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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN AGRUPADOR INDUSTRIAL PA RA EMPAQUES DE ALIMENTOS

DAVID SANTIAGO SOTO DUARTE RICARDO ANDRÉS SARMIENTO GARCÍA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ

2008

3

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN AGRUPADOR INDUSTRIAL PA RA EMPAQUES DE ALIMENTOS

DAVID SANTIAGO SOTO DUARTE RICARDO ANDRÉS SARMIENTO GARCÍA

Proyecto de grado como requisito para optar al títu lo de Ingeniero Mecatrónico

Director: ING. BALDOMERO MÉNDEZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ

2008

4

Nota de aceptación:

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

_____________________________________

Firma del jurado

Bogotá, 20 de junio de 2008

5

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2 1.1 ANTECEDENTES 2 1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 13 1.3 JUSTIFICACIÓN 14 2. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN 15 2.1 OBJETIVO GENERAL 15 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 15 3. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 16 3.1 ALCANCES 16 3.2 LIMITACIONES 16 4. MARCO DE REFERENCIA 17 4.1 MARCO CONCEPTUAL 17

• Ventajas de la neumática 18 • Desventajas de la neumática 18 • Fundamentos físicos de la neumática 19 • Elementos neumáticos de trabajo 20 • Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo 20 • Cilindros de simple efecto 20 • Cilindros de doble efecto 21 • Aplicación de un PLC en control automático de proce sos 22 • Campos de aplicación 23 • Aplicaciones generales 23 • Ventajas e inconvenientes de los PLC's 24

4.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 25 5. METODOLOGÍA 28 5.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 28 5.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FA CULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA 28 5.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 29 5.4 HIPÓTESIS 29

6

6. VARIABLES 30 6.1 VARIABLES INDEPENDIENTES 30 6.2 VARIABLES DEPENDIENTES 30 7. DESARROLLO INGENIERIL 31 7.1 PROPUESTAS PARA EL DISEÑO DE LA MÁQUINA 31

• Alternativa 1 31 • Alternativa 2 32

7.2 ESTUDIO DE OPCIONES PARA LA SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES PARA EL AGRUPADOR INDUSTRIAL 34

• Matrices de selección 34 • Matriz de propuestas para selección del diseño 35

7.3 DISEÑO FINAL SELECCIONADO 38 7.3.1 Características generales. 39 8. CALCULO DEL RESORTE 42

• Esfuerzo flexionante 43 • Factor de seguridad 43 • Componentes esfuerzo cortante 44

8.1 CUERPO DEL RESORTE 44 • Componentes de esfuerzo 44 • Factor de seguridad a la fatiga 44

9. SIMULACION DEL RESORTE CON SOLID EDGE 45

• Cotas del resorte 45 • Parámetros del resorte 45

10. PROPIEDADES DEL MATERIAL USADAS PARA LOS CÁLCU LOS 46 10.1 PROPIEDADES DEL MATERIAL APLICADAS AL MODELO 46

• Opciones de entrada de diseño 46 11. SIMULACION DEL RESORTE CON ANSYS 47

• Factor de Seguridad a la tensión 50 • Resultados de fatiga 50

12. CALCULO DEL ANGULO UTILIZADO EN LA MESA 53

• Factor de diseño y factor de seguridad 53 • Método de factor de diseño estocástico 53

7

13. PESO DE LOS COMPONENTES DEL AGRUPADOR 5 3 14. CALCULO PARA EL SOPORTE BASE 55 15. CALCULOS DE CILINDROS NEUMATICOS 58

• Cilindro para bajar sobres 58 • Cilindro para mover carro 60 • Cilindro para empacar 60 • Consumo de aire 62

16. PROGRAMACIÓN DEL PLC 78 17. CALCULOS SOLDADURA PARA EL SOPORTE BASE 79

18. CALCULOS ESFUERSOS DEL SOPORTE DEL ACTUADOR QUE BAJA LOS EMPAQUES 82 CONCLUSIONES 84

BIBLIOGRAFÍA 85 ANEXOS 87

8

LISTA DE ANEXOS

Anexo 1A. Cotización Tempacol 71 Anexo A. Plano explosionado. 72 Anexo B. Isométrico agrupador industrial. 73 Anexo C. Vistas Agrupador industrial. 74 Anexo D. Soporte base. 75 Anexo E. Mesa base. 76 Anexo F. Chapa 1. 77 Anexo G. Chapa 2. 78 Anexo H. Adaptador rodadero. 79 Anexo I. Tapas contenedor. 80 Anexo J. Soporte múltiple. 81 Anexo K. Salida de paquetes. 82 Anexo L. Soporte actuador de empuje. 83 Anexo Ñ. Sujeción de rodamientos. 84 Anexo M. Eje posicionador de sobres derecha. 85 Anexo N. Cubo ejes. 86 Anexo O. Eje posicionador de sobres izquierda 87 Anexo P. Resorte. 88 Anexo Q. Soportes ejes de salida. 89 Anexo R. Pie de fijación. 90 Anexo S. Eje de salida. 91 Anexo T. Sistema de expulsión. 92 Anexo U. Placa ajuste de salida 2. 93 Anexo V. Placa ajuste de salida 1. 94 Anexo W. Rectángulo de expulsión. 95 Anexo X. Eje 1 actuador de empuje. 96 Anexo Y. Contenedor x 2. 97 Anexo Z. Agrupador de empuje. 98 Anexo AA. Perilla ajustadora soporte. 99 Anexo BB. Caja botones de operación. 100 Anexo CC. Platina agarre eje de salida. 101 Anexo DD. Deslizador. 102 Anexo EE. Eje acople actuador y deslizador. 103 Anexo FF. Caja protección actuador. 104

9

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Envolvedora Horizontal Modelo 7EH. 3

Figura 2. Empacadora de tornillo sinfín. 5

Figura 3. Empacadora de plato rodante. 7

Figura 4. Enfajadora retráctil modelo BEP 60. 9 Figura 5. Enfajadora retráctil modelo BEP#AGR. 11

Figura 6. Unidad de empaque por termosellado Brava 2000. 13

Figura 7. Cilindro de simple efecto. 21

Figura 8. Cilindro de doble efecto. 22

Figura 9. Gráfico tipo de PLC. 25 Figura 10: Boceto alternativa 1. 32 Figura 11: Boceto alternativa 2. 34 Figura 12: Vista isométrica 40 Figura 13: Vista alzado 41 Figura 14: Esfuerzo cortante del resorte 48 Figura 15: Deformación del resorte 49 Figura 16: Esfuerzo del resorte 51 Figura 17: Parámetros de tensión de vida del resorte 52 Figura 18. Esfuerzo del agrupador en Ansys 54 Figura 19. Esfuerzo del Soporte base 56 Figura 20. Circuito neumático 67 Figura 21. Programación PLC 68

10

LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Características básicas Enfajadora retráctil Bep 8 Tabla 2. Características básicas Enfajadora retráctil Bep Agr 10 Tabla 3. Requisitos para cursos sobre manipulación de alimentos.

Cuadro de entidades sociales. 27 Tabla 4. Matriz de propuestas para selección del diseño 37 Tabla 5. Tiempos de producción 39 Tabla 6. Propiedades del material 47 Tabla 7. Hoja de datos actuador DSNU-20-125-PPV-A 59 Tabla 8. Hoja de datos actuador DSNU-16-160-PPV-A 61 Tabla 9. Consumo de aire 62 Tabla 10. Hoja de datos válvula MFH-5-1/4 64 Tabla 11. Precios de componentes neumáticos 65

11

AGRADECIMIENTOS

A nuestros padres por su motivación, solidaridad y apoyo económico.

A todos los profesores por su orientación, apoyo, conocimiento compartido y

por habernos permitido demostrar que a lo largo de la carrera sus

conocimientos fueron aplicados en nuestro proyecto de grado.

En especial al ING. Baldomero Méndez y al ING. Carlos Gonzáles por su

conocimiento compartido, su apoyo y su gran Motivación por hacer este

proyecto.

A los demás Compañeros que nos colaboraron en el desarrollo de este

documento.

A la empresa Tempacol por permitir desarrollar este proyecto de

automatización industrial.

En especial al Ingeniero Alberto Bravo por su gran colaboración, apoyo y

solidaridad en el desarrollo del Agrupador industrial.

Sin Uds. no hubiera sido posible el desarrollo de este trabajo.

12

DISEÑO Y CONSTRUCIÓN DE UN AGRUPADOR INDUSTRIAL PAR A EMPAQUES DE ALIMENTOS

SOTO DUARTE Santiago y SARMIENTO GARCIA Ricardo

RESUMEN Con el aumento de la demanda a nivel nacional e internacional y por tanto, de la competencia a nivel mundial, las industrias Colombianas se han visto en la necesidad de implementar nuevas tecnologías, para así ser competitivas. Es por tal motivo, que la automatización industrial se ha ido manifestando como una solución viable (al ser sencilla y rentable) a esta situación. La automatización conlleva un alza en la producción y en la calidad de los productos, y una disminución de costos. Es por tal razón, que el objetivo del presente trabajo fue diseñar un agrupador industrial para empaques de alimentos, totalmente automatizado. La máquina agrupará sobres de 120mm x 170mm, de 130mm x 160mm y 90mm x 125mm (estas medidas corresponden a las medidas normalizadas de tres tipos de empaques para alimento que se manejan a nivel industrial); los cuales entraran al sistema por caída libre. La agrupadora se diseñó con acero al carbono ASTM_A36 para la estructura principal y para la mesa que contiene el peso de los sistemas mecánicos y neumáticos de la máquina. El resto del cuerpo está diseñado en acero inoxidable 304, el cual es necesario en el desarrollo de máquinas que tienen contacto con empaques de alimentos. Además éste tipo de acero cuenta con características especiales favorables para la construcción de la máquina, como lo son el bajo peso y la alta resistencia a la corrosión en estructuras soldadas. Para el control de los elementos electroneumáticos se usó un PLC el cual se programó en lenguaje Ladder, así completando el diseño automatizado de la máquina. Palabras claves: Acero inoxidable, Electroneumática, automatización industrial, Agrupador industrial, Envolvedor Horizontal.

13

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INDUSTRIAL CONSOLIDAT OR FOR FOOD PACKAGES.

SOTO DUARTE Santiago y SARMIENTO GARCIA Ricardo

ABSTRACT With the increase in demand (nationally and internationally) and thus the increase in competition, Colombian industries have seen the need to implement new technologies in order to be competitive. For that reason, industrial automation has manifested itself as a viable solution (by being simple and profitable) to this situation. Automation leads to a raise in production and in product quality, and a decrease in costs. Therefore, the main objetive of this project is to design a fully automated industrial consolidator for food packages. The machine will group envelopes, which measure 120mm x 170mm, 130mm x 160mm and 90mm x 125mm (these correspond to the normalized measurements of the three types of food packages used industrially), that enter the system through free fall. The consolidator was designed with steel to carbon ASTM_A36 for the main structure and the table which holds the weights of the machine’s mecanical and pneumatic systems. The rest of the body is designed in stainless steel 304, which is necessary for the construction of machines that establish direct contact with food packages. Additionally, this type of steel has special favorable characteristics for the construction of the machine; like a low weight and a high resistance to corrosion in welded structures. For the control over the electropneumatic elements, a PCL was used, which was programmed using the Ladder language, thus completing the automated design of the machine. Key Words: Stainless steel, Electropneumatics, Industrial Automation, Industrial Consolidator, Horizontal wrapper.

14

INTRODUCCIÓN

Empresas Nacionales diariamente se ven en la necesidad de implementar

nuevas tecnologías para responder a las exigencias que la industria propone.

Para llenar dichas expectativas es necesario dar pasó a la automatización y de

esta manera competir mundialmente.

El objetivo de una máquina automatizada es optimizar un proceso industrial, lo

cual genera una necesidad a gran escala para empresas que agrupan sus

productos en paquetes para distribuirlos al consumidor final. Este es un claro

ejemplo de procesos que por años han sido realizados manualmente en

muchas empresas. La automatización ha generado no sólo una reducción en el

tiempo para la realización de procesos tediosos sino lo más importante: la

minimización de costos y el aumento de la producción con elevados índices de

excelencia y calidad.

Para cumplir con las metas propuestas del Agrupador Industrial para

Empaques de Alimentos, fue necesaria la inspección de la Norma ISO 9001,

que proporciona las bases fundamentales para controlar las operaciones de

producción y de servicio en la implementación de cualquier proceso industrial.

La Electroneumática juega un papel importante en el desarrollo de este

proyecto, pues es una solución sencilla y rentable dentro de la automatización

de la máquina. La herramienta para controlar el proceso secuencial del

agrupador es el PLC. Este dispositivo garantiza la realización de cada una de

las tareas propuestas al diseño.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

En el mundo de la automatización industrial se pueden encontrar varios

agrupadores ya desarrollados previamente por empresas nacionales y

multinacionales.

Son unidades de diseño especial que parten como base del resto de modelos

de enfajadoras e incorporan un sistema automático para realizar agrupaciones

totalmente automáticas.

Empresas que se destacan en el mercado internacional:

PRODUCTORA ANDINA DE MÁQUINARIA LTDA.

BELCA S.A.

DEMATECH CORPORATION, S.A.

ENVOLVEDORAS HORIZONTALES:

“ Se usan principalmente en el empaque de productos de panadería, confitería,

galletas, velas, gomas y otros artículos que se tengan que empacar

unitariamente o en cantidades definidas (Ver Figura 1). La carga del producto

es manual, la variación y ajuste del tamaño del empaque se obtienen por la

acción de un variador electrónico sobre la velocidad del motor del mecanismo

de arrastre del empaque. La cantidad de bolsas por minuto a obtener se puede

ajustar de acuerdo a la habilidad del operario.” 1

1 Disponible en: http://www.colombiapack.com/kafesuav.htm consultado: 26-03/07; 7:00 pm.

16

Operación:

Dos rodillos de arrastre laterales desenvuelven el material de empaque y lo

hacen pasar por un dispositivo formador del tubo continuo. Simultáneamente

otro par de rodillos efectúan el sello longitudinal de la bolsa. El producto que se

ha cargado manualmente en un transportador de cadena es introducido a la

bolsa formada a la altura de la caja formadora, otro par de rodillos tractores

jalan el producto y el tubo continuo hasta un par de mordazas giratorias que

realizan simultáneamente el sello del fondo de una bolsa, la boca de la

siguiente y el corte de ellas. La bolsa terminada con el producto empacado es

evacuada por un transportador de banda plana.

Figura 1: Envolvedora Horizontal Modelo 7EH.

Fuente: http://www.colombiapack.com/kafesuav.htm

17

EMPACADORAS AUTOMÁTICAS DE TORNILLO SINFÍN:

“ Equipadas con una cabeza dosificadora de tornillo sinfín y agitadores, son

usadas principalmente en el empaque de polvos o impalpables: Leche en

polvo, harina de trigo, café remolido, azúcar pulverizada (Ver figura 2). Todas

las variaciones involucradas en el proceso de empaque son controladas por un

microprocesador dinámico que permite hacer los ajustes con la máquina en

movimiento garantizando con ello una gran precisión y un desempeño perfecto.

La producción de hasta 50 bolsas/minuto puede variar según el producto y el

tipo de empaque.” 2

Operación:

Dos bandas de arrastre halan el material de empaque, que previamente el

desembobinador ha destensionado, y lo hacen pasar por un cuello formador del

tubo continuo. Se hace el sello vertical y se dosifica el producto a empacar, en

el tiempo y cantidad que el procesador determina. Controlando el giro del

tornillo sinfín. Se hace el sello horizontal de la boca de una bolsa y el fondo de

la siguiente por medio de dos mordazas y simultáneamente se corta ya sea

usando un alambre de cromo níquel caliente (sistema impulso) o una cuchilla

móvil (sistema calentamiento continuo).

2 Ibid. 2.

18

Figura 2: Empacadora de tornillo sinfín

Fuente: http://www.colombiapack.com/kafesuav.htm

19

EMPACADORAS AUTOMÁTICAS DE PLATO ROTANTE:

“ Estos modelos están equipados con dosificador de plato rotante y vasos

telescópicos usados principalmente en el empaque de productos como: Fríjol,

arroz, nueces, pasabocas, etc. (Ver figura 3). La variación y ajuste de la

cantidad de producto a empacar por bolsa se obtiene por el accionamiento de

una manivela que hace girar dos tornillos rosca fina variando el volumen de los

vasos en la cantidad exacta. El ajuste se puede realizar sin detener la máquina.

Dependiendo del tipo de producto y de empaque se pueden obtener

producciones de hasta 60 paquetes por minuto. Para algunos productos

especiales como azúcar, pastas alimenticias cortas, el sistema de dosificación

puede estar equipado con mecanismo de bielas (modelo 6KA 56B, 6KA 60B y

6KA 70B)” 3

Operación:

Dos bandas de arrastre halan el material de empaque, que previamente el

desembobinador ha desenvuelto, y lo hacen pasar por un cuello formador del

tubo continuo. Se hace el sello vertical y se llena el tubo previa dosificación

volumétrica. Se hace el sello horizontal de la boca de una bolsa y el fondo de la

siguiente por medio de dos mordazas y simultáneamente se corta ya sea

usando un alambre de cromo níquel caliente (sistema impulso) o una cuchilla

móvil (sistema calentamiento continuo).

3 Ibíd. 2.

20

Figura 3: Empacadora de plato rodante

Fuente: http://www.colombiapack.com/kafesuav.htm

ENFAJADORA RETRÁCTIL BEP:

“ Enfajadora con entrada perpendicular mediante banda motorizada y

automatismo de introducción (Ver Figura 4).Puede ser usada como

semiautomática o como plenamente automática. La cadencia máxima es, en

función de las características del paquete, en torno a unas 20 introducciones

por minuto.” 4 (Ver Tabla 1).

4 Disponible en: http://www.belca.es/producto.php?id=122&sec=1&lang=1 consultado: 02-04/07; 8:00 pm.

21

Tabla 1: Características básicas Enfajadora retráctil bep

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS BEP60 BEP80 BEP120 Dimensiones exteriores

Longitud 1.100 1.400 1.400

Anchura 1.700 1.700 1.700

Altura 2.100 2.100 2.100 Dimensiones del producto

Longitud 0 0 0

Anchura 550 750 1.150

Altura 400 400 400 Anchura máxima de bobina 600 800 1.200

Diámetro máximo de bobina 300 300 300 Producción

Velocidad máxima (u/h) (depende del producto y del film utilizado)

1.200 1.000 800

Consumos

Potencia instalada (KVA) 2,5 2,5 2,5

Tensión de alimentación 220/380 V AC3

220/380 V AC3

220/380 V AC3

Presión neumática (Kg/cm²) 6 - 10

Caudal neumático (l/min) 100 100 100

Todas las medidas de longitud se expresan en milímetros.

22

Figura 4: Enfajadora retráctil modelo BEP 60.

Fuente: http://www.belca.es/producto.php?id=122&lang=1

ENFAJADORA RETRÁCTIL BEP AGR:

“ Son unidades de diseño especial que parten como base del resto de modelos

de enfajadoras e incorporan un sistema automático para realizar agrupaciones

totalmente automáticas. (Ver Figura 5)” 5. Se puede observar de acuerdo a su

referencia cambia sus especificaciones (Ver tabla 2).

5 Ibid.7.

23

Tabla 2: Características básicas Enfajadora retráctil Bep Agr

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

BEP60AGR BEP80AGR BEP120AGR

Dimensiones exteriores Longitud 1.100 1.400 1.400

Anchura 1.700 1.700 1.700

Altura 2.100 2.100 2.100 Dimensiones del producto Longitud 0 0 0

Anchura 550 750 1.150

Altura 400 400 400 Anchura máxima de bobina 600 800 1.200

Diámetro máximo de bobina 300 300 300 Producción Velocidad máxima (u/h) (depende del producto y del film utilizado)

1.200 1.000 800

Consumos Potencia instalada (KVA) 2,5 2,5 2,5

Tensión de alimentación 220/380VAC3 220/380VAC3 220/380VAC3

Presión neumática (Kg/cm²) 6 - 10

Caudal neumático (l/min) 100 100 100

Todas las medidas de longitud se expresan en milímetros.

24

Figura 5: Enfajadora retráctil modelo BEP#AGR.

Fuente: http://www.belca.es/producto.php?id=125&sec=1&lang=1

25

UNIDAD DE EMPAQUE POR TERMOSELLADO BRAVA 2000:

La gran experiencia en el sector empaquetamiento, ha permitido que la

compañía DEMATECH CORPORATION pueda producir máquinas con

conceptos de tecnología avanzada y 100% Venezolana así como

implementar un sistema de producción en serie de manera que reduzca los

costos a su mínima expresión, transfiriendo al cliente final los beneficios, y

cubrir un segmento de mercado donde la capacidad de compra de máquinaria

nueva era escasa.

“ Estas prerrogativas fueron útiles e indispensables para diseñar y construir la

máquina BRAVA 2000. Se trata de una máquina vertical de una pista por

sobre, a termosellado a 4 lados, en particular por líquidos semidensos.

Adicionalmente se puede aplicar dosificado para producto en polvo, y

cargadores automáticos por pieza para empaquetar caramelo unitario (Ver

figura 6).” 6

El empaquetado es en forma vertical en sobre de polipropileno laminado con

el ancho máx. de 900 Mm. y largo según el cliente.

LA BRAVA 2000 está elaborada enteramente en acero inoxidable 314 y

acrílico de manera de tener los permisos sanitarios necesario para la

producción de alimentos, y facilitar las operaciones de limpieza.

6 Disponible en: http://www.dematechcorp.com/productos_brava.html consultado: 15-04/07; 7:00 pm.

26

Figura 6: Unidad de empaque por termosellado Brava 2000.

Fuente: http://www.dematechcorp.com/productos_brava.html

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

El problema de investigación radica en la manipulación de un producto, dado

que todas las empresas deben manejar estándares de salubridad que

certifiquen la calidad del producto. Por otra parte, el proceso de agrupar es

manual y no automatizado, lo que se requiere es la entrega de un producto

libre de agentes contaminantes que no atenten contra la vida del consumidor.

¿Qué características técnicas debe tener un agrupador industrial para

empaque de alimentos?

27

1.3 JUSTIFICACIÓN

Se debe acondicionar un mecanismo, que brinde mayor seguridad y a su vez

incremente la producción. Esto se hace para verificar la calidad de un producto

final que cumpla con las expectativas del consumidor. Por esta razón se deben

automatizar los procesos, por los cuales el producto debe ser manipulado con

purificación para que el paso anterior a la entrega del producto sea la

certificación de un producto con excelente calidad.

La idea general de automatizar un proceso, es desarrollar una mejor tecnología

que incremente la productividad, permitiendo así mayor eficiencia y

competitividad para poder disputar con las demás empresas colombianas.

Con el desarrollo de una máquina se reducen costos, se reduce tiempo y

permite que la compañía empiece a innovar para poder entrar al mercado

internacional.

Todas las máquinas tienen parámetros para la manipulación de objetos y

alimentos, la industria alimenticia debe por obligación certificar los procesos

ante el INVIMA. Por esta razón la máquina se desarrollará según los materiales

aprobados para este tipo de proceso (acero inoxidable) y contará con los

estándares de diseño para un mejor desarrollo del producto.

La prioridad de la máquina que se quiere construir, es cumplir sus procesos sin

dañar el medio ambiente, por esta razón hasta el personal que opera la

máquina debe cumplir con las normas sanitarias para un correcto

funcionamiento, así como la máquina será construida con las correctas normas

y especificaciones que requiera la industria nacional.

28

2. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir una máquina agrupadora para empaques de alimentos.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Recolección de información de procesos manuales en agrupación de

empaques para alimentos

• Caracterizar el proceso que desarrollara la máquina para mejoras en el

conteo y empacado en la industria de alimentos.

• Implementar un proceso automatizado en la industria nacional.

• Comparar mediante la máquina el efecto que produce un proceso

automatizado a diferencia de un proceso manual en la industria de

alimentos.

29

3. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

3.1 ALCANCES

En empresas donde se fabrican productos no perecederos que van en cajas

individuales es necesario realizar una agrupación de 6 unidades por cada

caja para poderse distribuir, este proceso manual, será sustituido por el

agrupador industrial, por lo tanto se reducirán costos y existirá una mayor

producción en la empresa, por otra parte generará un impacto tecnológico

donde se verá lo eficiente que es una maquina en un proceso tan tedioso

para un operario; por último el proyecto se llevara acabo en la construcción

de la maquina y su implementación para uso cotidiano en cualquier

empresa.

3.2 LIMITACIONES

En la industria de alimentos existe un problema y se debe a que los

materiales7 que se obligan a usar para la construcción de máquinas en esta

área de la industria son muy costosos. El tiempo de desarrollo y construcción

es limitado a las necesarias por políticas empresariales. Por último la parte

financiera depende de una empresa privada, por lo tanto se estará limitado

en el gasto de materiales, se asume usar materiales y maquinaria de bajo

costo.

7 Los materiales usados en la industria de alimentos son: aceros inoxidables, aceros con recubrimientos especiales.

30

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL

“ El control automático de procesos es parte del progreso industrial

desarrollado, ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso

intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución

que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control

.Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus

ventajas.” 8

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el

costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión

en equipo de control. Además hay muchas ganancias intangibles, como por

ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda

equivalente de trabajo especializado. La eliminación de errores es otra

contribución positiva del uso del control automático.

“ La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control

automático en la industria, por lo tanto se debe tener en cuenta algunos

aspectos importantes en el desarrollo del agrupador industrial.

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce

el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. ” 9

A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría

de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los

diversos sectores de aplicación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el

aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más

variados se utilicen aparatos neumáticos.

8 Disponible en: http://www.sapiensman.com/control_automatico/#el_controlador_automatico consultado: 20-05/07; 8:15 pm. 9 Ibid.

31

• Ventajas de la neumática

1. El aire es de fácil captación y abunda en la tierra

2. El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos

de chispas.

3. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y

fácilmente regulables.

4. El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de

golpes de ariete.

5. Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los

equipos en forma permanente.

6. Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.

7. Energía limpia.

8. Cambios instantáneos de sentido.

• Desventajas de la neumática

1. En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas

considerables.

2. Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente

empleado.

3. Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar

grandes fuerzas.

4. Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la

atmósfera.

32

• Fundamentos físicos de la neumática

La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es

una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición:

Nitrógeno aprox. 78% en volumen Oxígeno aprox. 21% en volumen. Además

contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y

xenón.

Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se indican

en primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro del sistema

de medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas y claramente

definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países están en

vísperas de acordar un sistema de medidas que sea válido para todos,

denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI".

33

• Elementos neumáticos de trabajo

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un

movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento

de giro.

• Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo

(Cilindros neumáticos)

A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos

mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto

considerable.

• Cilindros de simple efecto

Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden

realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un

movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle

incorporado o de una fuerza externa.

El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su

posición inicial a una velocidad suficientemente grande. (Ver Figura 7) En los

cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la

carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.

Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar,

etc.

34

Figura 7: Cilindro de simple efecto

Fuente: http://www.ing.uc.edu.ve/~emescobar/automat_I/contenido_menu/Unidad_II/Contenido/pagina4/pagina4.htm

• Cilindros de doble efecto

La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de

doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se

dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno (Ver Figura 8).

Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el

émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial.

En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en

cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en

este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

35

Figura 8: Cilindro de doble efecto

Fuente: http://www.ing.uc.edu.ve/~emescobar/automat_I/contenido_menu/Unidad_II/Contenido/pagina4/pagina4_archivos/Image59.jpg

• Aplicación de un Plc en control automático de procesos

Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se venía

haciendo de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que

se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos

conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas.

Además cualquier variación en el proceso suponía modificar físicamente gran

parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran

esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico.

En la actualidad no se puede entender un proceso complejo de alto nivel

desarrollado por técnicas cableadas. El ordenador y los autómatas

programables (Ver Figura 9) han intervenido de forma considerable para que

este tipo de instalaciones se hayan visto sustituidas por otras controladas de

forma programada.

“ El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de

circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un API

no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de

mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales

36

de carrera, pulsadores, etc.) por una parte, y los actuadores (bobinas de

contactores, lámparas, pequeños receptores, etc.) por otra.” 10

• Campos de aplicación

Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que

tengan una o varias de las siguientes necesidades:

1. Espacio reducido.

2. Procesos de producción periódicamente cambiantes.

3. Procesos secuenciales.

4. Máquinaria de procesos variables.

5. Instalaciones de procesos complejos y amplios.

6. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

• Aplicaciones generales

1. Maniobra de máquinas.

2. Maniobra de instalaciones.

3. Señalización y control.

Como ya se mencionó, esto se refiere a los autómatas programables

industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal

(que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como

la puerta de una cochera o las luces de la casa).

10 Disponible en: http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/electricidad/plc/index.php consultado: 26-05/07; 6:00 pm.

37

• Ventajas e inconvenientes de los plc's

1. Las ventajas:

• Menor tiempo de elaboración de proyectos.

• Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros

componentes.

• Mínimo espacio de ocupación.

• Menor costo de mano de obra.

• Mantenimiento económico.

• Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.

• Menor tiempo de puesta en funcionamiento.

• Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir

siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.

2. Los inconvenientes:

• Adiestramiento de técnicos.

• Costo.

38

Figura 9: Grafico tipo de PLC.

Fuente: http://www.zen.omron.co.jp/eng/index.html

4.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO

• “ Reglamento Universidad de San Buenaventura Capítulo XIII artículo

64-C “ 11

• “ Cilindros neumáticos según normalización iso-vdma :

Conforme a ISO-6431 & VDMA-24562. Diseño unificado, la mayoría de

las partes de cada serie son intercambiables con cualquier otra.” 12

• “ Construcción total en acero inoxidable AISI 304 o 316.” 13

• “ INVIMA en ejercicio de sus facultades legales, especialmente las

conferidas por lo numerales 4º y 7º del Artículo 4º del Decreto 1290 de

1994, y en desarrollo del artículo 209 de la Constitución Política y del

Artículo 64 del Decreto 3075 de 1997” 14

11 Disponible en: http://inscripciones.usbbog.edu.co/cryacrobat/reglamentoestudiantil.pdf consultado: 26-03/07; 9:00 am.. 12 Disponible en: http://www.pyrneumatica.com/cilindros_y_tuberias.htm consultado: 26-04/07; 7:30 pm. 13 Disponible en: http://www.scielo.org.pe/scielo.php?pid=S1561-08881999000100001&script=sci_arttext consultado: 15-05/07; 7:00 pm. 14 Disponible en: http://www.invima.gov.co/Invima////normatividad/docs_alimentos/resolucion_001679_2002.htm consultado: 21-05/07; 9:00 pm.

39

REQUISITOS PARA CURSOS SOBRE MANIPULACIÓN DE ALIMEN TOS

Para acceder a los cursos de manipulación de alimentos, se tienen tres vías:

• La primera es a través de los hospitales los cuales dictan cursos a través del

PAB, los cuales son gratuitos para estratos 1 y 2, y algunas poblaciones

especiales.

• La segunda a través de las ESE quienes venden dicho servicio.

• “ La tercera es a través de capacitadores externos, autorizados y

supervisados por la Empresa Social del Estado Hospital de Chapinero.” 15

Listado de empresas sociales del estado que ofrecen curso sobre manejo de

alimentos (Ver tabla 3).

15 Disponible en: http://www.saludcapital.gov.co/secsalud/seguridad/requisitos.html consultado: 19-05/07; 7:00 pm.

40

Tabla 3: Requisitos para cursos sobre manipulación de alimentos. Cuadro de

entidades sociales.

HOSPITAL LOCALIDADES QUE

ATIENDE DIRECCIÓN TELÉFONOS

Hospital Centro

Oriente

Samper Mendoza, Santa

Fe, Candelaria

Carrera 23 22 A –

26

2681064 - 3685449 ext 22,

3685221.

Hospital Chapinero I

Nivel

Chapinero, Barrios Unidos

y Teusaquillo

Avenida 95 39 –

20 2565331/ 2368675

Hospital Engativa I

Nivel Engativa

Avenida Cali 86 –

26 25213 05 4823884

Hospital Nazareth I

Nivel Sumapaz Calle 48 73 – 55 4100712-4163490

Hospital Pablo VI

Bosa I Nivel Bosa

Transversal 4 A 3 -

92 Sur 7196000-7752201-5787977/78

Hospital Rafael Uribe

Uribe Olaya y Rafael Uribe Uribe

Carrera 13 26 A -

34 Sur 2095002 ext 129 - 107

Hospital San Cristóbal

l Nivel San Cristóbal

Carrera 3 16 - 73

Este Sur 3676289-2398055

Hospital San Pablo

Fontibón I Nivel Fontibón

Carrera 98 20 A –

10

2670955 - 2670554 Terminal

5708828 Terminal Aereo

4147996

Hospital Suba l Nivel Suba Carrera 90 142 –

17 6815599

Hospital del Sur Kennedy y Puente Aranda Carrera 59 14 – 44 4137104 – FX 5731321 4137024

Hospital Tunjuelito I

Nivel Tunjuelito

Calle 58 Sur 19 B

– 21

7106617-2307317-2040344 -

2797132 7142533 -7142722

Hospital Usme l Nivel Usme Calle 76 1 - 42 Sur

Este 7674424 - 7627010

Hospital Usaquén l

Niv. Usaquén Carrera 7 165 – 20 6719760 - 6719829

Fuente: http://www.saludcapital.gov.co/secsalud/seguridad/requisitos.html

41

5. METODOLOGÍA

5.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN

“ El tipo de investigación del proyecto es basado en un método de investigación

científica Empírico-analítico” 16, cuyo interés es la parte técnica de un problema

que se plantea anteriormente el de agrupar cajas, todo está relacionado en el

cambio de un proceso manual por uno totalmente automatizado, orientado así

a interpretar mejoras en procesos como es ordenar cajas y empaque de las

mismas, así obtener respuestas rápidas a este tipo de problemas en el control

de un proceso industrial.

5.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FA CULTAD /

CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA

Línea de investigación :

Tecnologías actuales y sociedad

Sub-línea de la faculta:

Control y automatización de procesos industriales

Campo temático del programa

Automatización

16 Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_experimental#Clasificaciones consultado: 18-05/07; 7:00 pm.

42

5.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

Para comenzar con el diseño del agrupador industrial, es necesario observar a

cuál dosificador se le adaptará la máquina, en este caso se tomó una muestra

de un dosificador caída libre. Las cuales proporcionarán medidas exactas para

el diseño final de la máquina, también se tiene que tener en cuenta los

diferentes empaques que se desea agrupar en este caso se quiere tomar como

referencia sobres de 120mm x 170mm, de 130mm x 160mm y 90mm x 125mm

(Estas medidas corresponden a las medidas normalizadas de tres tipos de

empaque para alimento que se maneja a nivel industrial); observar este tipo de

variables como velocidad de llegada y de salida son demasiado importantes en

el desarrollo del proyecto ya que determinará que tan eficiente es la máquina,

por lo tanto se tendrán que hacer análisis con simulación y toma de muestras

con instrumentos electrónicos de medición digital para tener en cuenta la

velocidad de los sobres.

5.4 HIPÓTESIS

Se podrá ver que ante la necesidad de desarrollar nuevas tendencias en

procesos industriales lo más aceptable al día de hoy es emplear una máquina

en un proceso manual y ver el efecto que puede llegar a tener. Es posible

medir las diferencias que existían antes de utilizar la máquina y ver que la

automatización incrementa en producción y calidad el proceso industrial.

43

6. VARIABLES

6.1 VARIABLES INDEPENDIENTES

Alimentación del sobre a la máquina.

Velocidad de caída de cada sobre.

Número de sobres que llegan a la máquina.

6.2 VARIABLES DEPENDIENTES

Ingreso de cada sobre a la máquina.

Accionamiento de actuadores.

Respuesta del sensor por cada sobre que pasa.

Respuesta rápida del PLC por cada sobre que entra.

44

7. DESARROLLO INGENIERIL

7.1 PROPUESTAS PARA EL DISEÑO DE LA MÁQUINA

• Alternativa 1

La primera alternativa se basa en diseñar una caja vertical (1), la cual será la

protección y soporte de los elementos de la maquina, en ella se ubica la

entrada de los empaques por medio de un rodadero deslizante (2), los cuales

caerán a un sistema giratorio de aspas (3) el cual mantendrá los empaques en

circulación.

El funcionamiento de esta maquina se basa en la entrada de sobres los cuales

bajaran por un rodadero deslizante (2) gracias a la gravedad, al bajar

completamente un sistema giratorio de aspas (3) ara circular los empaques a

una ranura la cual deja caer los empaques a un deposito (4) donde estos se

agruparan, después un actuador (5) los prensara y al final un actuador de

expulsión (6), sacara los empaques ya agrupados. (Ver figura 10).

45

Figura 10: Boceto alternativa 1.

1. Caja vertical (cuerpo de protección)

2. Rodadero deslizante

3. Sistema giratorio de aspas

4. Deposito de agrupación (ranura)

5. actuador de prensado

6. actuador de expulsión

• Alternativa 2

Diseñar una máquina que constará de una estructura base (1) en acero la cual

será el soporte principal, esta contiene una segunda mesa (2); esta será el

soporte de todos los elementos mecánicos y neumáticos de la maquina. El

sistema se controlara gracias a un dispositivo PLC (3) que se encuentra al lado

lateral izquierdo de la maquina, este estará protegido por su caja (13) donde

estarán las conexiones eléctricas, y la maquina será manipulada con su

respectivo control de mando (4).

46

Básicamente todo el sistema estará construido en acero inoxidable, las bases

serán de acero ASTM_A36 (acero al carbono), ya que este cumple con los

requisitos de resistencia minima para la estructura de la maquina

La posición de la maquina es horizontal, por que se asegura la estabilidad de la

maquina en operación, y a su vez por que el espacio abarcado de la maquina

será menor en las instalaciones.

Descripción

El proceso de agrupar empaques comienza por el suministro de sobre que

llegan del proceso de dosificación del producto, la maquina se ajusta a este

proceso ya que en la parte posterior se encuentra un acople (5), los sobres

caerán a un compartimiento rectangular (6), donde un censor capacitivo (7)

detectara cada sobre para su respectivo conteo, cada vez que pasa un sobre

un actuador neumático vertical (8) los bajara en orden, para su correcta

agrupación; al apilarse la cantidad que se desee puede ser 6, 12 o 24 sobres,

un segundo actuador horizontal (9) corre un carro deslizante (10) que contiene

los sobres y los deja listos para que un tercer y ultimo actuador (11) ubicado en

la parte inferior de la maquina, saque los sobres ya agrupados gracias al

funcionamiento del dispositivo de expulsión (12).(Ver figura 11).

47

Figura 11: Boceto alternativa 2.

7.2 ESTUDIO DE OPCIONES PARA LA SELECCIÓN DE LOS

COMPONENTES PARA EL AGRUPADOR INDUSTRIAL

• Matrices de selección

Las matrices de selección permiten identificar cuales son los elementos más

adecuados para el diseño final del AGRUPADOR INDUSTRIAL, siendo los

elementos: tipo de censor, tipo de actuadores, tipo de materiales, ejes para

movimiento de piezas, motores y lo mas importante el diseño de la máquina.

Para identificar correctamente la mejor opción de cada uno de estos elementos

48

se tienen en cuenta diferentes puntos, a los cuales se les asigna un valor

porcentual que indica la importancia de cada uno de estos, y en donde un alto

porcentaje denota los de mayor importancia.

Dentro de la matriz se califica cada uno de los ítems de uno a diez, y estos

valores se dan en la columna donde se encuentra Cal que es la abreviatura de

calificación.

En otra columna se tiene Prod que es la abreviatura de producto , y el cual

representa la multiplicación entre Cal y el porcentaje (Cal x %). Por último se

tiene el RANGO, el cual es la suma de los productos que se tienen en cada

uno de los ítems y cuyo valor más alto denota que la alternativa estudiada es la

más indicada para el diseño del AGRUPADOR INDUSTRIAL .

• Matriz de propuestas para selección del diseño

Para desarrollar la matriz de alternativas, hay que tener en cuenta muchas

variables que afecten la selección del diseño de la maquina, existen puntos

importantes a tener en cuenta como lo es la seguridad, ya que si tiene un valor

alto hace referencia a un buen funcionamiento de la maquina, previniendo

cualquier riesgo en su funcionamiento y además evitando riesgos al operario.

Los costos también se deben tener en cuenta, una calificación alta de este

factor corresponde a una disminución al total de gastos que se realizaran en el

desarrollo del proyecto; en cuanto al diseño la calificación alta indicara la

facilidad en el proceso de cálculos de ingeniería, investigación, y dominio de

sistemas aplicados a la automatización.

Siguiendo la jerarquía de importancia se sigue con las variables de rango

medio en donde se encuentran la facilidad de operación, eficiencia y

construcción. Para la primera variable se tienen en cuenta aquellas acciones

realizadas por la persona que manejará el agrupador industrial, se denota un

valor alto si no es necesario un nivel avanzado de conocimientos para el

control de la máquina por la parte del operario. Una calificación alta en la

49

eficiencia indica el número de sobres agrupados en función del tiempo y una

puntuación significativa en la construcción denota la facilidad que la maquina

agrupa y entrega los sobres a la salida.

Con respecto a las variables de baja importancia se tiene en cuenta el tamaño,

en donde un valor alto en la tabla hace referencia a un menor volumen

ocupado por de la máquina, el montaje indica el nivel de facilidad al momento

de unir y armar las piezas y estructuras terminadas, por último una puntuación

alta en el mantenimiento proporciona información acerca de la facilidad de

cambio, limpieza y lubricación de las piezas. (Ver tabla 4)

50

• Tabla 4. Matriz de propuestas para selección del diseño

MATRIZ DE ALTERNATIVAS

SEGURIDAD COSTOS DISEÑO CONSTRUCCION TAMAÑO MONTAJE MANTENIMIENTO

FACILIDAD

DE

OPERACION

EFICIENCIA RANGO

PORCENTAJE

% 20% 16% 16% 10% 6% 6% 6% 10% 10% 100%

CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD CAL PROD TOTAL

ALTERNATIVA

1 9 1,8 4 0,64 5 0,8 4 0,4 3 0,18 6 0,36 8 0,48 8 0,8 5 0,5 5,96

ALTERNATIVA

2 8 1,6 9 1,44 7 1,12 9 0,9 8 0,48 8 0,48 9 0,54 9 0,9 10 1 8,46

51

7.3 DISEÑO FINAL SELECCIONADO

Teniendo en cuenta la información obtenida en la matriz de selección, la

alternativa 2 será la opción mas indicada para el desarrollo del agrupador

industrial.

Se diseñara una maquina capaz de agrupar sobres en el menor tiempo

posible, el tiempo ideal esperado será agrupar dos sobres por segundo (Ver

tabla 5); con un sistema de 3 actuadores y una sólida estructura, la cual deberá

ser liviana; su posición será horizontal para asegurar la estabilidad de la

maquina en funcionamiento, y así tener una buena distribución de peso.

Este diseño constara de un sistema totalmente automatizado gracias al uso de

un PLC, y se controlara por medio de un panel de mando el cual tendrá dos

botones de operación y su respectivo paro de emergencia, la maquina estará

diseñada con sistemas electro neumáticos de excelente calidad.

La maquina será acoplada a la salida de un rodadero de un proceso anterior el

cual nos suministrará la entrada de sobres a el sistema, se agruparan sobres

en un contenedor móvil de dos compartimientos para mejor desempeño en

tiempos de producción, este contenedor tiene un desplazamiento horizontal

gracias a un deslizador el cual esta incrustado en una carrera que atraviesa la

maquina horizontalmente.

52

7.3.1 Características generales. La maquina agrupara sobres de 120mm x

170mm, de 130mm x 160mm y 90mm x 125mm; los cuales entraran al sistema

por caída libre con ayuda de la gravedad.

Se agruparan cantidades exactas de 6, 12 y 24 sobres en un contenedor de

dos compartimientos, La máquina dispondrá de un sensor capacitivo el que

facilitara el conteo de cada sobre que entra a la maquina, y así poder controlar

cada actuador neumático; el tipo de programación del PLC será Ladder, y así

controlara todos los dispositivos electro neumáticos facilitando los movimientos

que desarrollara la maquina para la entrega de los sobres agrupados.

Se usara acero al carbono para la estructura principal y para la mesa que

contiene el peso de los sistemas mecánicos y neumáticos de la maquina, el

resto del cuerpo estará diseñado en acero inoxidable 304 debido a normas del

ICONTEC.

Tabla 5. Tiempos de producción

TIEMPO

(seg.)

CANTIDAD

DE SOBRES

GRUPOS DE

(6)

GRUPOS DE

(12)

GRUPOS DE

(24)

1 2 - - -

60 120 20 10 5

3600 7200 1200 600 300

El boceto final de la maquina será como el que se ve continuación (Ver figura

12 y 13)

53

Figura 12: Vista isométrica

54

Figura 13: Vista alzado

55

8. CALCULO DEL RESORTE

Carga: 188.5 N 42.26 Longitud: 10 cm 3.39 DECISIONES A PRIORI d = 1mm 0.039 Material: alambre trefilado duro A= 135 m=0.201 G=11.85 ( ) E= 29.0 ( )

= 0.75* = 0.75*262.976 = 197.232 = 0.67* = 0.67*262,976 = 176.194 = 0.45* = 0.45*262.976 = 118.339

(

= 62.32 D= c*d = 3.93*0.039 = 0.153 DE= D+d = 0.153 + 0.039 = 0.192

exp [-0.105c]

exp [-0.105*3.93] = 22.1

Tol = 1000

= Despejamos F

F = = 3.95 f

56

F = = 2.77 f

K =

K = = 2.31

= 22,36 vueltas

vueltas

• Esfuerzo flexionante

• Factor de seguridad

• Componentes esfuerzo cortante

=

=

57

8.1 CUERPO DEL RESORTE

• Componentes de esfuerzo

=

=

• Factor de seguridad a la fatiga

58

9. SIMULACION DEL RESORTE CON SOLID EDGE

Solid Edge Engineering Reference VALIDACIÓN DE RESISTENCIA: Aprobado Estándar: ISO INTRODUCIR CONDICIONES DE DISEÑO _________________________________________ PARÁMETROS DE ENTRADA DE DISEÑO

• Cotas del resorte (Do) Diámetro exterior: 10,00 mm (Lf) Longitud en carga aplicada: 140,00 mm (Df) Deflexión necesaria: 8,00 mm (Fp) Precarga: 100,000 N (Ff) Carga aplicada: 250,000 N

• Parámetros del resorte Seleccionar entrada de cotas de conjunto: Longitud en carga aplicada Factor de seguridad: 1 Dirección de bobina: Derecho Proceso de bobinado: Bobinado en frío

10. PROPIEDADES DEL MATERIAL USADAS PARA LOS CÁLCU LOS Material: Alambre acero sin alear estirado en frío - SL Módulo de elasticidad: 81370 MPa Densidad: 7850 Kg/m^3 10.1 PROPIEDADES DEL MATERIAL APLICADAS AL MODELO

• Opciones de entrada de diseño Condición del resorte: Con tensión inicial Criterios de diseño: Diseñar resorte para cargas dadas Selección de diámetro: Especificar diámetro exterior Parámetros de salida: No se ha revisado Cotas del resorte: No se ha revisado

59

Método de diseño: Según diámetro del resorte y cargas Restricciones diámetro: No se ha revisado Restricciones de deflexión: No CALCULAR RESULTADOS _________________________________________

SACAR PARÁMETROS DE DISEÑO (d) Diámetro del alambre: 2,10 mm (Lo) Longitud descargada: 128,54 mm Índice de resorte: 3,762 (Dm) Diámetro medio: 7,90 mm (Di) Diámetro interior: 5,80 mm (Lp) Longitud en precarga: 132,00 mm Total de bobinas (Núms.): 22 Factor de altura de gancho: 6,905 Altura de gancho de resorte: 40,05 mm VALID. RESISTENCIA Factor de corrección de Wahl: 1,435 Constante del resorte: 18,8 Longitud de la pieza arrollada: 48,45 mm Deflexión de resorte precargado: 3,46 mm Deflexión total de resorte: 11,46 mm Tensión de torsión permitida: 810,000 MPa Tensión de precarga: 311,725 MPa Tensión de carga completa: 779,312 MPa Tensión inicial: 35,206 MPa Tensión en estado libre: 109,747 MPa Paso de rosca teórico: 2,10 mm

11. SIMULACION DEL RESORTE CON ANSYS Tabla 6. Propiedades del material Name Value

Compressive Ultimate Strength 0.0 Pa

Compressive Yield Strength 2.5×108 Pa

Density 7,850.0 kg/m³

Poisson's Ratio 0.3

Tensile Yield Strength 2.5×108 Pa

Tensile Ultimate Strength 4.6×108 Pa

Young's Modulus 2.0×1011 Pa

Thermal Expansion 1.2×10-5 1/°C

60

Specific Heat 434.0 J/kg�°C

Thermal Conductivity 60.5 W/m�°C

Relative Permeability 10,000.0

Resistivity 1.7×10-7 Ohm�m

Resultados del material

Name Scope Minimum Maximum Minimum Occurs On

Maximum Occurs On

Alert Criteria

"Equivalent Stress"

"Model" 9,537.95 Pa 2.7×109 Pa Part 1 Part 1 None

"Maximum Shear Stress"

"Model" 5,315.15 Pa 1.54×109 Pa Part 1 Part 1 None

"Total Deformation"

"Model" 3.48×10-

2 m 7.22 m Part 1 Part 1 None

61

Figura 14: Esfuerzo cortante del resorte

62

Figura 15: Deformación del resorte

63

• Factor de Seguridad a la tensión Name Scope Type Minimum Alert Criteria

"Stress Tool" "Model" Safety Factor 9.25×10-2 None

"Stress Tool" "Model" Safety Margin -0.91 None

• Resultados de fatiga

Name

Fatigue

Strength Factor

Type Scale

Factor

Analysis

Type

Mean

Stress Theory

Stress

Component

Input

Type

"Fatigue

Tool" 1.0

Fully

Reversed 1.0 Stress Gerber Max Priciple

Local -

Elastic

Linear

Name Scope Type Design Life Minimum Maximum Alert Criteria

"Life" "Model" Life 53.34 N/A None

"Damage" "Model" Damage 1.0×109 N/A 1.87×107 None

64

Figura 16: Esfuerzo del resorte

Ciclos Alternating Stress

10.0 4.0×109 Pa

20.0 2.83×109 Pa

50.0 1.9×109 Pa

100.0 1.41×109 Pa

200.0 1.07×109 Pa

2,000.0 4.41×108 Pa

10,000.0 2.62×108 Pa

20,000.0 2.14×108 Pa

100,000.0 1.38×108 Pa

200,000.0 1.14×108 Pa

1,000,000.0 8.62×107 Pa

65

Figura 17: Parámetros de tensión de vida del resorte

Strength Coefficient 9.2×108 Pa

Strength Exponent -0.11

Ductility Coefficient 0.21

Ductility Exponent -0.47

Cyclic Strength Coefficient 1.0×109 Pa

Cyclic Strain Hardening Exponent 0.2

66

12. CALCULO DE LA ESTRUCTURA UTILIZADA EN LA MESA MATERIAL:

ASTM-36 Acero al carbón estructural FLUENCIA:

S = 36

• Factor de diseño y factor de seguridad Para suspensiones de piso y plataforma = 1.33 = 1.33

• Método de factor de diseño estocástico

13. PESO DE LOS COMPONENTES DEL AGRUPADOR

Angulo a usar

Tamaño

67

Figura 18: Esfuerzo del agrupador en Ansys

68

Resultados de la estructura

Name Scope Minimum Maximum Minimum Occurs On

Maximum Occurs On

Alert Criteria

"Equivalent Stress" "Model" 3.61 Pa 1.93×106 Pa Part 1 Part 1 None

"Maximum Shear Stress"

"Model" 2.07 Pa 1.11×106 Pa Part 1 Part 1 None

"Total Deformation"

"Model" 4.8 m 6.55 m Part 1 Part 1 None

14. CALCULO PARA EL SOPORTE BASE Para la estructura que soporta los elementos neumáticos se utilizaron 3 mts de

perfil , el cual tienen un peso . Peso

Angulo a usar

Tamaño Figura (19) Deformación

69

Figura 19: Esfuerzo del Soporte base

70

Resultados de la estructura

Name Scope Minimum Maximum Minimum Occurs On

Maximum Occurs On

Alert Criteria

"Total Deformation"

"Model" 5.27 m 5.28 m Part 1 Part 1 None

"Equivalent Stress"

"Model" 1,402.41 Pa 807,171.5 Pa Part 1 Part 1 None

"Maximum Shear Stress"

"Model" 764.11 Pa 433,806.2 Pa Part 1 Part 1 None

Equivalente de esfuerzos Name Scope Type Minimum Alert Criteria

"Stress Tool" "Model" Safety Factor 15.0 None

"Stress Tool" "Model" Safety Margin 14.0 None

"Stress Tool" "Model" Safety Factor 15.0 None

"Stress Tool" "Model" Safety Margin 14.0 None

"Stress Tool" "Model" Nondimensional Stress 5.61×10-6 None

71

15. CALCULOS DE CILINDROS NEUMATICOS

• Cilindro para bajar sobres

Para el diseño de la maquina se tiene en cuenta el espesor del producto en nuestro caso sobres de 0,5 mm, inicialmente se agruparan como máximo 12 sobres, por tanto el espesor de estos 60mm. Longitud de diseño para apilar sobres

190 mm L= 190 – 60 = 130 mm La carrera del cilindro no debe superar los 130 mm ya que la fuerza ejercida podría romper los sobres. De acuerdo a medidas estándar de cilindros normalizados según DIN ISO 6432 la carrera adecuada es de 125 mm Por criterio de selección escogemos el actuador de Festo DSNU-20-125-PPV-A (Ver tabla 7). Según catalogo la fuerza teórica es de 188,5 N

72

Tabla 7. Hoja de datos actuador DSNU-20-125-PPV-A

73

• Cilindro para mover carro

L = 160 mm m = 6 kilos F= 6 * 9,8= 58,8 N 60 N

Diámetro de embolo del cilindro

Diámetro cercano según DIN ISO 6432 Con este diámetro de embolo, la carrera y la fuerza necesaria escogimos el actuador de Festo DSNU-16-160-PPV-A (Ver tabla 8)

• Cilindro para empacar L = 160 mm m = 5 kilos F= 5 * 9,8= 49 N 50 N

Diámetro de embolo del cilindro

Diámetro cercano según DIN ISO 6432; Con este diámetro de embolo, la carrera y la fuerza necesaria escogimos el actuador de Festo DSNU-16-160-PPV-A.

74

Tabla 8. Hoja de datos actuador DSNU-16-160-PPV-A

75

• Consumo de aire La cantidad de aire que consume el cilindro en empuje y tracción es el resultado de multiplicar el volumen del cilindro por la carrera, (Ver tabla 9) El consumo se expresa en los cálculos en litros (aire aspirado) por minuto. Tabla 9. Consumo de aire

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Consumo del circuito neumático Cilindro A: Ø 20, carrera 125 Cilindro B: Ø 16, carrera 160 Cilindro C: Ø 16, carrera 160 Secuencia: /A+/A-/A+/A-/A+/A-/A+/A-/A+/A-/A+/A-/B+/B-/C+/C-/ Tiempo del ciclo: 6 seg Presión de trabajo: 6 bar (manómetro) Consumo de cilindro A Consumo tabla * ciclos = consumo cilindro 0.00405*6=0.0243 Consumo del cilindro * carrera = Va Va = 0.0243 * 125 = 3.037L Consumo de cilindro B Consumo del cilindro * carrera = Vb Vb = 0.00262 * 160 = 0.419 Consumo de cilindro C Consumo del cilindro * carrera = Vc Vc = 0.00262 * 160 = 0.419

0.654 = 39.25 La válvula del agrupador industrial escogida es MFH-5-1/4 (Ver tabla 10).

La electroválvula escogida nos proporciona 1.000

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Tabla 10. Hoja de datos válvula MFH-5-1/4

78

Tabla 11. Precios de componentes neumáticos

MARCAS CILINDRO NORGREN MICRO FESTO TPC AIRTAC

CARRERA DE 125 Ø DE EMBOLO 20

195.525 101.250 135.000 109.500 103.500

CARRERA DE 160

Ø DE EMBOLO 16

263.381 111.600 147.000 117.500 126.500

MAC FESTO AIRTAC

ELECTROVALVULA 5/2 vias, 24 V 367.640 350.000 286.971

CONEXIÓN 1/4

UNIDAD DE MANTENIMIENTO 282.210 293.000 285.300

CONEXIÓN 1/4

RACOR RECTO Ø 6 CONEXIÓN 1/4 3.535 4.400 4.274

RACOR CODO Ø 6

CONEXIÓN 1/4 5.230 5.600 5.768

MANGUERA POLIURETANO Ø6 2.165 3.200 3.574

COMPONENTE ELECTRICOS PRECIO

SENSOR CAPACITIVO Ø 18 - 20 DS 215.150 PLC ZEN 800.000 MATERIAL METALICO PRECIO LAMINA EN ACERO

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INOXIDABLE 304 57.200 1 *22 CALIBRE 26 ANGULO 1 1⁄2*11⁄2*1⁄4 46.000 6 mts ANGULO 2*2* 1⁄4 54.000 6 mts

80

16. PROGRAMACIÓN DEL PLC

El PLC del agrupador industrial que se escogió para el desarrollo del proyecto marca OMRON el cual se programo bajo lenguaje Ladder, para controlar el circuito neumático (Ver figura 20).

Figura 20: Circuito neumático

Este circuito neumático, es controlado por el PLC por medio de la señal que

manda a las electroválvulas las cuales hacen la computación y activan los

cilindros.

A continuación se encuentra la programación del PLC desarrollada en lenguaje

Ladder (Ver figura 21)

81

17. CALCULOS DE SOLDADURA PARA EL SOPORTE BASE

Unidades en mm.

Material acero estructural A36, Cordón de soldadura 6013

Sy= 35 Kpsi

Su= 58 Kpsi

=⋅+⋅

⋅⋅+⋅⋅==∑∑

)40(2)2(40

40)2(32)40(111

Ai

Ayy

mmy 2=

Kpsiperm

perm

Syperm

36

)60(60,0

60,0

=Τ=Τ=Τ

mmh

mhh

Tperm

2

002,0

1800036

==

==

KpsiGperm

Gperm

bSyGperm

6,21

)36(60,0

)(60,0

===

5,1)40(2)2(40

5,24 =⋅+⋅

==A

FG

Como Gperm ≥ G

21,6 ≥ 1,5

82

18. CALCULOS ESFUERSOS SOPORTE DEL ACTUADOR QUE BAJ A

LOS EMPAQUES

83

Mpa Comparando con el del material acero inoxidable 304 si nos sirve

276 MPa

84

CONCLUSIONES

• Con el diseño de la maquina agrupadora de empaques se consigue

la automatización de un proceso donde hasta ahora era indispensable

la presencia de un proceso manual, donde un operario supervisara el

correcto funcionamiento, conteo y empaquetamiento de distintos

productos para la entrega final.

• La implementación de la maquina ofrece grandes beneficios a la

industria nacional en general, pues con esta se garantiza eficiencia y

disminución en intervalos de tiempo, ambos factores determinantes

en el excelente desempeño de la producción de cualquier empresa.

• Se garantizan mejoras en el conteo y empaque de los diferentes

productos, pues a diferencia del operario y del proceso manual, la

maquina trabaja en tiempos exactos sin lugar a equivocaciones, pues

un error sería fatal para la economía de la empresa y para el proceso

mismo.

• Con el diseño e implementación de esta máquina fueron aplicados los

conocimientos adquiridos durante la carrera además se comprendió la

importancia de la automatización de procesos que a simple vista tal

vez son sencillos pero al ser estudiados a fondo son determinantes en

la industria.

85

BIBLIOGRAFÍA

FUENTES PRIMARIAS

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• CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. Primera edición.

España, Alfa omega, 1998. 750p.

• DEUTSCHMAN, Aaron D. Diseño de máquinas: teoría y práctica. Segunda edición. México, Editorial continental, 1987.957p.

• GARCIA MORENO, Emilio. Automatización de procesos industriales.

Primera edición. España, Alfa omega, 2001. 183p.

• GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. Primera edición. México, Prentice Hall, 1997. 1062p.

• HAMRROCK, Bernard. Elementos de máquinas. Primera edición.

México, McGraww Hill, 2000. 926p.

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• SHIGLEY, Joseph E. Diseño en ingeniería mecánica. Sexta edición.

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consulta 02/04/07, España JPWebSystems - BELCA S.A. 2000-2007.

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http://www.dematechcorp.com/productos_brava.html, fecha consulta

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• Los PLC (controlador lógicos programables),

http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/electricidad/plc/index.php,

fecha consulta 26/05/07, Rodrigo V A Barber Copyright 2000-2007.

• Cilindros y tuberías,

http://www.pyrneumatica.com/cilindros_y_tuberias.htm, fecha consulta

26/04/07, Copyright © 2003 Innovaciones Web.

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ANEXOS

Anexo A Cotización TEMPACOL LTDA.

Bogotá D.C., junio 20 del 2007

Señores

Atn, Ing. RICARDO ANDRES SARMIENTO

Ciudad

Ref.: Cotización #. 30-06

Atendiendo a su solicitud nos permitimos cotizar para usted lo siguiente:

CANTIDAD DETALLE VR.UNITARIO VR.TOTAL1 Fabricación de Agrupador caída libre para sobres de 120mm x

170mm, de 130mm x 160mm y 90mm x 125mm con cambio de formato para este último, según muestra, incluye toda la partemecánica, neumática y electrónica. $14.800.000,oo $14.800.000,ooSUBTOTAL… $14.800.000,ooIVA 16%… 2.368.000,ooTOTAL… $17.168.000,oo

Forma de pago: 40% al iniciar el trabajo 60% 30 días f.f.Tiempo de entrega: 15 díasValidez de la oferta: 20 días

Esperamos servirles con el mayor de los gustos.

Atentamente,

ALBERTO BRAVO.Subgerente