2
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
76
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
77
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
79
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
• BEER, Ferdinand P. Mecánica de materiales. Cuarta edición. México, McGraww Hill, 2006. 787p.
• 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.
• NORTON, Robert L. Diseño de maquinaria. Primera edición. México, McGraww Hill, 2000. 878p.
• SHIGLEY, Joseph E. Diseño en ingeniería mecánica. Sexta edición.
México, McGraw Hill, 2002.1245p.
• WALLER d. Electropneumatics. Denkendorf: Festo didactic GmbH & CO,
2002. 216 p.
REFERENCIAS DE LA WEB
• Productora Andina de Máquinaria Ltda. – Kafesuav,
http://www.colombiapack.com/kafesuav.htm, fecha consulta 26/03/07,
Colombia Copyright 1998 Publicar S.A.
• Embase y Embalaje Packaging BELCA, http://www.belca.es/, fecha
consulta 02/04/07, España JPWebSystems - BELCA S.A. 2000-2007.
86
• DEMATECHCORPORATION-BRAVA-OPTIMA,
http://www.dematechcorp.com/productos_brava.html, fecha consulta
15/04/07, Venezuela Copyright 2006. Dematech Corporation.
• Fundamentos del control automático industrial,
http://www.sapiensman.com/control_automatico/ fecha consulta
21/05/07, España Copyright 2003.
• 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.
87
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
Top Related