 centipoises. • Primera parte: El fluido contenido en la tolva es succionado por el embolo, este fluido se opone a la deformación del mismo debido a su viscosidad, la fuerza que se necesita para vencer la viscosidad en este trayecto, es la siguiente:

s

m

cm

m

s

cmQ

34

3

363

1051

101500 −

−

×=××=

Teniendo en cuenta que el volumen que se llenara en el cilindro contenedor y que y que el radio de este es cmR 5.7= se puede deducir que el desplazamiento L que el embolo realizara es mL 3106.56 −×= . A continuación se muestra el resultado obtenido para la presión teniendo en cuenta los datos anteriormente descritos.

( )( ) 24

343

2

55.1493075.0

105106.5675.6558

m

N

m

s

mm

m

sN

P =⋅

×⋅×⋅

⋅⋅=∆

−−

π

Con el resultado hallado se logra hallar la fuerza necesaria para generar este caudal mediante la siguiente ecuación:

APF ×∆= Donde A es el área del cilindro contenedor

( ) 2322 1067.17075.0 mmrA −×=⋅=⋅= ππ

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Finalmente se puede decir que la fuerza es

( ) Nmm

NF 39.261067.1755.1493 23

21 =×⋅

= −

Esta es la fuerza resistente a la deformación del fluido para el caudal correspondiente, ahora, hay que aplicar el principio de pascal el cual dice que toda presión aplicada a un punto del fluido, se transmite a todos los puntos del mismo, para ello debemos suponer que en la entrada del conducto, hay un embolo aplicando la presión encontrada anteriormente, accionado por el efecto de otro pistón que empuja sobre un área más grande.

A

AFF

A

F

A

F 212

2

21 =⇒=

Donde A2 es el área del conducto que va desde el cilindro contenedor hasta la boquilla dosificadora

2222 1013.1)06.0( mmA −×=⋅= π

( ) ( )N

m

mNF 88.16

1067.17

1013.139.2623

22

2 =×

×⋅= −

−

Esta fuerza es la que deberá soportar el tubo al paso del fluido, ahora con el objetivo de encontrar la fuerza que el pistón deberá realizar para hacer el desplazamiento del fluido se realiza la sumatoria de F1 y F2.

NNNFFFp 267.4387.1639.2621 =+=+=

Finalmente esta es la fuerza que deberá hacer cada uno de los pistones para llenar un litro del fluido descrito en 2 segundos. Con estos cálculos de fuerza se pudo determinar que la empresa debe contar con un circuito neumático que sea capaz de proveer aproximadamente 82 PSI para cada pistón que sea utilizado como dosificador. 5.2.3 Diseño de subfunciones criticas. Teniendo muy en cuenta las especificaciones finales, las necesidades del cliente, las condiciones de trabajo, análisis de fuerzas y movimientos, se entra en detalle en el diseño del sistema que satisface la plena necesidad.

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En los siguientes pasos en el proceso de diseño se expondrán algunos detalles del diseño de las subfunciones críticas de la maquina. 5.2.3.1 Diseño de subfunción critica encajar boquillas y dosificadores. El sistema escogido para lograr encajar las boquillas fue una banda transportadora a la cual se le adaptaron dos pistones de vástago simple que funcionan de forma secuencial. La subfunción encajar dosificadores se realizará de forma manual, donde el operario debe calibrar la maquina según el tipo de envase que desee llenar (ver página 30. Concepto E). El conjunto completo consta de los siguientes elementos:

• Pistones de vástago simple: estos actúan como topes permitiendo el paso solo cuando sea necesario y solo de 5 tarros a la vez garantizando que las boquillas de los envases queden en la posición correcta, mediante el uso de acondicionamiento neumático, permitiendo así que los dosificadores puedan empezar a realizar su función. El pistón que se encuentra al inicio del recorrido debe ser movido por el usuario dependiendo del tipo de tarro para garantizar la selección de 5 envases por vez. • Sensor detector de envases: El pistón que se encuentra al final del recorrido está acompañado de un sensor foto eléctrico, el cual le indica cuando un envase se encuentra cerca de él y de esta manera este sabe cuándo se debe poner el tope para que los envases queden en la posición deseada. • Dosificadores: Los dosificadores están ubicados en un soporte tubular el cual posee guías de las distancia que los dosificadores deben tener según el tipo de envase a llenar, también poseen tornillos de ajuste en la parte superior para garantizar que el dosificador permanezcan anclados a su posición durante todo el proceso. • Guías: Se adaptaron a la banda para no permitir el desvió o mala ubicación de los envases durante la trayectoria. Son dos varillas de aluminio ubicadas a lo largo de la banda.

En la selección de conceptos faltó resaltar algo muy importante, durante el proceso se pudo observar que en la industria hay un concepto o manera de posicionar los envases, el concepto es normalmente conocido como cruz de malta o Geneva Wheel, este alimentador el cual es una bandeja circular posiciona los envases rotándolos desde su posición inicial hasta la ubicación del dosificador, es muy utilizado en procesos donde la dosificación puede hacerse de manera muy rápida (líquidos como el agua) o cuando las cantidades a dosificar son pequeñas ya que este sistema tiende a ser un poco lento.

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Figura 28. Mecanismos de dosificación con cruz de malta

Fuente: Equipos monoblock [en línea]. Argentina: Industrias tover, 2008. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.tover.com.ar/vwd_justso.htm

5.2.3.2 Diseño de subfunción dosificar fluido. El sistema escogido fue un pistón de doble vástago, el cual empuja un embolo que se encuentra ubicado dentro de un cilindro que está compuesto por una válvula unidireccional en uno de sus extremos y por la boquilla dosificadora en el otro, cuando el pistón se recoge la válvula por efecto de la presión permite el paso del fluido y cuando este sale, la válvula no permite que el fluido fluya en la dirección contraria obligando a este a salir por la boquilla dosificadora. El sistema consta de las siguientes partes: • Elemento de empuje: estos son los que aplican la fuerza necesaria para que el embolo pueda succionar y dosificar el fluido; para esta máquina se escogieron pistones de doble vástago con imán y diámetro 63 trabajando a una presión de 82 PSI ya que estos permiten que el operario pueda controlar la carrera del pistón por medio del movimiento de una tuerca, adicional a eso, el operario en el proceso de calibración de la maquina deberá mover también el final de carrera de dicho pistón.

• Elemento de almacenamiento temporal: cilindro que almacena el fluido solo por el lapso de tiempo que se demoran los envases en posicionarse y el sistema envía la señal de que ya se puede empezar a dosificar.

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• Elementos de direccionamiento de flujo: se encargan de direccionar el sentido o la trayectoria del fluido en un instante dado, este diseño utiliza válvulas unidireccionales las cuales se consideran que poseen un buen funcionamiento para este tipo de situación, claro está que existen otros tipos de válvulas tales como: válvulas con direccionamiento por medio de balines y resortes, lamentablemente su uso no es el ideal en procesos tan viscosos, por tal motivo no hay posibilidad de utilizarlas en este proyecto.

• Elementos de circulación y salida: a través de estos el fluido circula hasta encontrar una salida, los más utilizados son: mangueras, tubos de acero inoxidable, canales, etc. Este diseño utiliza mangueras, las cuales se encargan de llevar el líquido hasta el dosificador, tubos roscados hechos en acero inoxidable y salida cónica.

5.2.3.3 Diseño del subconjunto controlador. El control es realizado a través de un PLC de referencia TWDLCAE40DRF de Telemecanique el cual fue programado en el software TWIDO SUITE v2.0, este PLC consta de 24 entradas a 24 voltios DC, 14 salidas de relé a 2A y 2 salidas de transistor a 1A, ya que las salidas con las que este controlador contaba no eran suficientes se le agrego un modulo de expansión de 8 salidas de referencia TWDDRA8RT (Telemecanique). El voltaje de alimentación del PLC esta ente 120 y 230 voltios AC, este equipo fue seleccionado debido a que está siendo ampliamente utilizado en la industria y debido a presenta una vida muy superior si se le compara con otros controladores de su tipo. • Características del programa. El programa se realizó partiendo del lenguaje de programación GRAFCET debido a que los diagramas de bloques permiten ver de una manera más clara el proceso y cada una de las etapas además este lenguaje nos permite tener orden al momento de traducirlo al lenguaje de programación Ladder que es el entendido por el controlador. El sistema consta de 24 entradas digitales, 18 salidas digitales y 24 memorias que en su gran mayoría corresponden a estados o instancias del programa que permiten controlar y saber si se puede o no dar el paso siguiente, repartidas como se muestra en la siguiente tabla:

Cuadro 17. Variables del programa

NOMBRE DE LA VARIABLE DESCRIPCIÓN %I0.14 ACEITE_1 %I0.15 ACEITE_2 %I0.16 ACEITE_3 %I0.17 ACEITE_4 %Q1.3 BANDA_TRANSPORTADORA %M26 DOSIFICACION

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NOMBRE DE LA VARIABLE DESCRIPCIÓN %Q0.1 ENTRAR_PISTON_A %Q0.3 ENTRAR_PISTON_B %Q0.5 ENTRAR_PISTON_C %Q0.7 ENTRAR_PISTON_D %Q0.9 ENTRAR_PISTON_E %Q0.11 ENTRAR_PISTON_F %Q0.13 ENTRAR_PISTON_G %I0.21 FOTO_SENSOR %I0.18 LIMPIADOR %M0 M0_0 %M1 M0_1 %M2 M0_2 %M3 M0_3 %M4 M0_4 %M5 M0_5 %M6 M0_6 %M7 M0_7 %M8 M0_8 %M9 M0_9

%M10 M0_10 %M11 M0_11 %M12 M0_12 %M13 M0_13 %M14 M0_14 %M27 M0_15 %M15 M1_0 %M16 M1_1 %M17 M1_2 %M18 M1_3 %M19 M1_4 %M20 M1_5 %M21 M1_6 %M22 MP %M24 NEG %I0.23 NIVEL_ALTO %I0.22 NIVEL_BAJO %I0.1 PISTON_A_AFUERA %I0.0 PISTON_A_RECOGIDO %I0.3 PISTON_B_AFUERA %I0.2 PISTON_B_RECOGIDO %I0.5 PISTON_C_AFUERA %I0.4 PISTON_C_RECOGIDO %I0.7 PISTON_D_AFUERA %I0.6 PISTON_D_RECOGIDO %I0.9 PISTON_E_AFUERA %I0.8 PISTON_E_RECOGIDO %I0.11 PISTON_F_AFUERA %I0.10 PISTON_F_RECOGIDO %I0.13 PISTON_G_AFUERA %I0.12 PISTON_G_RECOGIDO %M23 POS %Q0.0 SALIR_PISTON_A

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NOMBRE DE LA VARIABLE DESCRIPCIÓN %Q0.2 SALIR_PISTON_B %Q0.4 SALIR_PISTON_C %Q0.6 SALIR_PISTON_D %Q0.8 SALIR_PISTON_E %Q0.10 SALIR_PISTON_F %Q0.12 SALIR_PISTON_G %I0.19 START %I0.20 STOP %Q0.14 VALVULA_AC_1 %Q0.15 VALVULA_AC_2 %Q1.0 VALVULA_AC_3 %Q1.1 VALVULA_AC_4 %Q1.2 VALVULA_LIMPIADOR

En el programa en lenguaje Grafcet que se muestra a continuación se puede observar que cuando el proceso inicia la subrutina que controla la dosificación y el posicionamiento de los envases solo se inician si la tolva de almacenamiento ha alcanzado un nivel mínimo de fluido, una vez esto ha ocurrido, la banda transportadora se activa y los pistones A, B, C, D, E se contraen generando la succión del fluido a dosificar, al mismo tiempo el pistón F se contrae permitiendo el paso de los envases, cuando estos llegan al foto sensor el cual está ubicado junto al pistón G, que en ese momento esta expandido continua en ese estado haciendo que los envases se posicionen. Luego de esto el pistón F sale asegurando que ningún otro envase pueda avanzar y los pistones A, B, C, D, E empujan el embolo para que este a su vez dosifique el fluido dentro del envase, cuando han terminado de dosificar el fluido, el pistón G permite el paso de los envases ya llenos mientras que el pistón F sigue reteniendo a los envases vacíos al mismo tiempo que los contenedores cilíndricos están siendo nuevamente cargados; cuando ya se ha despejado el espacio de dosificación por parte de los envases llenos se permite el ingreso de 5 nuevos tarros y el proceso comienza su ciclo nuevamente. Si en algún momento la tolva de almacenamiento alcanza su nivel máximo solo se cerrara la electroválvula asociada al tipo de aceite escogido pero el proceso de dosificación continua normalmente. La planta completa sólo se detendrá en caso de que el paro de emergencia sea activado. La siguiente figura muestra la disposición física de los accionamientos para entender mejor el diagrama Grafcet.

(Ver Figura 29, página siguiente).

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Figura 29. Disposición física de los pistones

(Ver Figura 30, página siguiente).

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Grafcet del programa

Figura 30. Grafcet del software de la planta (1)

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Figura 31. Grafcet del software de la planta (2)

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Figura 32. Subrutina dosificación

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Luego tener el programa en grafcet se procede al ladder que queda de la siguiente manera:

Figura 33. Programa en ladder (Rung 0 – Rung 6)

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Figura 38. Programa en ladder (Rung 26/ Subrutina de dosificación (Rung 0- Rung 1)

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Figura 39. Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 2- Rung 5)

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Figura 40, Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 6- Rung 10)

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Figura 41.Programa en ladder (Subrutina de dosificación (Rung 11- Rung 13)

La interfaz del operario está compuesta por un selector de 5 posiciones para seleccionar el tipo de aceite que se quiere dosificar, un pulsador para el start, y un interruptor tipo hongo para el paro de emergencia. 5.3 DISEÑO ELECTRÓNICO El sistema electrónico está conformado por un PLC telemecanique de referencia TWDLCAE40DRF, según el resultado de la selección de conceptos; este a través de sus puertos de entrada/salida recibe y envía señales a los respectivos sensores y accionamientos del sistema, este dispositivo solo es de control. Ahora pasamos a analizar este y todos los dispositivos relacionados con el funcionamiento de la maquina: 5.3.1 Sensores. Los sensores son parte fundamental en cualquier proceso industrial que se realice, ya que poseen la habilidad de detectar señales físicas

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como luz, tacto, sonido, etc. por medio de un transductor la convierten en señales eléctricas capaces de ser interpretadas por el controlador que en este caso se trata de un PLC TWDLCAE40DRF de telemecanique. El juego de sensores que posee esta máquina llenadora está compuesto por: - 1 Sensor foto-eléctrico - 14 finales de carrera de tipo electromagnéticos para los pistones neumáticos.

Los transductores escogidos para esta aplicación ya tienen sus salidas con los valores de voltaje y corriente necesario para trabajar con el controlador, por lo tanto no se hace necesario un circuito de acondicionamiento - Sensor foto-eléctrico: en el programa este sensor recibe el nombre de “foto-sensor” y es el encargado de detectar cuando un envase esta cerca del pistón tope, esto ocurre cada que el envase corta la señal del receptor. El sensor está conformado por un circuito cuyo diagrama de bloques se muestra a continuación:

Figura 42. Diagrama de bloques del foto-sensor

El circuito óptico está conformado básicamente de un diodo infrarrojo que le envía la señal a un fototransistor y este a su vez está conectado a otro transistor en que se encarga de amplificar la señal. El circuito se muestra a continuación:

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Figura 43. Circuito óptico

Fuente: REYES, Lucelly. Fotodiodo y fototransistor [en línea]. Colombia: Material grupo de investigación científica y microelectrónica, 2008. [Consultado octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://fisica.udea.edu.co/~gicm/lab_electronica/fotodiodo%20y%20fototransistor.pdf

El comparador (LM339) se encargará de entregar una señal que el controlador interpretara como un uno (1) o un cero (0) debido a que este se alimentara con 24V y como se dijo anteriormente ese voltaje es el voltaje de trabajo del controlador. El circuito es el que se muestra a continuación:

Figura 44. Comparador

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- Finales de carrera electromagnéticos: estos son los encargados de comunicarle al controlador si el pistón neumático ha terminado o no su desplazamiento, esto es posible debido a que los vástagos de los pistones escogidos tienen un imán el cual interfiere con las líneas de campo magnético generadas por el sensor y este registra esa interferencia como un 1 o un 0 lógico sin necesidad de que exista un contacto físico entre el vástago y el sensor - Electroválvulas: Están se encargan de permitir el paso de aire y fluidos a través de ellas, cuando estas son energizadas. Para este diseño se utilizan 7 electroválvulas que regularán el flujo de aire hacia los pistones y 5 que regularan el paso del fluido a dosificar. 5.3.2 Parámetros eléctricos • Alimentación: esta máquina debe poder operar en zonas industriales por lo tanto posee una alimentación de línea de 3 fases, por la banda transportadora debe poder operar bajo estas condiciones. • Frecuencia: la frecuencia es de 60Hz para este tipo de alimentación. • Protecciones del controlador: El controlador debe ser protegido, con un fusible de tres amperios o disyuntor bipolar, también se debe tener en cuenta que cada 16 entradas y 4 salidas digitales debe ponerse otro fusible que soporte 3 amperios. 5.3.2.1 Esquema general de conexión. Las siguientes figuras muestran un esquema de general del tipo de conexiones que deben realizarse en el controlador tanto para las entradas, como para las salidas. Figura 45. Esquema general de conexión para las entradas

Fuente: Catalogo Twido [en línea]. Estados Unidos: Características técnicas PLC Twido, 2008. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.schneiderelectric.es/ES/ex-Comercial/com_docs.nsf/TodosPorId/97b8d37ff52d270dc125742e00263428?OpenDocument

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Figura 46. Esquema general de conexión para las salidas

Fuente: Catalogo Twido [en línea]. Estados Unidos: Características técnicas PLC Twido, 2008. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.schneiderelectric.es/ES/ex-Comercial/com_docs.nsf/TodosPorId/97b8d37ff52d270dc125742e00263428?OpenDocument 5.3.3 Parámetros mecánicos • Tipo de carcaza o protección: la banda transportadora debe tener un motor totalmente cerrado, para garantizar que el ambiente de trabajo sea seguro tanto para el operario como para el sistema ya que podrían ingresar sustancias o elementos que empañen su correcto funcionamiento. • Posición de colocación: Los dispositivos que en conjunto forman la máquina llenadora están ubicados de tal manera que no se sobreponen unos a otros ni se obstruyen unos a otros. Las bases de los pistones podrán ubicarse a una distancia precisa con respecto a la marca que tiene el riel por la que estos se desplazan y que dependen del tipo de tarro. El controlador y sus protecciones estarán ubicados dentro de un pequeño armario hecho en la misma estructura de la planta. 5.3.4 Parámetros térmicos • Protecciones térmicas: El recubrimiento del motor tiene una ventilación adecuada y adicional a eso cuenta con un ventilador extractor, los rieles donde se montan el controlador y sus protecciones sirven además de dar soporte como disipadores de calor aunque el calentamiento de estos dispositivos no es muy elevado. La tempera que en conjunto la maquina debe soportar es la del ambiente que es aproximadamente 25 °C.

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6. CONCLUSIONES

• Con el proceso de diseño y desarrollo se cumplieron los objetivos y adicional a eso los resultados fueron óptimos y acertados, la verificación en cada una de las etapas del proceso minimizo los riesgos en cada determinación, se tuvo seguridad a la hora de tomar decisiones, debido a que las etapas están ligadas unas a otras, hay que tener presente y estar evaluando cada una de ellas a medida que avanza el diseño, para no cometer errores y cumplir con las especificaciones establecidas. • Debido a que este proyecto se trata sólo de diseño es muy difícil saber con exactitud que subsistema puede tener inconvenientes al momento de la integración, teóricamente se muestra que todo trabajara perfectamente.

• El controlador implementado en la máquina garantiza que puedan adicionarse futuras mejoras como, nuevos módulos de dosificación, sensado tiempo real del estado de la tolva de almacenamiento, pantalla grafica, entre otros.

• La simulación hecha del software de la maquina muestra que las secuencias del programa funcionan perfectamente y de acuerdo a lo planteado.

• Los materiales seleccionados son apropiados para que la máquina pueda trabajar en cualquier tipo de industria sin alterar su buen funcionamiento y sin el riesgo de que debido a estos puedan generar interacciones irregulares entre los conjuntos.

• El diseño de esta máquina se hizo también teniendo en cuenta el presupuesto y capacidad económica de la empresa Lubricantes Súper Delta.

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7. RECOMENDACIONES

• En la etapa de diseño se recomienda cuestionar a las personas que tienen experiencia y conocimiento en algunos de los sistemas que se van a implementar, se debe estar al tanto de lo que está ocurriendo en materia a lo que se está diseñando así como el entorno en el que se está diseñando, también se debe tener presente que no siempre la solución ideal es la solución que se implementara ya que influyen factores como la capacidad económica de la empresa para la que se está haciendo el diseño. • Investigar las dimensiones estándares y comerciales de cualquier pieza, ya que con base en esto se tiene un concepto bastante acertado de la distribución geométrica de la máquina.

• Utilizar principalmente componentes que sean muy comerciales permite saber con anterioridad el desempeño de los mismos y una reducción en los costos ya que pueden conseguirse más fácilmente en el mercado.

• Escuchar cualquier tipo de recomendación que las personas externas a los diseñadores hagan ya que esto puede ayudar a pensar y a que las ideas fluyan mejor.

88

BIBLIOGRAFÍA

Catalogo Twido [en línea]. Estados Unidos: Características técnicas PLC Twido, 2008. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.schneiderelectric.es/ES/ex-Comercial/com_docs.nsf/TodosPorId/97b8d37ff52d270dc125742e00263428?OpenDocument Equipos monoblock [en línea]. Argentina: Industrias tover, 2008. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.tover.com.ar/vwd_justso.htm Física General de Fluidos. Mecánica de fluidos [en línea]. Madrid: La web de física, 2006. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.lawebdefisica.com/ Hoja de datos LM339 [en línea]. Estados Unidos: National, 2008. [Consultado octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.national.com Introducción a la reología. Deformación de un fluido [en línea]. Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible en internet: http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/pcf_reologia/anexo1.doc. MALVINO, Albert Paul. Principios de electrónica. 5 ed. Madrid: McGraw-Hill, 1994. 1.048 p. Maquina llenadora diseyco [en línea]. Colombia: Diseyco, 2008. [Consultado 2008]. Disponible en Internet: http://www.diseyco.com Maquina llenadora equitek [en línea]. Mexico: Equitek, 2008. [Consultado 2008]. Disponible en Internet: http://www.equitek.com.mx ULRICH, Karl T. Diseño y desarrollo de productos. México: McGraw-Hill, 2004. 366 p. POSADA, Alejandro. Analizador de electrolitos: propiedades del acero inoxidable 316. Trabajo de grado Ingeniero Mecatrónico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2005. 150 p. REYES, Lucelly. Fotodiodo y fototransistor [en línea]. Colombia: Material grupo de investigación científica y microelectrónica, 2008. [Consultado octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://fisica.udea.edu.co/~gicm/lab_electronica/fotodiodo%20y%20fototransistor.pdf

89

VARGAS, Fabián. Diseño e implementación de una maquina automática para fluidos viscosos. Tesis de grado Ingeniero Mecatrónico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 2002. 130 p.

90

ANEXOS

Anexo A. Elementos físicos

TANQUE DE ALMACENAMIENTO AUXILIAR ∗∗∗∗

La función de este elemento en la maquina es almacenar el fluido según el tipo de aceite a llenar, está diseñado para ser construido en acero inoxidable.

Figura 47. Tanque de almacenamiento auxiliar

∗ Las medidas para su construcción se encuentran en el anexo D.

91

MANGUERAS DE CONDUCCIÓN

A través de estas es conducido el fluido del tanque de almacenamiento auxiliar a las diferentes partes de la maquina, como lo son: Al contenedor cilíndrico, dosificador etc.

Figura 48. Mangueras de conducción

92

CONTENEDOR CILÍNDRICO∗∗∗∗

Esta en cargado de almacenar el fluido proveniente del tanque de almacenamiento auxiliar, el cual es succionado por el pistón y almacenado en el contenedor cilíndrico en cada ciclo de dosificación, cabe resaltar que el pistón se encuentra al interior de este contenedor.

Figura 49. Contenedor cilíndrico

Fuente: propia

∗ Las medidas para su construcción se encuentran en el anexo D

93

PISTÓN O EMBOLO

Es el encargado de succionar y desalojar el fluido en el contenedor cilíndrico, este debe ser construido en acero inoxidable, para obtener una buena protección ante la oxidación que se puede llegarse a presentar.

Figura 50. Pistón o embolo

94

TUBO DOSIFICADOR ∗∗∗∗

Cumple con la función de agudizar el hilo final del fluido, también se diseño para ser construido en acero inoxidable, además este tiene un balín que actúa como tapón al momento del llenado del cilindro contenedor para evitar de esta manera que ingrese aire al cilindro. Figura 32.Tubo dosificador


95

TORNILLO DE AJUSTE

El sistema cuenta con cinco de estos tornillos, su función es la de asegurar los dosificadores en posiciones ya preestablecidas según el tipo de envase a llenar.

Figura 51. Tornillo de ajuste

96

ESTRUCTURA O CHASIS

Es el encargado de soportar todo el peso e interacciones funcionales de las piezas, es muy importante para el buen funcionamiento de la maquina por tal razón debe ser muy resistente y firme en todas si uniones.

Figura 52. Chasis de la llenadora

97

MONTAJE DE LOS COMPONENTES O SUBFUNCIONES DE LA MAQUINA

Estructura y soporte principal.

Figura 53. Estructura

MONTAJE DEL CONTENEDOR CILÍNDRICO

Figura 54. Soporte del contenedor cilíndrico∗


98

Este de fija al chasis de la maquina por medio de tornillos de ajuste anteriormente mencionados.

Figura 55. Ubicación soporte del contenedor cilíndrico

La figura 54 muestra al detalle la forma del elemento que se va encargar de ajustar o fijar al chasis el contenedor cilíndrico, la ubicación de estos soportes se puede apreciar en la figura 56, esta ubicación se logra haciendo coincidir los orificios de la base con los del soporte, para luego introducirles un tornillo el cual garantiza la fijación de estos dos elementos. Repetir este paso con los demás orificios del soporte.

Soporte del cilindro

99

Figura 56. Ubicación del contenedor cilíndrico

La figura 56 muestra la ubicación del los contenedores cilíndricos al chasis de la maquina. Esta ubicación se logra haciendo coincidir los orificios de la base con los del soporte, para luego introducirles un tornillo el cual garantiza la fijación de estos dos elementos. Repetir este pasó con los demás orificios del soporte.

100

MONTAJE DEL PISTÓN O EMBOLO

Figura 57. Pistón ensamblado con el contenedor cilíndrico

La figura 57 muestra parte del conjunto del sistema dosificador, en esta podemos ver ya ensamblados el pistón con el contenedor cilíndrico, para llegar a este resultado se realiza una buena sincronización de las medidas del diámetro del embolo con el diámetro del contendor cilíndrico, evitando así fricciones perjudiciales para el desarrollo de la función de este conjunto la cual es suministrar el liquido al dosificador.

101

Figura 58. Sistema de pistón y contenedor cilíndrico fijos en el chasis

Este sistema se ubica en la parte superior del soporte para pistones y su respectiva base como se puede observar en la figura 58, el sistema se logra fijar al chasis por medio un tornillo el cual garantiza la estabilidad del mismo durante el proceso de llenado. Repetir lo mismo para el resto de pistones presentes en la maquina.

102

MONTAJE DE DOSIFICADORES

Figura 59. Dosificador∗

En esta figura se muestra el soporte, en el cual ya esta ensamblado el tubo dosificador (figura 59) el cual se debe girar hasta llegar al tope a donde llega la manguera que viene directamente del sistema pistón - contenedor cilíndrico (figura 39). Esta labor debe hacerse para cada uno de los dosificadores.


Orificio por donde pasa el

riel de desplazamiento.

Tubo dosificador

Orificio donde va el

tornillo de ajuste.

Orificio de guía de la

manguera

103

Figura 60. Dosificadores sobre el riel

En esta figura se muestra ya los dosificadores acoplados al riel guía, el cual a demás de soportar el peso de los dosificadores sirve de guía importante al momento de cambiar de tipo de envase ya que posee sobre unas guías las cuales indican el lugar en el cual debe ir el dosificador dependiendo del tipo de tarro a llenar, para luego ser ajustado por un tornillo, el cual fija el dosificador al riel permitiendo el buen funcionamiento de este.

En la siguiente grafica se muestra ya el subsistema de dosificación ya ensamblado en el chasis de la maquina con sus respectivos tornillos.

Figura 61. Subsistema de dosificación ensamblado

Tornillo de ajuste Riel o soporte

Dosificador

104

Siendo estos los subsistemas críticos del diseño y teniéndolos ya montados en el chasis se procede hacer el montaje del resto de elementos de la maquina. Arrojando como resultado la siguiente figura.

Figura 62. Maquina llenadora de líquidos viscosos

105

Anexo B. Casa de calidad

Casa de calidad El QFD es un método para realizar un Benchmarking profundo, el cual analiza y entrega resultados concretos y confiables del estado de la competencia, en que porcentaje los COMO (medidas) satisfacen los QUE (necesidades), relación entre las necesidades y medidas, evaluación de medidas en la competencia y la correlación técnica de los COMO (medidas), es decir si al variar una medida afecta positiva o negativamente a otra. Finalmente con estos resultados es mas seguro establecer las especificaciones finales del proyecto.

Figura 63. Casa de calidad

106

Anexo C. Productos Competidores

Figura 64. Maquina llenadora equitek

Fuente: Maquina llenadora equitek [en línea]. México: Equitek, 2008. [Consultado 2008]. Disponible en Internet: http://www.equitek.com.mx

107

CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO

La serie DV-M esta enfocada para pequeñas producciones de productos de baja, mediana o alta viscosidad que no sean espumosos, tiene una capacidad de producción de 10 a 30 envases por minuto, dependiendo del producto, el volumen a envasar, y el número de cabezales volumétricos que contenga, es un equipo semiautomático sencillo y versátil. Esta tecnología esta basada en un pistón volumétrico de carrera controlada, el cual succiona del tanque de balance una cantidad determinada de producto y la inyecta al envase midiendo la cantidad de producto dosificado. Ofrecemos 3 tamaños de cabezales volumétricos: • CV-100, con un desplazamiento de 10 a 110ml. • CV-300, con un desplazamiento desde 50 hasta 350ml. • CV-1000, con un desplazamiento desde 100 hasta 1100ml. Dependiendo del producto a envasar estos cabezales pueden contar con un sistema de válvulas check o bien con válvulas actuadas para el manejo de sólidos grandes. El equipo puede contar con uno o dos cabezales volumétricos, con capacidad para manejo de sólidos de hasta 5 mm., el diseño es sanitario y de fácil limpieza. Este equipo es ideal para el envasado de productos como Jarabes, salsas con semillas, molidas o amortajadas, licores, jaleas, miel, suspensiones farmacéuticas, yogurt, cremas, shampoo, pinturas, adhesivos, aceites comestibles y minerales, limpiadores y detergentes viscosos, agroquímicos, productos farmacéuticos y similares, los cuales no sean espumosos

108

DISEYCO LTDA.

Figura 65. Maquina llenadora diseyco

Fuente: Maquina llenadora diseyco [en línea]. Colombia: Diseyco, 2008. [Consultado 2008]. Disponible en Internet: http://www.diseyco.com

CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO La Envasadora de gravedad automática para líquidos "LA CLÁSICA" está robustamente construida y equipada con ocho (8) válvulas para el llenado exacto , en envases de vidrio, plástico y hojalata, de toda clase de productos líquidos como agua, leche, jugos, vinos, aceites, desinfectantes, ácidos, perfumes, alcohol, etc. Para la industria Farmacéutica, Química y de Alimentos. Características técnicas y especificaciones: • 8 válvulas de llenado para envases hasta de 5.000c.c • Banda transportadora, en acero inoxidable, con motor reductor de ½ HP a

220V. • Tolva con control de nivel con capacidad para 80 lt. • Presión de trabajo de 80-100 PSI. • Consumo de aire de 6 C.F.M. • Producción máxima 2.000 unidades/hora.

109

• Accionamiento mediante autómata programable. • Data panel de control • Las partes en contacto con los productos son en acero inoxidable AISI 304, 316

y teflón. • Fácil y rápida graduación para los diferentes tamaños de envases. • Bomba de alimentación.

110

Anexo D. Planos

(Ver planos páginas siguientes).

119

Anexo E. Formato IFAC

DISEÑO DE MAQUINA LLENADORA PARA FLUIDOS VISCOSOS

Dagoberto Cuero Hurtado Nelson Daniel López Quiñones

Universidad Autónoma de Occidente

Este proyecto se realizo teniendo en cuenta el diseño concurrente, el cual fue adaptado para cumplir con las necesidades de la empresa Lubricantes Súper Delta. Se cumplieron en estricto orden cada uno de los pasos del método de diseño mencionado anteriormente y este sirvió para obtener una idea optima de lo que debía hacerse con respecto al diseño de la máquina. Copyright © 2008 CEA-IFAC Viscosidad: Resistencia que presenta un fluido a la deformación. Dosificación: Suministro de una sustancia en un recipiente. Desarrollo conceptual: Identifica las necesidades del cliente, los principales usuarios y productos de la competencia, investiga la factibilidad de los conceptos. Diseño: conjunto de ideas que se articulan para resolver un problema. Benchmarking: comparación de las especificaciones de la competencia con el producto propio.

INTRODUCCIÓN

Debido a la apertura económica y a los diferentes cambios que están ocurriendo a nivel nacional, las PYMES ya establecidas en el Valle del Cauca se ven en la obligación de implementar nuevas tecnologías, para así poder competir y estar a la altura de las necesidades del mercado nacional y en un futuro del mercado internacional, producto de los tratados y convenios internacionales que se avecinan (TLC, ALCA, entre otros). Por esta razón la empresa Lubricantes Súper Delta, ubicada en la región, la cual se dedica a la fabricación de diferentes tipos de aceite para motor, se ha visto en la necesidad de automatizar algunos de sus procesos; entre estos el proceso de llenado para los diferentes tipos de presentaciones que se ofrecen al mercado. Este proceso es una parte fundamental para llegar a ser más competitiva en el nicho de mercado en el cual esta

empresa se desenvuelve. La intensión de este proyecto es diseñar una máquina capaz de cubrir las necesidades en esta parte del proceso. Este documento contiene la información recopilada en la empresa y la tecnología disponible en la industria que realiza este tipo de maquinas. También es importante aclarar que la información contenida en este documento es el comienzo de un estudio, el cual se encuentra en construcción y será mejorado y terminado en su totalidad al final del mismo. Durante el desarrollo de este proyecto se ve la importancia de la integración de ingenierías tales como la Electrónica y Mecatrónica, ya que en este proyecto se estudian áreas importantes, en las cuales pueden tener más fortalezas un ingeniero Mecatrónico que Electrónico o viceversa.

120

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo general

Diseñar una maquina llenadora para fluidos viscosos 1.2. Objetivos específicos

- Conocer en detalle las diferentes etapas

del proceso y las necesidades de la empresa.

- Investigar las tecnologías existentes utilizadas en la elaboración de máquinas llenadoras.

- Analizar los alcances y restricciones de la máquina.

- Realizar análisis QFD. - Seleccionar tecnologías y componentes

que le utilizaran el diseño de la máquina. - Realizar diseño general de la máquina. - Dividir el diseño general en sub-

sistemas. - Simular cada uno de los sub-sistemas. - Integrar y depurar la máquina llenadora.

2. PLANIFICACIÓN

2.1. Planteamiento del problema El proceso de llenado de los envases en la empresa Lubricantes Súper Delta presenta grandes deficiencias, ya que éste se realiza de forma manual por medio de unas llaves conectadas a un tanque, que permite el llenado de los envases por efecto de la gravedad. Por tratarse de un líquido viscoso, el proceso no se realiza en un tiempo óptimo; además no existe un buen control del volumen de aceite que deben tener los envases para ser distribuidos, presentándose la situación de que el operario con un “simple vistazo” determina el nivel que deben llevar estos envases. A parte de los problemas ya mencionados, otra situación que consideramos muy perjudicial para la empresa es que en la ejecución de esta actividad se presentan pérdidas considerables de lubricante durante el desarrollo de la misma. El proceso tal y como es en la actualidad lo podemos observar en las figura 1.

Figura 1. Proceso de llenado actual

2.2. Planteamiento de la misión Descripción del producto. Maquina llenadora de fluidos viscosos

Mercado Primario. Empresas que en su proceso requieran el llenado de algún tipo de fluido viscoso

Mercado secundario. Instituciones Educativas, empresas que requieran llenado de cualquier tipo de fluido.

Premisas y restricciones.

- Aparato semiautomático - Maquina flexible y aplicable a diferentes

tipos de envases

3. DESARROLLO CONCEPTUAL

3.1. Identificación de las necesidades Para la identificación de necesidades se encuesto a los operarios y a los diferentes socios y trabajadores de la empresa para tener una idea precisa de las condiciones que la maquina debía cumplir para el óptimo desempeño del proceso de llenado. En la siguiente tabla (Arnaldo, 2002) muestra de una manera organizada las diferentes necesidades identificadas a las cuales se les da un nivel de importancia (1 bajo, 5 alto) según el criterio el propio.

121

Tabla 1. Necesidades encontradas e importancia. Numero Identificación de

necesidades Nivel de

importancia* 1 La maquina genera un proceso

limpio 3

2 La maquina es de alta producción

5

3 La maquina es semiautomática

4

4 La maquina tiene espacios para futuras mejoras

3

5 La maquina es adaptable para diferentes tipos de tarros

5

6 La maquina tiene la capacidad para dosificar diferentes tipos

de aceites

5

7 La intervención del operario es mínima

4

8 La maquina posee una interfaz de usuario amigable e

intuitiva

3

9 Al momento de una falla la maquina se restablece sin

mayor traumatismo

4

10 La maquina es modular para fácil mantenimiento

2

11 La maquina es de fácil transporte

2

12 La maquina presenta un proceso de dosificación rápido

4

13 La maquina genera un mínimo de perdida en el proceso

4


2

15 El tamaño de la maquina optimo

3

16 La maquina indica la cantidad de liquido

3

17 La maquina valida si el tipo de tarro seleccionado es igual

introducido

4

18 La maquina presenta un consumo de energía optimo

4

19 La maquina es segura y no presenta peligro alguno para

el operario

4

20 La maquina presenta un diseño agradable

3

21 La vida útil de la maquina es alta

3

22 La maquina tiene control sobre el volumen dosificado

4

3.2. Establecer especificaciones preliminares Relación medidas – necesidades. Las especificaciones técnicas son el conjunto de medidas y valores de un objeto, estas son necesarias para expresar las necesidades del usuario en un atributo medible en el producto. La siguiente tabla muestra la relación de las necesidades identificadas con las medidas y unidades correspondientes. En la tabla 2 (Arnaldo, 2002) se puede observar la asignación de una unidad medible a cada una de las

necesidades así como las diferentes asociaciones entre ellas.

Tabla 2. Relación medidas – necesidades

Numero Métrica o Medida

Unidad Importancia

1 Autonomía % 4 2 Precisión % 4 3 Dimensión Cm 3 4 Vida útil Años 3 5 Velocidad de

llenado mL/seg 5

6 Diámetros de boquilla

mm 3

7 Distancias entre boquillas

cm 4

8 Masa total Kg 2 9 Costo unidad

manufacturada $ 3

10 Estética Subj* 4 11 Consumo de

potencia eléctrica

w/h 4


Min 3

13 Confiabilidad Subj 4 14 Tiempo de

operación Horas 4

15 Seguridad Subj 5 16 Flexibilidad Subj 3 17 Cantidad de

cabezales Unidades 3

18 Volumen de llenado

mL 4


viscosa

Subj 5

Evaluación de satisfacción de necesidades del cliente en productos competidores (BENCHMARKING). Para la elaboración de esta tabla se recopilaron las especificaciones técnicas de algunos competidores que se especializan en el llenado de fluidos y se evaluaron con las necesidades anteriormente establecidas que estas satisfacen. En la tabla (Arnaldo, 2002) se muestra la comparación entre los diferentes grados de satisfacción del cliente de cada una de las necesidades de dos competidores los cuales son los que tienen a nivel local productos muy similares al que se desea diseñar.

122

Tabla 3. Comparación de las necesidades de los competidores según el grado de satisfacción del

cliente. Numero Identificación

de necesidades Nivel de

importancia

Equ

itek

DIS

EY

CO

LT

DA

1 La maquina genera un

proceso limpio

3 ***** *****

2 La maquina es de alta

producción

5 ***** *****

3 La maquina es semiautomática

4 ***** *****

4 La maquina tiene espacios para futuras

mejoras

3 * *

5 La maquina es adaptable para diferentes tipos

de tarros

5 ***** *****

6 La maquina tiene la

capacidad para dosificar

diferentes tipos de aceites

5 ***** *****

7 La intervención

del operario es mínima

4 **** ****

8 La maquina posee una interfaz de

usuario amigable e intuitiva

3 *** *

9 Al momento de una falla la maquina se

restablece sin mayor

traumatismo

4 **** ****

10 La maquina es modular para

fácil mantenimiento

2 *** **

11 La maquina es de fácil

transporte

2 ** ***

12 La maquina presenta un proceso de

dosificación

4 ***** *****

rápido

13 La maquina genera un mínimo de

perdida en el proceso

4 **** ****


2 *** *****

15 El tamaño de la maquina optimo

3 *** ***

16 La maquina indica la

cantidad de liquido

3 ***** *****

17 La maquina valida si el tipo

de tarro seleccionado es

igual introducido

4 * *

18 La maquina presenta un consumo de

energía optimo

4 **** ****

19 La maquina es segura y no

presenta peligro alguno para el operario

4 ** **

20 La maquina presenta un

diseño agradable

3 **** ***

21 La vida útil de la maquina es

alta

3 *** ***

22 La maquina tiene control

sobre el volumen

dosificado

4 ***** *****

Evaluación de medidas en productos competidores. En la siguiente tabla se muestra el resultado de un análisis realizado con la información técnica obtenida de los competidores según sus fortalezas y debilidades teniendo como referencia la tabla 2, en la cual a las necesidades del cliente se les asigno una unidad medible. Los valores de dicha información técnica se comparan con cada una de las necesidades y de las métricas asignadas a las mismas con anterioridad. La tabla además brinda información detallada acerca del estado actual de los competidores el cual permite

123

tener como referencia para el diseño de la maquina.

Tabla 4. Evaluación de medidas en productos

competidores Numero Unidad Importancia Equitek DISE

YCO LTDA

1 % 4 95 95

2 % 4 98 96

3 cm 3 300*120*80

-

4 Años 3 - -

5 L/Hora 5 1800 a 3000

5000

6 mm 3 8 a 25 -

7 cm 4 - -

8 Kg 2 - -

9 $ 3 33.000.000

-

10 Subj 4 Buena Buena

11 w/h 4 - -

12 Min 3 - -

13 Subj 4 Buena Buena

14 Horas 4 Ilimitado ilimitado

15 Subj 5 Regular Regular

16 Subj 3 Excelente

Buena

17 Unidades 3 2 a 8 6

18 mL 4 100 A 2500

Hasta 5000

19 Subj 5 Alta Alta

Asignación de valores ideales y marginales. En la siguiente tabla se muestra la asignación de un rango de valores a cada una de las métricas que es establecieron a las necesidades anteriormente descritas (Tabla 2.) con el objetivo de poder diseñar una máquina de fácil entrada al mercado y que pueda igualar o superar el nivel de los principales competidores. La importancia de esta tabla radica ya que en ella se establecen valores

reales que la maquina puede llegar a alcanzar y se descartan los valores utópicos los cuales no favorecen al diseño de la misma.

Tabla 5. Asignación de valores ideales y marginales

Numero Métrica o Medida

Unidad Valor marginal

Valor Ideal

1 Autonomía % <60 >90

2 Precisión % <98 >99

3 Dimensión cm

4 Vida útil Años <8 >8

5 Velocidad de llenado

L/min <20 >60


mm >19 <13


cm >97 <59

8 Masa total Kg >160 <50

9 Costo unidad manufacturada

$ 40.000.000 20.000.000

10 Estética Subj 1 5

11 Consumo de potencia eléctrica

w/h >1.7 <1.7


Min >60 <30

13 Confiabilidad Subj <3 5

14 Tiempo de operación

Horas <12 ilimitado

15 Seguridad Subj* <3 5

16 Flexibilidad Subj <3 5

17 Cantidad de cabezales

Unidades 1 5


mL <1 >1


viscosa

Subj <3 5

Establecer especificaciones preliminares. La tabla que se muestra a continuación surge a partir de los resultados obtenidos en dos métodos diferentes, el primero basado en las especificaciones de la competencia y el segundo basado en el método QFD, el cual hace una relación entre las necesidades del cliente y los productos ya existentes en el mercado arrojando

124

un resultado muy acertado frente a los productos ya posicionados en el mercado.

Tabla 6. Especificaciones preliminares Numero Métrica o

Medida Unidad Valor %

Imp.

1 Autonomía % 95 9,5

2 Precisión % 99.5 11.4

3 Dimensión (ancho x alto x profundidad)

cm 400cm x 297cm x 125cm

2.2

4 Vida útil Años 15 2.5

5 Velocidad de llenado

mL/seg 500 5.4


mm Entre 13.5 y 33

1.9


cm Entre 60 y 100

4.8

8 Masa total Kg 50 0.4

9 Costo unidad manufacturada

$ 20.000.000 2.7

10 Estética Subj 5 4.7

11 Consumo de potencia eléctrica

w/h 1.5 4.2


Min 30 2.2

13 Confiabilidad Subj 5 8.9

14 Tiempo de operación

Horas Ilimitado 10.9

15 Seguridad Subj 5 6.2

16 Flexibilidad Subj 5 5.0

17 Cantidad de cabezales

Unidades 5 4.3


mL Entre 500 y 4000

6.9


viscosa

Subj 5 5.8

3.3. GENERACIÓN DE CONCEPTOS En esta etapa del proceso de diseño se pretende dar soluciones mediante una lluvia de ideas generadas por el grupo a cada una de las subfunciones que se identifiquen como criticas en el proceso, por medio de búsquedas de

información en diferentes medios físicos y virtuales. Clarificación del problema. Descripción del producto Diseño de maquina llenadora semiautomática de fluidos viscosos Necesidades

- Maquina semiautomática - Dosifica productos viscosos - Ajustable a diferentes tipos de envases - Es de alta producción - Permite ampliar el número de cabezales - Sus boquillas se mueven en x para

garantizar el llenado de diferentes tipos de envases.

Especificaciones preliminares

- Llena volúmenes entre 500 y 4000 mL - Velocidad de llenado 500 mL/s - Llena envases con diámetros de boquilla

entre 13.5 y 33 mm - Dimensiones (ancho, alto y Prof.) 200cm

x 297cm x 125cm - Llena diferentes tipo de aceites - Los diferentes tipos de aceites no se

mezclan entre un proceso y otro. Descomposición del problema. En esta parte se realiza una vista general de la maquina como un todo o caja negra en la que solo se puede visualizar sus entradas y salidas sin detallar lo que pasa en su interior. Diagrama de caja negra

Figura 2. Diagrama de caja negra Descomposición funcional. Consiste en analizar cada una de las partes del proceso que debe realizar la maquina como subfunciones

125

individuales que permitan solucionar de manera precisa cada una de las funciones criticas del proceso.

Figura 3. Descomposición funcional. Subfunciones criticas. Luego de descomponer el proceso en subfunciones individuales y con base en las necesidades más importantes identificadas en anteriormente se han identificado alguna de estas como criticas debido a que son en cierta forma la base de todo el proceso y un mal funcionamiento de estas ocasionaría una desviación en el cumplimiento de los objetivos planteados y en las especificaciones finales de la máquina, teniendo en cuenta lo anterior las subfunciones identificadas como criticas son:

- Encajar boquillas y dosificadores - Dosificar fluido - Controlar

Generación de conceptos para las subfunciones. La generación de conceptos por medio de una lluvia de ideas para cada una de las subfunciones criticas fue la opción adoptada en este proceso de diseño el cual posteriormente y por combinación de cada uno de los conceptos nos arrojara cual de las combinaciones es la más ideal para el desarrollo de la máquina. Generación de conceptos para Posicionar Boquillas y Dosificadores. En esta subfuncion la precisión juega un papel muy importante ya que las boquillas de los dosificadores deben quedar perfectamente alineados para garantizar que no se presenten perdidas del fluido y el volumen deseado en cada envase. Los conceptos generados para esta subfuncion son:

- Banda con separadores. - Banda en forma de acordeón.

- Movimiento de los dosificadores por medio de un tornillo sin fin y piñones sobre un riel.

- Bandeja con separadores dependiendo del tipo de tarro.

- Movimiento de los dosificadores por parte del operario.

Concepto A: Con este concepto se pretende ubicar los envases en marcas dibujadas sobre una banda transportadora que representen las distancias de los diferentes tipos de tarros para que el operario sepa dónde ubicarlos con el fin de que encajen con los dosificadores.

Figura 4. Concepto A para posicionamiento de

boquillas. Concepto B: Con este concepto se pretende ubicar los envases debajo de los dosificadores debido al movimiento tipo acordeón que hace la banda transportadora el cual garantiza la ubicación exacta de dependiendo del tipo de envase.

Figura 5. Concepto B para posicionamiento de

boquillas. Concepto C: Con este concepto se pretende ubicar los dosificadores sobre las boquillas de los envases utilizando un tornillo sin fin para generar

126

el movimiento en Y. Para generar el movimiento en X se pretende utilizar piñones que se desplacen sobre un riel.

Figura 6. Concepto C para posicionamiento de

boquillas. Concepto D: Tener una bandeja con el espacio justo para una cantidad determinada de envases que se desplace por la banda transportadora.

Figura 7. Concepto D para posicionamiento de

boquillas. Concepto E: El operario deberá posicionar los dosificadores de manera manual en unas marcas previamente establecidas sobre la guía de desplazamiento.

Figura 8. Concepto E para posicionamiento de

boquillas.

En la siguiente tabla se muestra de una manera más clara lo descrito con anterioridad Árbol de clasificación de conceptos – Posicionar boquillas y dosificadores.

Tabla 7. Árbol de clasificación para los conceptos de posicionar boquillas y

dosificadores.

Conceptos generados para dosificar fluido. En esta subfunción se debe tener en cuenta que la cantidad de fluido a dosificar debe ser siempre la misma y que la velocidad de llenado este acorde con las especificaciones previamente establecidas, también se debe tener presente la viscosidad del producto y si este presenta o no espuma al momento del llenado ya que de esto ser así se debe llenar desde el fondo del envase. Los conceptos generados para esta subfunción son:

- Realizar el llenado de los envases por efecto de la gravedad.

- Tornillo sin fin dentro de un cilindro - Pistones neumáticos - Motores lineales

Concepto A: Consiste en posicionar una electro válvula la cual simplemente permitiría o no el paso del líquido a través de ella, permitiendo así el llenado de los envases.

127

Figura 9. Concepto A para dosificar fluido Concepto B: En este concepto se tiene un tornillo sin fin que por medio de su rotación la cual le proporciona un motor expulsa el líquido depositado dentro del cilindro permitiendo de esta manera tener un control en la cantidad de fluido dosificado y la velocidad con que este se dosifica.

Figura 10. Concepto B para dosificar fluido. Concepto C: En este concepto un cilindro neumático se encarga succionar el líquido por medio de un movimiento uniforme, siendo este mismo quien se encarga de expulsarlo posteriormente, la velocidad de dosificación depende la presión que suministre el circuito neumático vinculado a este y el volumen depende del desplazamiento que haga el vástago del cilindro y esto puede hacerse colocándole un tope ajustable a la medida que se requiera

Figura 11. Concepto C para dosificar fluido Concepto D: Los motores lineales realizan las mismas funciones que un pistón neumático, las cuales son succionar y dosificar el líquido de una tolva, este tipo de motores permiten controlar su posición de manera eléctrica y no mecánica como debe hacerse con los pistones además pueden conseguirse velocidades, potencia y precisión muy superiores a los pistones neumáticos. Árbol de clasificación de conceptos para la subfunción dosificar fluido. Tabla 8. Árbol de clasificación para conceptos de

dosificar fluido

128

Conceptos generados para controlador. Esta subfunción se encargada de la comunicación del dosificador por medio de señales de periféricos y dispositivos de instrumentación, es el encargado de la parte inteligente del proceso, el controlador analiza estas señales las procesa y envía respuestas según lo programado. Los conceptos generados para el controlador son los siguientes:

- Familia de Microcontroladores - Controladores Industriales (PLC’s)

Árbol de clasificación para subfunción controlador. Tabla 9. Árbol de clasificación para conceptos de

controlador

Combinación de conceptos. En la siguiente tabla se muestran de manera ordenada los conceptos generados para cada una de las subfunciones críticas Tabla 10. Organización de conceptos generados

ENCAJAR BOQUILLAS Y

DOSIFICADORES

DOSIFICAR FLUIDOS

CONTROL

Banda con separadores Gravedad Microcontroladores

Banda en forma de acordeón

Tornillo sin fin Controladores industriales

Tornillo sin fin y piñones sobre riel

Válvula neumática

Bandeja con separadores Motores lineales

Manual

Tabla 11. Combinación de conceptos Concepto Encajar

boquillas y dosificadores

Dosificar fluidos

Control

Concepto A

Banda con separadores


Concepto B


Gravedad PLC

Concepto C


Tornillo sin fin

Microcontroladores

Concepto D


Tornillo sin fin

PLC

Concepto E


Válvula neumática

Microcontroladores

Concepto G


Válvula neumática

PLC

Concepto H


Motores lineales

Microcontroladores

Concepto I


Motores lineales

PLC

Concepto J



Concepto K


Gravedad PLC

Concepto L


Tornillo sin fin

Microcontroladores

Concepto M


Tornillo sin fin

PLC

Concepto N


Válvula neumática

Microcontroladores

Concepto O


Válvula neumática

PLC

Concepto P


Motores lineales

Microcontroladores

Concepto Q

Tornillo sin fin y piñones

sobre riel

Motores lineales

PLC

Concepto R


sobre riel


129

Concepto S


sobre riel

Gravedad PLC

Concepto T


sobre riel

Tornillo sin fin

Microcontroladores

Concepto U


sobre riel

Tornillo sin fin

PLC

Concepto V


sobre riel

Válvula neumática

Microcontroladores

Concepto W


sobre riel

Válvula neumática

PLC

Concepto X


sobre riel

Motores lineales

Microcontroladores

Concepto Y

Bandeja con separadores

Motores lineales

PLC

Concepto Z



Concepto AA


Gravedad PLC

Concepto AB


Tornillo sin fin

Microcontroladores

Concepto AC


Válvula neumática

Microcontroladores

Concepto AD


Válvula neumática

PLC

Concepto AE


Motores lineales

Microcontroladores

Concepto AF


Motores lineales

PLC

Concepto AG

Manual Gravedad Microcontroladores

Concepto AH

Manual Gravedad PLC

Concepto AI

Manual Tornillo sin fin

Microcontroladores

Concepto AJ

Manual Tornillo sin fin

PLC

Concepto AK

Manual Válvula neumática

Microcontroladores

Concepto AL

Manual Válvula neumática

PLC

Concepto AM

Manual Motores lineales

Microcontroladores

Concepto AN

Manual Motores lineales

PLC

3.4. SELECCIÓN DE CONCEPTOS En primera instancia se puede observar que algunas de la combinaciones no cumplen con las especificaciones previamente establecidas y por tal motivo están han sido descartadas en base a una decisión personal, luego por medio de la evaluación hecha en la matriz de tamizaje y la matriz de evaluación de conceptos se seleccionara el concepto final que en teoría es el ideal para desarrollar la máquina pero también se deberá tener en cuenta factores como la capacidad económica de la empresa y la disposición de los materiales y equipos. Selección personal. Los criterios A, B, C, E, G, I, J, K, M, O, Q, R, S, U, W, Y, Z, AA, AC, AE, AG, AI, AK y AM fueron descartados a criterio personal por no cumplir con muchos de los requerimientos necesarios para el cumplimiento de los objetivos. Se decidió eliminar los conceptos que en la subfuncion controlador requieran de un microcontrolador ya que esto limita la máquina para futuras mejoras o expansiones además el número de horas ingeniero requeridas para la puesta en marcha y mantenimiento es mayor que las requeridas para un PLC. También se descartaron los conceptos que pretendían hacer la dosificación por efecto de la gravedad ya que la idea es mejorar considerablemente los tiempos de llenado actuales. Matriz de tamizaje de conceptos. Esta matriz de selección evalúa los criterios de selección por medio de pesos o ponderaciones, para el tamizaje los criterios son: + mejor que, 0 igual que, - peor que, al final la suma de positivos y negativos definirá el orden para así determinar los conceptos que continúan.

130

En la tabla 12, se selecciono como referencia el concepto F ya que muchos de las maquinas de este tipo que se encuentran en el mercado presenta características muy similares a esta.

Tabla 12. Matriz de tamizaje de conceptos (Ver apéndice a) La tabla anterior muestra que los conceptos D, L, N, T, AB, AD no serán tenidos en cuenta ya que afectan de manera negativa el desempeño de la maquina, para el resto de las combinaciones se hará un análisis un poco más detallado posteriormente. Matriz para la evaluación de conceptos. Para la matriz de evaluación los criterios: 1 mucho peor que, 2 peor que, 3 igual a, 4 mejor que, 5 mucho mejor que. Se establece una ponderación para cada criterio de selección y se multiplica por la evaluación correspondiente, esto determinará el total para cada concepto y se escoge el más óptimo para desarrollar

Tabla 13. Matriz de evaluación de conceptos (Ver apéndice a). De la anterior evaluación se puede observar que el concepto X es el más pertinente para desarrollar ya que este cumple a cabalidad con las especificaciones requeridas por la empresa, el concepto AF también puede ser una buena opción por esta razón aun no será descartada completamente. Se debe tener en cuenta que los conceptos AN, AL, AJ y AH no se incluyeron en el proceso de selección ya que estos involucran el posicionamiento manual de los dosificadores aunque no fueron completamente descartados ya que podrían ser aun alternativa válida teniendo en cuenta las condiciones económicas de la empresa. Especificaciones finales. Después de seleccionado el concepto se realizan algunos cambios a las especificaciones finales, que definen las características de la máquina, estas dependen del concepto seleccionado y se ajustan de acuerdo a sus características. Se numeran en orden de acuerdo a la importancia generada en el método QFD (ver apéndice B). Las especificaciones finales coinciden exactamente con las preliminares (ver tabla 6). 4. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA

4.1. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

En esta etapa del proceso de diseño se determina si la arquitectura del producto es modular o

integral, el tipo de modularidad, la asignación de funciones a los conjuntos y otros aspectos que serán oportunamente tratados en esta etapa del proceso de diseño. Para este proyecto se planteo que lo más importante es la flexibilidad de la máquina ya que se requiere espacio para futuras mejoras tales como: adición de dosificadores, tipos de aceites, la posibilidad de llenar diferentes tipos de aceite al mismo tiempo y la posibilidad de hacer un control de calidad automático a los envases dosificados, estas son razones de peso por las cuales después de analizar todas las futuras mejoras que se le pueden realizar a la maquina, se llego a la conclusión que el proyecto debe estar enfocado hacia una estructura modular para garantizar que las futuras mejoras que se le realicen no causen mayor dificultad a la hora de realizar dichos cambios. Interacciones entre elementos físicos y funcionales.

Tabla 14. Interacción entre elementos físicos y funcionales.

131

Aunque estas interacciones muestran que existen algunas relaciones entre elementos físicos y funcionales se debe dejar claro que no se trata de un diseño con arquitectura integral. Estas relaciones se dan simplemente porque de alguna forma la relación de los elementos físicos con algunos funcionales garantizan el buen funcionamiento del sistema, formando módulos independientes que realizan funciones específicas que al momento de interactuar desarrollan la función principal. La arquitectura modular la define la flexibilidad de todos y cada uno de sus conjuntos o subsistemas, logrando a realizar futuras mejoras y así garantizar el aumento de la producción de la maquina. Esquema de grupos de elementos a conjunto. En la siguiente tabla se puede observar a los elementos físicos con sus respectivos flujos de señales y el grupo al cual pertenecen. Estos elementos se agrupan según sus funciones y la relación que exista con los demás elementos seleccionados, estas relaciones las podemos establecer por medio del flujo de señales, flujo de fuerzas y energía o flujo de materiales.

Tabla 15. Grupos de elementos en conjuntos.

Distribución geométrica (layout). Permite determinar si es posible la distribución y ubicación en un espacio dado, o estudiar otras posiciones en caso de haber interacciones físicas incidentales entre los conjuntos que afecten el funcionamiento de la máquina (ver figura 12 y 13).

Figura 12. Distribución geométrica, vista frontal

Figura 13. Distribución geométrica, vista lateral

Interacciones entre productos. Existen dos tipos de interacciones, fundamentales e incidentales, la primera es necesaria para el perfecto funcionamiento de la planta (ver tabla 15). La segunda surge de la implementación física o por la distribución geométrica de los conjuntos que al interactuar causan algún efecto negativo sobre algún conjunto. En la siguiente tabla se muestran las posibles interacciones incidentales de la máquina.

Tabla 16. Interacciones incidentales entre

conjuntos

132

Descripción de las interacciones. Para todas las descripciones que se muestran a continuación están referenciadas con base a la tabla 16 Interacción 1: Debido a que el fluido se dejara caer por efecto de la gravedad dentro de la tolva al momento de realizar el llenado de la tolva se presenta una vibración casi despreciable. Interacción 2-1: El controlador distorsiona térmicamente el chasis debido al calentamiento de algunos de sus componentes. Interacción 3-1: La interferencia RF es producida por la fuente de alimentación o circuito de potencia, si no se tiene una buena protección esto puede ocasionar pulsos falsos debido al ruido. Interacción 4-1: Esta interacción no ocurriría siempre y cuando se tenga una distancia adecuada entre la boquilla de los envases y los dosificadores. Si llegara a ocurrir esta obstrucción, se podría ver seriamente afectada la punta de los dosificadores, la boquilla de los tarros o la banda transportadora. 4.2. DISEÑO INDUSTRIAL En esta etapa del diseño concurrente se debe crear y desarrollar conceptos y funciones las cuales logren optimizar las diferentes etapas del sistema, logrando con esto beneficiar al usuario y al fabricante. El diseño industrial tiene unos objetivos los cuales son de gran ayuda en el desarrollo de un producto, estos son: Utilidad, apariencia, facilidades de mantenimiento, Bajo costo, Comunicación.

- Utilidad: garantizar que la interface con el usuario debe ser segura, fácil de usar e intuitiva.

- Apariencia: El propósito de esta es lograr que el producto final logre ser agradable.

- Facilidad de mantenimiento: Poder

comunicar de forma sencilla como será su mantenimiento y reparación.

- Bajo costo: La forma y las

características del producto influyen en el costo de producción.

- Comunicación: El producto debe

comunicar su misión por medio de su apariencia visual.

El diseño industrial puede ser una herramienta muy importante para el comprador debido a la comunicación que el producto brinda en su aspecto visual, logrando por medio de esta diferenciar las cualidades del producto con mayor facilidad. Para que un producto sea exitoso debe tener ciertas cualidades diferenciadoras que lo hacen competitivo, a continuación se nombran las más importantes:

- tamaño y peso moderado. - Características de funcionamiento. - Superior ergonomía. - Durabilidad - Fácil de fabricar - Buena apariencia.

A continuación se procede a evaluar el nivel de importancia del DI del producto según las necesidades ergonómicas y estéticas, la primera se relaciona con todos los aspectos de las interfaces con los humanos; la segunda se relaciona con el impacto visual que produce el producto. Al momento de realizar la evaluación de las necesidades ergonómicas es necesario hacer los siguientes cuestionamientos:

� ¿Cuán importante es la facilidad de uso? � ¿La facilidad de mantenimiento? � ¿Cuántas interacciones se requieren con

el usuario para hacer que el producto funcione?

� ¿Cuánta novedad involucran esas interacciones?

� ¿Cuáles son los aspectos de seguridad a considerar?

Ahora está, al momento de realizar la evaluación de las necesidades estéticas también es necesario hacer ciertos cuestionamientos:

� ¿Se requiere una diferenciación visual del producto?

� ¿Cuán importante es el orgullo de posesión, la imagen y la moda?

� ¿Podría la estética del producto motivar al equipo de desarrollo?

Valoración del diseño industrial (DI).

133

Figura 14. Valoración del diseño industrial Clasificación del producto.

Figura 15. Clasificación del producto

Este producto es dominado por la tecnología, debido a que su beneficio principal está basado en la tecnología o su habilidad de acometer una terea técnica especifica; Para el equipo de desarrollo los requerimientos ingenieriles y técnicos predominan sobre los otros. Evaluación de la calidad del diseño industrial. Para realizar esta evaluación de la calidad de DI en la maquina dosificadora de líquidos viscosos se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos: Calidad de las interfaces de usuario: al realizar este punto de la evaluación se puede saber cuán fácil es usar el producto. En el preciso momento en el cual el usuario observe el producto este podrá reconocer su funcionalidad y modo de operación.

Requerimientos emocionales: evalúa los requerimientos emocionales del consumidor. El producto es atractivo a simple vista, ya que en todas sus partes se logra observar la calidad del diseño, posee apariencia tecnológica e inspira orgullo de posesión al usuario y al grupo de desarrollo. Facilidades de mantenimiento y reparación: aunque el producto es de fácil mantenimiento por su modularidad es importante que el mantenimiento del mismo sea realizado por personal capacitado, el usuario no debe ser el encargado de realizar esta tarea, a menos que reciba la respectiva capacitación del caso. Uso apropiado de recursos: evalúa cuán bien han sido utilizados los recursos para satisfacer las necesidades del cliente. Los materiales seleccionados en el diseño son los más apropiados. La dosificación del líquido está diseñada a la medida y no se ha despreciado ninguna característica. El diseño del producto cumple con los aspectos legales y ambientales para su fabricación y funcionamiento. Diferenciación del producto: evalúa la exclusividad del producto y su consistencia con la identidad corporativa. El cliente podrá diferenciar el producto con solo mirarlo, debido a la calidad e innovación que este posee.

Figura 16. Diferenciación del producto 4.3. DISEÑO PARA MANUFACTURA En este apartado se explicara el conjunto de técnicas que se emplean desde la fabricación y la

134

puesta en marcha de la planta hasta su posterior retiro, se tendrán en cuenta los problemas presentados y se plantearan soluciones para estos. Análisis de diseño para manufactura. Esta máquina está siendo diseñada para el sector industrial sin embargo se busca que pueda encajar perfectamente en cualquier tipo de industria por lo tanto el material ideal para esta aplicación es el acero inoxidable ya que tiene propiedades físicas que son beneficiosas tanto para el sector industrial como para el sector alimenticio o para cualquier otro tipo de industria. También se debe tener presente que variables como el peso y los costos juegan un papel importante en este proceso, por eso la importancia de escoger los materiales y equipos adecuados que me representen una vida útil considerable y que garanticen la economía de la máquina al pasar del tiempo. Otro ejemplo de esto puede observarse en el conjunto dosificadores-envases ya que una medida errónea de las distancia puede ocasionar perdidas y por ende dinero. El programa que controla la planta se hizo lo mas modular posible tratando de independizar algunos procesos, esto con el objetivo reducir las horas ingeniero en caso de que se desee adicionar un dosificador o algún otro modulo. Modelo del sistema de manufactura.

Tabla 17. Modelos del sistema de manufactura

Estimación de los costos de manufactura. En apartados anteriores de este documento se tomo como alternativa de implementación un concepto que impulsaba el movimiento de los dosificadores de manera automática por medio de un tornillo sin fin el cual realizaba el movimiento de los dosificadores en el eje Y, y un riel por el cual se desplazarían sobre el eje X cada uno de los pistones de manera individual impulsados por tantos motores paso a paso como numero de dosificadores existan. Debido a la cantidad de partes que tiene esta solución y teniendo en cuenta la situación económica de la empresa esta decidió que la solución anteriormente descrita no sería implementada y que el movimiento de los dosificadores se haría de forma manual por parte del operario justo antes del proceso de dosificación ya que este movimiento no se realiza de manera constante si no únicamente cuando se cambia el tipo de envase. Con base en esta información se decidió a realizar la cotización de los elementos necesarios para la implementación de la máquina. Costo de los componentes. Algunos de los componentes son comerciales y se encuentran en el mercado a precios favorables. Es recomendable adquirir elementos estandarizados debido a que el costo de manufactura en un taller industrial es elevado. Otra ventaja es que estos componentes cumplen normas internacionales y poseen especificaciones, las cuales son de vital información para el diseño. La siguiente en una tabla con los precios de los componentes que pueden adquirirse fácilmente en el mercado.

Tabla 18. Costo de los elementos comerciales. Componentes Unidades Costo

Unidad Costo Total

Sensores de nivel 2 250.000 500.000

Electro válvulas 10 172.250 1.722.500

Banda transportadora

1 2.000.000 2.000.000

Válvulas unidireccionales

5 511.000 2.555.000

Mangueras de alimentación (m)

10 22.000 220.000

Controlador 1 3.128.000 3.128.000

Fuente de alimentación

1 50.000 50.000

interfaz de 1 50.000 50.000

135

usuario

Pistones de doble vástago

5 544.750 2.723.750

Pistones de vástago sencillo

2 118.000 236.000

Foto sensor 1 250.000 250.000

Finales de carrera para

pistones

7 98.000 686.000

Interruptor tipo Hongo

1 12.000 12.000

Luego de identificar las partes que se consiguen fácilmente en el mercado se deben seleccionar las partes que hay que mandar a fabricar. En la siguiente tabla se muestra el listado de costos de los elementos a los que se les debe hacer maquila.

Tabla 19. Costo de elementos no comerciales Pieza Proceso Costo

Chasis soldadura 350.000

Tubo con boquilla

dosificadora

Torno Fresa y doblado

170.000

Cilindro de dosificación

Rectificación y torno

138.000

Tolva cónica Corte, Soldadura y

torno

250.000

Embolo Torno fresa 150.000

Tabla 20. Costo Total Tipo de elementos Valor

Comerciales 14.133.250

No comerciales 1.058.000

Total 15.191.250

Cabe resaltar que las cotizaciones fueron hechas en compañías como MICRO S.A, SCHENEIDER ELECTRIC, entre otras, las cuales proveen este tipo de componentes a muchas empresas dedicadas a la construcción de este y otros tipos

de maquinas en la región; se escogieron estas compañías por el respaldo que estas al momento de un mal funcionamiento podrían brindar. Costos Fijos. Los costos fijos son mínimos; en el caso de los costos de aseguramiento no se requirió inversión; existieron solo algunos costos indirectos como transporte, asesorías, internet, consultas telefónicas y gastos en pruebas de laboratorio. Reducción de costos de manufactura. El rediseño de componentes para eliminar etapas de procesamiento es clave durante el proceso de diseño, pero requiere investigar o cotizar nuevos sistemas que cumplan con la especificación establecida, aunque esta reducción se ha hecho de manera indirecta con anterioridad se considera que para la subfuncion posicionar boquillas y dosificadores, el foto sensor escogido con anterioridad el cual es el encargado de detectar la presencia de los envases, por su elevado costo (250.000 pesos), sería remplazado por un circuito conformado básicamente por un diodo infrarrojo, un foto transistor y un comparador (LM339) alimentado con 24 V que es el voltaje de operación del controlador y cuyo valor es de apenas 12.000 pesos

5. DISEÑO DETALLADO 5.1. SELECCIÓN DE MATERIALES Los materiales que se tuvieron en cuenta en el diseño de este proyecto, fueron seleccionados para ser apto al momento de entrar en contacto con los diferentes tipos de aceites que intervienen en el proceso. Aunque existen diversos tipos de materiales que cumplen con normas internacionales para estar en contacto con estos tipos de aceites los cuales son derivados del petróleo se tomó la decisión de utilizar acero inoxidable 316. A continuación se dilucida las propiedades del acero inoxidable 316. Acero inoxidable 316: este es un material perteneciente a la familia de las aleaciones de hierro resistentes a la corrosión y que contienes un mínimo de un 11% de cromo. Es este contenido en cromo el que confiere al acero inoxidable la capacidad resistente a la corrosión a través de la formación de una película superficial pasivante, que se adhiere a la superficie y se auto sella cuando se daña.

136

La resistencia a la corrosión hace del acero inoxidable un material muy adecuado cuando el factor medioambiental es determinante en la selección del material ya que tiene un ciclo de vida mayor y requiere un menor mantenimiento que otros tipos de acero. Tabla 22. Propiedades del acero inoxidable 316

Las propiedades en general de este material son muy amplias para este tipo de aplicación, en operaciones estos valores están muy por debajo de cada propiedad. 5.2. DISEÑO MECÁNICO Para realizar el diseño mecánico se tuvo principalmente en cuenta los requerimientos del cliente, también los resultados arrojados en la etapa de diseño industrial y el análisis de fuerzas en las subfunciones mas criticas. Para análisis de las fuerzas que intervienen se realizaron pruebas en el laboratorio de fluidos, dichas pruebas fueron: de viscosidad y densidad, para obtener las variables necesarias para resolver las ecuaciones correspondientes.

Figura 17. Prueba de viscosidad. Propiedades reológicas del fluido dosificar. Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, estas determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo. Las propiedades reológicas se definan a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se va deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Dicho sistema de fuerzas se representa matemáticamente mediante el esfuerzo cortante “ xyτ ” mientras que la respuesta dinámica del

fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformación “D”.

137

Figura 18. Detalle del movimiento del fluido Tipo de fluido: existen tres tipos de fluidos Newtonianos, no Newtonianos y Viscoelásticos, el tipo lo define la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación que viene dada por la ecuación:

dt

duxy µτ = (1)

Siendo xyτ = esfuerzo cortante (mPa)

µ = viscosidad dinámica del fluido (mPa-s) du/dt = velocidad de deformación del fluido (s-1) = D Nota: Estas unidades son las más usadas en reología. En el siguiente esquema se muestra los tipos de fluidos existentes en reología.

Tabla 23. Tipos de fluidos.

Viscosidad: se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido, es decir, la capacidad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza.

dy

dv

A

F η= (2)

Donde η es el coeficiente de viscosidad que

depende del flujo. Según el análisis reológico (ver tabla 24) el aceite fabricado por la empresa que presenta mayor viscosidad es newtoniano ya que sus curvas de fluidez y viscosidad (esfuerzo de corte versus velocidad de corte y viscosidad versus velocidad de corte respectivamente) teóricamente se pueden ajustar perfectamente a las mostradas en la figura 19.

Figura 19. Curvas de fluidez y viscosidad

Tabla 24. Resultados prueba de viscosidad

Tipo de Aceite

Velocidad RPM

Viscosidad cP

Velocidad de corte D (s-1)

Esfuerzo de corte τ

(dinas/cm2)

Monogrado SAE 50

100 657000 1.67 1097.19

60 656700 1.00 656.7

50 656000 0.83 544.48

30 653300 0.50 326.65

Viscosidad, esfuerzo y velocidad de corte

promedio 655750 1.00 655.75

Análisis de fuerza dentro del sistema dosificador. Si se supone un embolo de radio r dentro de un cilindro de radio R y longitud L, se obtienen las siguientes fuerzas sobre el pistón Fuerza debido a la presión

PrF ∆⋅⋅= 2π (3) Fuerza debido a la viscosidad

rLdr

dvF πη 2⋅⋅−= (4)

Al igualar las fuerzas obtenemos:

138

L

rP

dr

dvrL

dr

dvPr

ηπηπ

222 ⋅∆−=⇒⋅⋅−=∆⋅⋅

Luego de despejar el diferencial del volumen e integrar con respecto al diferencial del radio se obtiene la siguiente expresión para el volumen:

L

rPv

η4

2⋅∆−= (5)

A partir de esta ecuación puede deducirse el caudal como:

∫ ∫ ⋅⋅==R R

rdrrvdArvQ0 0

)(2)( π

Luego de realizar esto el caudal se define como:

L

RPQ

ηπ

8

4⋅∆= (6)

Al despejar la presión de la ecuación anterior obtenemos:

4

8

R

LQP

πη=∆ (7)

Esta fórmula se utiliza para fluidos con viscosidad constante y debido a que el fluido con el que se está trabajando es newtoniano se puede pensar que la viscosidad permanecerá constante. La prueba de viscosidad se realizo a velocidades muy inferiores a las velocidades de operación de la planta por tal motivo de aquí en adelante se trabajara con la velocidad de corte promedio obtenida en las pruebas (ver tabla 21) resulta conveniente para este análisis. Para determinar la fuerza que se necesita para desplazar el embolo dentro del cilindro se debe tener en cuenta la presión ya que la fuerza está en función de esta. Se debe empezar a realizar el análisis desde la boquilla de dosificación tramo por tramo hasta el conjunto conformado por el embolo y el cilindro. Problema 1. El fluido contenido en la tolva fluye a través de la válvula unidireccional por acción del embolo de radio R cuando este realiza un desplazamiento negativo empujado por un

cilindro neumático hasta llenar 1L el contenedor cilíndrico (para este caso se supondrá el llenado de 1L por ser la cantidad que mas dosifica en la empresa, pero la capacidad máxima del cilindro es de 4L), luego de eso el cilindro neumático empuja el embolo en la dirección positiva haciendo que el contenido del contenedor cilíndrico salga por la boquilla de boquilla de dosificación, el fluido no se devolverá hacia la tolva que la válvula que permitió su ingreso solo permite el flujo en una sola dirección. El tiempo de llenado del contenedor cilíndrico y la dosificación del envase es de 4 segundos. Teniendo en cuenta la fuerza permanecerá siempre constante en el proceso de llenado y dosificación, hallar la fuerza necesaria para desplazar el embolo hasta llenar 1L del fluido dentro del contenedor cilíndrico en 2 segundos. Solución Partiendo de datos que conocemos como el caudal de salida en la boquilla de dosificación Q=500 mL/s, el diámetro de la boquilla

mmdb 55.32= , la longitud de la boquilla de

dosificación es de 1 pulgada, el tubo de salida del contenedor cilíndrico posee una distancia

mmLt 253= y un diámetro de 6 cm, la carrera

del embolo al interior del contenedor cilíndrico es de 5.66 cm, el diámetro del cilindro contenedor es

cmDc 15= , la viscosidad promedio del fluido

es de 655750 centipoises. Primera parte: El fluido contenido en la tolva es succionado por el embolo, este fluido se opone a la deformación del mismo debido a su viscosidad, la fuerza que se necesita para vencer la viscosidad en este trayecto, es la siguiente:

s

m

cm

m

s

cmQ

34

3

363

1051

101500 −

−

×=××=

( )( ) 24

343

2

55.1493075.0

105106.5675.6558

m

N

m

s

mm

m

sN

P =⋅

×⋅×⋅

⋅⋅=∆

−−

π

Con el resultado hallado se logra hallar la fuerza necesaria para generar este caudal mediante la siguiente ecuación:

139

APF ×∆= (8) Donde A es el área del cilindro contenedor

( ) 2322 1067.17075.0 mmrA −×=⋅=⋅= ππ

Finalmente podemos decir que la fuerza es

( ) Nmm

NF 39.261067.1755.1493 23

21 =×⋅

= −

Esta es la fuerza resistente a la deformación del fluido para el caudal correspondiente, ahora, hay que aplicar el principio de pascal el cual dice que toda presión aplicada a un punto del fluido, se transmite a todos los puntos del mismo, para ello debemos suponer que en la entrada del conducto, hay un embolo aplicando la presión encontrada anteriormente, accionado por el efecto de otro pistón que empuja sobre un área más grande.

A

AFF

A

F

A

F 212

2

21 =⇒= (9)

Donde A2 es el área del conducto que va desde el cilindro contenedor hasta la boquilla dosificadora

2222 1013.1)06.0( mmA −×=⋅= π

( ) ( )N

m

mNF 88.16

1067.17

1013.139.2623

22

2 =×

×⋅= −

−

Esta fuerza es la que deberá soportar el tubo al paso del fluido, ahora con el objetivo de encontrar la fuerza que el pistón deberá realizar para hacer el desplazamiento del fluido se realiza la sumatoria de F1 y F2

NNNFFFp 267.4387.1639.2621 =+=+= (10)

Finalmente esta es la fuerza que deberá hacer cada uno de los pistones para llenar un litro del fluido descrito en 2 segundos. Con estos cálculos fuerza se pudo determinar la empresa debe contar con un circuito neumático que sea capaz de proveer aproximadamente 82 PSI a cada pistón que sea utilizado como dosificador. Diseño de subfunciones criticas. Teniendo muy en cuenta las especificaciones finales, las

necesidades del cliente, las condiciones de trabajo, análisis de fuerzas y movimientos, se entra en detalle en el diseño del sistema que satisface la plena necesidad. En los siguientes pasos en el proceso de diseño se expondrán algunos detalles del diseño de las subfunciones críticas de la maquina. Diseño de subfuncion critica encajar boquillas y dosificadores. El sistema escogido para lograr encajar las boquillas fue una banda transportadora a la cual se le adaptaron dos pistones de vástago simple que funcionan de forma secuencial. La subfuncion encajar dosificadores se realizará de forma manual, donde el operario debe calibrar la maquina según el tipo de envase que desee llenar. El conjunto completo consta de los siguientes elementos:

• Pistones de vástago simple: estos actúan

como topes permitiendo el paso solo cuando sea necesario y solo de 5 tarros a la vez garantizando que las boquillas de los envases queden en la posición correcta, mediante el uso de acondicionamiento neumático, permitiendo así que los dosificadores puedan empezar a realizar su función. El pistón que se encuentra al inicio del recorrido debe ser movido por el usuario dependiendo del tipo de tarro para garantizar la selección de 5 envases por vez.

• Sensor detector de envases: El pistón que

se encuentra al final del recorrido está acompañado de un sensor foto eléctrico, el cual le indica cuando un envase se encuentra cerca de él y de esta manera este sabe cuándo se debe poner el tope para que los envases queden en la posición deseada.

• Dosificadores: Los dosificadores están

ubicados en un soporte tubular el cual posee guías de las distancia que los dosificadores deben tener según el tipo de envase a llenar, también poseen tornillos de ajuste en la parte superior para garantizar que el dosificador permanezcan anclados a su posición durante todo el proceso.

• Guías: Se adaptaron a la banda para no

permitir el desvió o mala ubicación de los envases durante la trayectoria. Son dos varillas de aluminio ubicadas a lo largo de la banda.

En la selección de conceptos falto resaltar algo muy importante, durante el proceso nos pudimos

140

dar cuenta que en la industria hay un concepto o manera de posicionar los envases, el concepto es normalmente conocido como cruz de malta o Geneva Wheel, este alimentador el cual es una bandeja circular posiciona los envases rotándolos desde su posición inicial hasta la ubicación del dosificador, es muy utilizado en procesos donde la dosificación puede hacerse de manera muy rápida (líquidos como el agua) o cuando las cantidades a dosificar son pequeñas ya que este sistema tiende a ser un poco lento.

Figura 20. Mecanismos de dosificación con cruz

de malta. Diseño de subfuncion dosificar fluido. El sistema escogido fue un pistón de de doble vástago, el cual empuja un embolo que se encuentra ubicado dentro de un cilindro que está compuesto por una válvula unidireccional en uno de sus extremos y por la boquilla dosificadora en el otro, cuando el pistón se recoge la válvula por efecto de la presión permite el paso del fluido y cuando este sale, la válvula no permite que el fluido fluya en la dirección contraria obligando a este a salir por la boquilla dosificadora. El sistema consta de las siguientes partes:

• Elemento de empuje: estos son los que aplican la fuerza necesaria para que el embolo pueda succionar y dosificar el fluido; para esta máquina se escogieron pistones de doble vástago, diámetro 63 trabajando a una presión de 82 PSI ya que estos permiten que el operario pueda controlar la carrera del pistón por medio del movimiento de una tuerca, adicional a eso, el operario en el proceso de calibración de la maquina deberá mover también el final de carrera de dicho pistón.

• Elemento de almacenamiento temporal: cilindro que almacena el fluido solo por el lapso de tiempo que se demoran los envases en posicionarse y el sistema envía la señal de que ya se puede empezar a dosificar.

• Elementos de direccionamiento de

flujo: se encargan de direccionar el sentido o la trayectoria del fluido en un instante dado, este diseño utiliza válvulas unidireccionales las cuales se consideran que poseen un buen funcionamiento para este tipo de situación, claro está que existen otros tipos de válvulas tales como: válvulas con direccionamiento por medio de balines y resortes, lamentablemente su uso no es el ideal en procesos tan viscosos, por tal motivo no hay posibilidad de utilizarlas en este proyecto.

• Elementos de circulación y salida: a través de estos el fluido circula hasta encontrar una salida, los más utilizados son: mangueras, tubos de acero inoxidable, canales, etc. Este diseño utiliza mangueras, las cuales se encargan de llevar el líquido hasta el dosificador, tubos roscados hechos en acero inoxidable y salida cónica.

Diseño del subconjunto controlador. El control es realizado a través de un PLC de referencia TWDLCAE40DRF de Telemecanique el cual fue programado en el software TWIDO SUITE v2.0, este PLC consta de 24 entradas a 24 voltios DC, 14 salidas de relé a 2A y 2 salidas de transistor a 1A, ya que las salidas con las que este controlador contaba no eran suficientes se le agrego un modulo de expansión de 8 salidas de referencia TWDDRA8RT (Telemecanique). El voltaje de alimentación del PLC esta ente 120 y 230 voltios AC, este equipo fue seleccionado debido a que está siendo ampliamente utilizado en la industria y debido a presenta una vida muy superior si se le compara con otros controladores de su tipo. Características del programa. El programa se realizo partiendo del lenguaje de programación GRAFCET debido a que los diagramas de bloques permiten ver de una manera más clara el proceso y cada una de las etapas además este lenguaje nos permite tener orden al momento de traducirlo al lenguaje de programación Ladder que es el entendido por el

141

controlador. El sistema consta de 24 entradas digitales, 18 salidas digitales y 24 memorias que en su gran mayoría corresponden a estados o instancias del programa que permiten controlar y saber si se puede o no dar el paso siguiente, repartidas como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 25. Variables del programa NOMBRE

DE LA VARIABLE

DESCRIPCION

%I0.14 ACEITE_1

%I0.15 ACEITE_2

%I0.16 ACEITE_3

%I0.17 ACEITE_4

%Q1.3 BANDA_TRANSPORTADORA

%M26 DOSIFICACION

%Q0.1 ENTRAR_PISTON_A

%Q0.3 ENTRAR_PISTON_B

%Q0.5 ENTRAR_PISTON_C

%Q0.7 ENTRAR_PISTON_D

%Q0.9 ENTRAR_PISTON_E

%Q0.11 ENTRAR_PISTON_F

%Q0.13 ENTRAR_PISTON_G

%I0.21 FOTO_SENSOR

%I0.18 LIMPIADOR

%M0 M0_0

%M1 M0_1

%M2 M0_2

%M3 M0_3

%M4 M0_4

%M5 M0_5

%M6 M0_6

%M7 M0_7

%M8 M0_8

%M9 M0_9

%M10 M0_10

%M11 M0_11

%M12 M0_12

%M13 M0_13

%M14 M0_14

%M27 M0_15

%M15 M1_0

%M16 M1_1

%M17 M1_2

%M18 M1_3

%M19 M1_4

%M20 M1_5

%M21 M1_6

%M22 MP

%M24 NEG

%I0.23 NIVEL_ALTO

%I0.22 NIVEL_BAJO

%I0.1 PISTON_A_AFUERA

%I0.0 PISTON_A_RECOGIDO

%I0.3 PISTON_B_AFUERA

%I0.2 PISTON_B_RECOGIDO

%I0.5 PISTON_C_AFUERA

%I0.4 PISTON_C_RECOGIDO

%I0.7 PISTON_D_AFUERA

%I0.6 PISTON_D_RECOGIDO

%I0.9 PISTON_E_AFUERA

%I0.8 PISTON_E_RECOGIDO

%I0.11 PISTON_F_AFUERA

%I0.10 PISTON_F_RECOGIDO

%I0.13 PISTON_G_AFUERA

142

%I0.12 PISTON_G_RECOGIDO

%M23 POS

%Q0.0 SALIR_PISTON_A

%Q0.2 SALIR_PISTON_B

%Q0.4 SALIR_PISTON_C

%Q0.6 SALIR_PISTON_D

%Q0.8 SALIR_PISTON_E

%Q0.10 SALIR_PISTON_F

%Q0.12 SALIR_PISTON_G

%I0.19 START

%I0.20 STOP

%Q0.14 VALVULA_AC_1

%Q0.15 VALVULA_AC_2

%Q1.0 VALVULA_AC_3

%Q1.1 VALVULA_AC_4

%Q1.2 VALVULA_LIMPIADOR

En el programa en lenguaje Grafcet que se muestra a continuación se puede observar que cuando el proceso inicia la subrutina que controla la dosificación y el posicionamiento de los envases solo se inician si la tolva de almacenamiento ha alcanzado un nivel mínimo de fluido, una vez esto ha ocurrido, la banda transportadora se activa y los pistones A,B,C,D,E se contraen generando la succión del fluido a dosificar, al mismo tiempo el pistón F se contrae permitiendo el paso de los envases, cuando estos llegan al foto sensor, el pistón G que en ese momento esta expandido continua en ese estado haciendo que los envases se posicionen. Luego de esto el pistón F sale asegurando que ningún otro envase pueda avanzar y los pistones A,B,C,D,E empujan el embolo para que este a su vez dosifique el fluido dentro del envase, cuando han terminado de dosificar el fluido, el pistón G permite el paso de los envases ya llenos mientras que el pistón F sigue reteniendo a los envases vacíos al mismo tiempo que los contenedores cilíndricos están siendo nuevamente cargados; cuando ya se ha despejado el espacio de dosificación por parte de los envases llenos se permite el ingreso de 5 nuevos tarros y el proceso comienza su ciclo nuevamente. Si en algún

momento la tolva de almacenamiento alcanza su nivel máximo solo se cerrara la electroválvula asociada al tipo de aceite escogido pero el proceso de dosificación continua normalmente. La planta completa solo se detendrá en caso de que el paro de emergencia sea activado. La siguiente figura muestra la disposición física de los accionamientos para entender mejor el diagrama grafcet.

Figura 21. Disposición física de los pistones Grafcet del programa

143

Subrutina dosificación

Figura 22. Grafcet del software de la planta. Luego tener el programa en grafcet procedemos el ladder queda de la siguiente manera:

147

La interfaz del operario está compuesta por un selector de 5 posiciones, un pulsador para el start, y un interruptor tipo hongo para el paro de emergencia. 5.3. DISEÑO ELECTRÓNICO El sistema electrónico está conformado por un PLC Telemecanique de referencia TWDLCAE40DRF, según el resultado de la selección de conceptos; este a través de sus puertos de entrada/salida recibe y envía señales a los respectivos sensores y accionamientos del sistema, este dispositivo solo es de control. Ahora pasamos a analizar este y todos los dispositivos relacionados con el funcionamiento de la maquina: Sensores. Los sensores son parte fundamental en cualquier proceso industrial que se realice, ya que poseen la habilidad de detectar señales físicas como luz, tacto, sonido, etc. por medio de un transductor la convierten en señales eléctricas capaces de ser interpretadas por el controlador que en este caso se trata de un PLC TWDLCAE40DRF de Telemecanique.

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El juego de sensores que posee esta máquina llenadora está compuesto por:

- 1 Sensor foto-eléctrico

- 14 finales de carrera de tipo electromagnéticos para los pistones

neumáticos.

Los transductores escogidos para esta aplicación ya tienen sus salidas con los valores de voltaje y corriente necesario para trabajar con el controlador, por lo tanto no se hace necesario un circuito de acondicionamiento

- Sensor foto-eléctrico: en el programa este sensor recibe el nombre de “foto-sensor” y es el encargado de detectar cuando un envase esta cerca del pistón tope, esto ocurre cada que el envase corta la señal del receptor.

El sensor está conformado por un circuito cuyo diagrama de bloques se muestra a continuación:

Figura 23. Diagrama de bloques del foto-sensor El circuito óptico está conformado básicamente de un diodo infrarrojo que le envía la señal a un fototransistor y este a su vez está conectado a otro transistor en que se encarga de amplificar la señal. El circuito se muestra a continuación:

Figura 24. Circuito óptico

El comparador (LM339) se encargara de entregar una señal que el controlador interpretara como un uno (1) o un cero (0) debido a que este se alimentara con 24V y como se dijo anteriormente es voltaje es el voltaje de trabajo del controlador. El circuito es el que se muestra a continuación:

Figura 25. Comparador

- Finales de carrera electromagnéticos:

estos son los encargados de comunicarle al controlador si el pistón neumático ha terminado o no su desplazamiento, esto es posible debido a que los vástagos de los pistones escogidos tienen un imán el cual interfiere con las líneas de campo generadas por el sensor y este registra esa interferencia como un 1 o un 0 lógico sin necesidad de que exista un contacto físico entre el vástago y el sensor

- Electroválvulas: Están se encargan de permitir el paso de aire y fluidos a través de ellas, cuando están son energizadas las electroválvulas son muy utilizadas en este diseño.

Parámetros eléctricos. Alimentación: esta máquina debe poder operar en zonas industriales por lo tanto posee una alimentación de línea de 3 fases, por la banda transportadora debe poder operar bajo estas condiciones. Frecuencia: la frecuencia es de 60Hz para este tipo de alimentación. Protecciones del controlador: El controlador debe ser protegido, con un fusible de tres amperios o disyuntor bipolar, también se debe tener en cuenta que cada 16 entradas y 4 salidas digitales debe ponerse otro fusible que soporte 3 amperios. Esquema general de conexión. Las siguientes figuras muestran un esquema de general del tipo

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de conexiones que deben realizarse en el controlador tanto para las entradas, como para las salidas.

Figura 26. Esquema general de conexión para las entradas

Figura 27. Esquema general de conexión para las salidas Parámetros mecánicos. Tipo de carcaza o protección: la banda transportadora debe tener un motor totalmente cerrado, para garantizar que el ambiente de trabajo sea seguro tanto para el operario como para el sistema ya que podrían ingresar sustancias o elementos que empañen su correcto funcionamiento. Posición de colocación: Los dispositivos que en conjunto forman la máquina llenadora están ubicados de tal manera que no se sobreponen unos a otros ni se obstruyen unos a otros. Las bases de los pistones podrán ubicarse a una distancia precisa con respecto a la marca que tiene el riel por la que estos se desplazan y que dependen del tipo de tarro. El controlador y sus protecciones estarán ubicados dentro de un pequeño armario hecho en la misma estructura de la planta. Parámetros térmicos.

Protecciones térmicas: El recubrimiento del motor tiene una ventilación adecuada y adicional a eso cuenta con un ventilador extractor, los rieles donde se montan el controlador y sus protecciones sirven además de dar soporte como disipadores de calor aunque el calentamiento de estos dispositivos no es muy elevado. La tempera que en conjunto la maquina debe soportar es la del ambiente que es aproximadamente 25 °C.

6. CONCLUSIONES

- Con el proceso de diseño y desarrollo se logro un diseño que cumplió con los objetivos, los resultados fueron óptimos y acertados, la verificación en cada una de las etapas del proceso minimizo los riesgos en cada determinación, se tuvo seguridad a la hora de tomar decisiones, debido a que las etapas están ligadas unas a otras, hay que tener presente y estar evaluando cada una de ellas a medida que avanza el diseño, para no cometer errores y cumplir con las especificaciones establecidas.

- Debido a que este proyecto se trata solo

de diseño es muy difícil saber con exactitud que subsistema puede tener inconvenientes al momento de la integración, teóricamente se muestra que todo trabajara perfectamente.

- El controlador implementado en la máquina garantiza que puedan adicionarse futuras mejoras como, nuevos módulos de dosificación, sensado tiempo real del estado de la tolva de almacenamiento, pantalla grafica, entre otros.

- La simulación hecha del software de la maquina muestra que las secuencias del programa funcionan perfectamente y de acuerdo a lo planteado.

- Los materiales seleccionados son apropiados para que la máquina pueda trabajar en cualquier tipo de industria sin alterar su buen funcionamiento y sin el riesgo de que debido a estos puedan generar interacciones irregulares entre los conjuntos.

150

- El manual de usuario es de fácil interpretación para poder guiar al operario en todas las tareas que la máquina pueda realizar, también orienta sobre el mantenimiento que esta requiere

REFERENCIAS

Física General de Fluidos [en línea]: Mecánica de fluidos. Madrid: La web de física, 2006. [Consultado septiembre de 2008]. Disponible por internet: http://www.lawebdefisica.com/ MENDEZ, Arnaldo. Proceso de diseño y desarrollo. Material de curso Diseño mecatrónico [en línea]. [Consultado Julio de 2008]. Disponible por internet http://www.uao.edu.co/ VARGAS, Fabián. Diseño e implementación de una máquina automática para fluidos viscosos. Tesis de grado. [Consultado julio de 2008]. Universidad Autónoma de Occidente. Catalogo Twido [en línea]: Características técnicas PLC Twido. [Consultado Septiembre de 2008]. Disponible por internet: http://www.schneiderelectric.es/ES/ex-Comercial/com_docs.nsf/TodosPorId/97b8d37ff52d270dc125742e00263428?OpenDocument Hoja de datos LM339 [en línea]: [consultado octubre de 2008]. Disponible por internet http://www.national.com MALVINO. Albert Paul. Principios de electrónico. 5 ed. Madrid: McGraw-Hill, 1994. 1048 p. REYES, Lucelly. Fotodiodo y fototransistor [en línea]. Material grupo de investigación científica y microelectrónica. [Consultado octubre de 2008]. Disponible por internet:

151

Apéndice A. Matriz de evaluación de conceptos

Variantes de Conceptos

H P V X AF F (ref.)

Criterios de selección Ponderación

(%) Nota Criterio

ponderado Nota Criterio





ponderado Autonomía 10 3 0.3 4 0.4 5 0.5 5 0.5 4 0.4 4 0.4

Rango de capacidad volumétrica

10 3 0.3 4 0.4 5 0.5 5 0.5 3 0.3 3 0.3

Tamaño y peso ideales 5 4 0.2 2 0.1 2 0.1 3 0.15 3 0.15 3 0.15 Capacidad de dosificación

viscosa 15 5 0.75 5 0.75 4 0.6 5 0.75 5 0.75 4 0.6

Costo 5 2 0.1 2 0.1 2 0.1 2 0.1 2 0.1 3 0.15 Velocidad de llenado 20 5 1 5 1 3 0.6 5 1 5 1 3 0.6

Flexibilidad 10 3 0.3 2 0.2 3 0.3 4 0.4 3 0.3 3 0.3 Precisión 15 5 0.75 5 0.75 3 0.45 5 0.75 5 0.75 3 0.45

Facilidad de uso 10 3 0.3 4 0.4 4 0.4 5 0.5 3 0.3 4 0.4 Total 4.0 4.1 3.55 4.65 4.05 3.35 Orden 4 2 5 1 3 6

¿Continuar? NO NO NO DESARROLLAR SI NO

Matriz de tamizaje de conceptos.

CRITERIOS DE SELECCIÓN Conceptos

D H L N P T V X AB AD AF F (ref.)

Autonomía 0 0 + + + 0 0 + - - + 0

Rango de capacidad volumétrica 0 0 0 0 0 + + + 0 0 0 0

Tamaño y peso adecuados - + - - - - - - 0 - + 0

Flexibilidad - + - - - 0 + + - 0 0 0

Capacidad de dosificación viscosa 0 + 0 0 + 0 0 + + 0 + 0

Velocidad de llenado 0 + - 0 + - 0 + - 0 + 0

Precisión - 0 - 0 + - 0 + - 0 + 0

152

Velocidad de transporte de envases 0 0 - - - 0 0 0 - - - 0

Positivos 0 4 1 1 4 1 2 6 1 0 5 0

Iguales 5 4 2 4 1 4 5 1 2 5 2 8

Negativos 3 0 5 3 3 3 1 1 5 3 1 0

Total -3 4 -4 -2 1 -2 1 5 -4 -3 4 0

Orden 8 3 11 7 4 6 5 1 10 9 2

¿Continuar? NO SI NO NO SI NO SI SI NO NO SI

153

Apéndice B. Elementos físicos Tanque de almacenamiento auxiliar

La función de este elemento en la maquina es almacenar el fluido según el tipo de aceite a llenar, está diseñado para ser construido en acero inoxidable.

Figura 28. Tanque de almacenamiento auxiliar

Mangueras de conducción.

A través de estas es conducido el fluido del tanque de almacenamiento auxiliar a las diferentes partes de la maquina, como lo son: Al contenedor cilíndrico, dosificador etc.

Figura 29. Mangueras de conducción.

Contenedor cilíndrico.

Esta en cargado de almacenar el fluido proveniente del tanque de almacenamiento auxiliar, el cual es succionado por el pistón y almacenado en el contenedor cilíndrico en cada ciclo de dosificación, cabe resaltar que el pistón se encuentra al interior de este contenedor.

Figura 30. Contenedor cilíndrico

Pistón o embolo.

Es el encargado de succionar y desalojar el fluido en el contenedor cilíndrico, este debe ser construido en acero inoxidable, para obtener una buena protección ante la oxidación que se puede llegarse a presentar.

Figura 31. Pistón o embolo

154

Tubo dosificador.

Cumple con la función de agudizar el hilo final del fluido, también se diseño para ser construido en acero inoxidable.

Figura 32. Tubo dosificador

Eje del pistón.

Aplican la fuerza directamente al fluido atreves del embolo, el sistema cuenta con cinco de estos ejes, logrando así mejor rendimiento en la misma.

Figura 33. Eje del pistón

Tornillo de ajuste.

El sistema cuenta con cinco de estos tornillos, su función es la de asegurar los dosificadores en posiciones ya preestablecidas según el tipo de envase a llenar.

Figura 34. Tornillo de ajuste.

Estructura o chasis

Es el encargado de soportar todo el peso e interacciones funcionales de las piezas, es muy importante para el buen funcionamiento de la maquina por tal razón debe ser muy resistente y firme en todas si uniones.

155

Figura 35. Chasis de la llenadora.

Estructura y soporte principal.

Figura 36. Estructura.

Montaje del contenedor cilíndrico.

Figura 37. Soporte del contenedor cilíndrico

156

Figura 38. Ubicación soporte del contenedor

cilíndrico

La figura 37 muestra al detalle la forma del elemento que se va encargar de ajustar o fijar al chasis el contenedor cilíndrico, la ubicación de estos soportes se puede apreciar en la figura 38, esta ubicación se logra haciendo coincidir los orificios de la base con los del soporte, para luego introducirles un tornillo el cual garantiza la fijación de estos dos elementos. Repetir este pasó con los demás orificios del soporte.

Figura 39. Ubicación del contenedor cilíndrico

Montaje del pistón o embolo.

Figura 40. Pistón ensamblado con el contenedor

cilíndrico

La figura 40 muestra parte del conjunto del sistema dosificador, en esta podemos ver ya ensamblados el pistón con el contenedor cilíndrico, para llegar a este resultado se realiza una buena sincronización de las medidas del

157

diámetro del embolo con el diámetro del contendor cilíndrico, evitando así fricciones perjudiciales para el desarrollo de la función de este conjunto la cual es suministrar el liquido al dosificador.

Figura 41. Sistema de pistón y contenedor

cilíndrico fijos en el chasis

Este sistema se ubica en la parte superior del soporte para pistones y su respectiva base como se puede observar en la figura 41, el sistema se logra fijar al chasis por medio un tornillo el cual garantiza la estabilidad del mismo durante el proceso de llenado. Repetir lo mismo para el resto de pistones presentes en la maquina.

Montaje de dosificadores.

Figura 42. Dosificador

En esta figura se muestra el soporte, en el cual ya esta ensamblado el tubo dosificador (figura 42) el cual se debe girar hasta llegar al tope a donde llega la manguera que viene directamente del sistema pistón - contenedor cilíndrico (figura 40). Esta labor debe hacerse para cada uno de los dosificadores.

Figura 43. Dosificadores sobre el riel

En esta figura se muestra ya los dosificadores acoplados al riel guía, el cual a demás de soportar el peso de los dosificadores sirve de guía importante al momento de cambiar de tipo de envase ya que posee sobre unas guías las cuales indican el lugar en el cual debe ir el dosificador dependiendo del tipo de tarro a llenar, para luego ser ajustado por un tornillo, el cual fija el dosificador al riel permitiendo el buen funcionamiento de este.

158

En la siguiente grafica se muestra ya el subsistema de dosificación ya ensamblado en el chasis de la maquina con sus respectivos tornillos.

Figura 44. Subsistema de dosificación ensamblado

Siendo estos los subsistemas críticos del diseño y teniéndolos ya montados en el chasis se procede hacer el montaje del resto de elementos de la maquina. Arrojando como resultado la siguiente figura.

Figura 45. Maquina llenadora de líquidos viscosos

DISEÑO DE MAQUINA LLENADORA PARA FLUIDOS VISCOSOS

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