MODERNIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UNA...

MODERNIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE ARROZ EN LA EMPRESA INPROARROZ LTDA. EN VILLAVICENCIO

EDWIN ALFONSO ARDILA ARDILA GIOVANNI HUMBERTO RODRÍGUEZ BENITO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA MECATRÓNICA

BOGOTA D.C. 2007

1

MODERNIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE ARROZ EN LA EMPRESA INPROARROZ LTDA. EN VILLAVICENCIO

EDWIN ALFONSO ARDILA ARDILA

GIOVANNI HUMBERTO RODRÍGUEZ BENITO

Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Mecatrónico

Asesor GREGORIO RUBINSTEIN

Ingeniero eléctrico

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA MECATRONICA

BOGOTA D.C. 2007

2

Nota de aceptación

------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------ ------------------------------------

___________________________ Firma del presidente del jurado

_________________________ Firma del jurado

______________________ Firma del jurado

______________________________ Firma Asesor Metodológico

BOGOTA 25 DE JULIO DEL 2007

3

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN. 18

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 20

1.1ANTECEDENTES. 20

1.1.1 Antecedentes de la empresa INPROARROZ LTDA. 20

1.1.2 Antecedentes de una visita técnica a la empresa

TECNOPACK Ltda. 22

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 25

1.3 JUSTIFICACIÓN. 27

1.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO. 29

1.4.1 Objetivo General. 29

1.4.2 Objetivos Específicos. 29

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO. 30

1.5.1 Alcances. 30

1.5.2 Limitaciones. 31

2. MARCO DE REFERENCIA. 32

2.1 MARCO CONCEPTUAL. 32

2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO. 35

7

2.3 MARCO TEÓRICO. 38

2.3.1 Actuadores. 39

2.3.1.1 Actuadores Eléctricos. 39

2.3.1.2 Actuadores Neumáticos. 40

2.3.1.3 Actuadores Hidráulicos. 40

2.3.2 Motores eléctricos. 40

2.3.3 Sensores eléctricos. 41

2.3.3.1 Sensores capacitivos. 42

2.3.3.2 Sensores de proximidad ópticos. 43

2.3.3.3 Sensores de barrera. 43

2.3.3.4 Sensores de retrorreflexión. 44

2.3.4 Celda de carga. 45

2.3.4.1 Medición por fuerza de flexión. 46

2.3.4.2 Medición de fuerzas por compresión. 47

2.3.4.3 Medición de fuerzas por tensión. 47

2.3.4.4 Medición de fuerzas por corte o cizalladura. 48

2.3.5 Rele. 49

2.3.6 Pantallas de cristal liquido. 50

2.3.6.1 Pantalla de cristal líquido alfanumérica. 50

2.3.6.2 Pantallas de cristal líquido gráficas. 52

8

2.3.7 Microcontroladores. 53

2.3.8 Teclado matricial de membrana. 54

2.3.9 Sistema de control. 57

2.3.9.1 Sistema de control on off. 57

2.3.10 Comunicación serial. 58

3. METODOLOGÍA. 62

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. 62

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN. 62

3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN. 62

3.4 HIPÓTESIS. 63

3.5 VARIABLES. 63

4. ENFOQUE INGENIERIL Ó TECNOLÓGICO. 64

4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. 72

4.2 SISTEMA DE CENTRADO ACTUAL Y MODERNIZADO. 72

4.2.1 Diseño del sistema de centrado del rollo de la bolsa. 73

4.2.2 Diseño de engranes rectos. 78

4.2.3 Fuerza y Potencia Requerida Para El Motor. 81

4.2.4 Aspectos para elegir el motor. 84

4.2.5 Cálculos por fatiga. 85

4.2.6 Fuerzas ejercidas en los engranes. 87

9

4.2.7 Reacciones en el eje de los puntos de apoyo. 88

4.2.8 Cálculos de la fuerza axial que ejerce la carga. 88

4.2.9 Cálculos de rodamientos. 90

4.2.10 Diseño del eje secundario. 91

4.2.11 Análisis por par de torsión y los pares transmitidos en las

Secciones transversales. 91

4.2.12 Escoger el Factor de Seguridad. 94

4.2.13 Cálculos de resistencia de fatiga. 96

4.2.14 Diseño del eje principal del sistema de centrado de rollo

de bolsa. 96

4.3 DISEÑO DEL PROGRAMA PARA CENTRAR EL ROLLO DE

BOLSA. 103

4.4 SISTEMA DE PESO ACTUAL Y MODERNIZADO. 104

4.4.1 Diseño de control y selección del motor para el sistema

de peso. 104

4.4.2 Diseño del programa de peso con teclado de

membrana y pantalla lcd. 116

4.4.3 Etapa de potencia e inversor de giro para sistema de control

de peso y de centrado de bolsa. 125

4.5 SISTEMA DE VELOCIDAD DE LA MÁQUINA ACTUAL. 125

10

4.5.1 programa para aumentar la velocidad de la máquina

empacadora de arroz a 60 bolsas por minuto. 126

4.6 SISTEMA CONTADOR DE BOLSAS ACTUAL. 133

4.6.1 Diseño del programa contador de bolsas empacadas. 134

4.7 SISTEMA PARA RETIRAR LA BOLSA DE ARROZ

EMPACADA DE LA BÁSCULA. 136

4.8 ESQUEMA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE

LA MÁQUINA. 139

4.9 ANÁLISIS DE COSTO / BENEFICIO 144

5 CONCLUSIONES. 149

6 BIBLIOGRAFÍA 150

7 ANEXOS. 151

11

LISTA DE FIGURAS Pág.

FIGURA 1. Sistema de peso actual de la máquina empacadora de arroz. 21

FIGURA 2. Pocillos de dosificación de arroz por volumen. 21

FIGURA 3. Sistema actual del centrado del rodillo. 21

FIGURA 4. Máquina empacadora de arroz fabricada por la empresa

Tecnopack Ltda. 22

FIGURA 5. Características de las señales de entrada de un

Microcontrolador. 33

FIGURA 6. Accionador neumatico. 39

FIGURA 7. Motorreductores de corriente continua. 40

FIGURA 8. Sensor Capacitivo. 42

FIGURA 9. Verificación de la rotula de broca por medio de sensores de

Barrera. 44

FIGURA 10. Sensor óptico de retrorreflexión. 44

FIGURA 11. Celda de carga en su estructura física. 45

FIGURA 12. Forma de montaje de la celda de carga. 46

FIGURA 13. Celda de carga para medición de fuerza por compresión. 47

FIGURA 14. Celda de carga para medición de fuerza por tensión. 47

FIGURA 15. Celda de carga para medición de fuerza por corte

o cizalladura. 48

FIGURA 16. Aplicaciones de la celda de carga por corte ó cizalladura. 48

FIGURA 17. Báscula a través de celdas de carga tensión ó compresión. 49

FIGURA 18. Estructura física interna de un relé. 49

FIGURA 19. LCD pantallas Alfanuméricas. 50

FIGURA 20. LCD pantallas graficas. 52

FIGURA 21. Microcontroladores Motorota. 53

FIGURA 22. Teclados de membrana matricial y lineal. 55

FIGURA 23. Estructura interna del teclado. 55

FIGURA 24. Problemas de los teclados de muelle. 56

FIGURA 25. Configuración y funcionamiento de un teclado matricial. 57

12

FIGURA 26. Curva característica universal del control on off. 58

FIGURA 27. Tipo de conectores de comunicación RS-232. 61

FIGURA 28. Máquina empacadora actual vista atrás 65

FIGURA 29. Máquina empacadora actual vista frente 68

FIGURA 30. Máquina empacadora modernizada. 70

FIGURA 31. Máquina empacadora modernizada vista lateral 71

FIGURA 32. Vista lateral del engrane de piñones. 73

FIGURA 33. Sistema de centrado del rollo de bolsa. 74

FIGURA 34. Sistema de centrado del rollo de bolsa. 75

FIGURA 35. Movimiento Axial del eje junto con el rollo de bolsa. 82 FIGURA 36. Sistema de relación de engranes de dientes rectos. 85 FIGURA 37. Momentos en y del eje1. 88 FIGURA 38. Momentos en z del eje1. 89

FIGURA 39. Diagrama de fuerzas en el eje. 90

FIGURA 40.Grafica de par tosion vs secciones transversales. 92 FIGURA 41. Dirección de las fuerzas en el eje. 92

FIGURA 42. Diagrama de momentos (x-y). 93

FIGURA 43. Momentos en el plano (x-z). 93

FIGURA 44. DIAGRAMA DE MOMENTOS (X-Z). 94

FIGURA 45. Diseño mecánico de la caja de relación de engranes. 97

FIGURA 46. Diagrama de fuerzas. 98

FIGURA 47. Diagrama de momentos con respecto a z. 99

FIGURA 48. Fuerzas resultantes en los apoyos. 99

FIGURA 49. Grafica de par de torsión vs. Secciones transversales. 100

FIGURA 50. Diagrama de momentos. 100

FIGURA 51. Diagrama de momentos (x-y). 101

FIGURA 52. Momentos en el plano (x-z). 101

FIGURA 53. Diagrama de momentos (x-z). 102

FIGURA 54. Esquema de amplificacion de la celda de carga. 105

FIGURA 55. Respuesta de un sistema sudamortiguado. 104

FIGURA 56. Representacion en simulink 107 FIGURA 57. Respuesta de la celda de carga en simulink. 108

FIGURA 58. Representacion de la planta. 109 FIGURA 59. Moviemientos de la planta. 109

13

FIGURA 60. Algoritmo de control on-off. 116

FIGURA 61. Teclado de membrana utilizado. 117

FIGURA 62. Tipo de LCD utilizada en el proyecto. 118

FIGURA 63. Foto de la tarjeta de control con el microcontrolador y LCD. 118

FIGURA 64. Tablero de control. 119 FIGURA 65. Báscula seleccionada. 119

FIGURA 66. Báscula elegida con puerto de salida serial. 120

FIGURA 67. Módulo inversor de giro. 125 FIGURA 68. Máquina empacadora de arroz con el sensor óptico

y sin el sistema de sellado. 127

FIGURA 69. Comparación de la señal de entrada con el contador. 130

FIGURA 70. Ejecución y correcto funcionamiento de los programas. 136

14

LISTA DE TABLAS

Pág.

TABLA 1. Configuración de pines del microcontrolador. 51

TABLA 2. Configuración de los pines del puerto RS-232. 59

TABLA 3. Descripción de los pines del la comunicación RS-232C. 60

TABLA 4. Registro de tiempos del experimento. 76

TABLA 5. Datos del piñón 1. 78

TABLA 6. Datos del piñón 1 y rueda 2. 78

TABLA 7. Datos del piñón 2. 80

TABLA 8. Datos del piñón 2 y rueda 2. 80

TABLA 9. Valores típicos del coeficiente de rozamiento. 82

TABLA 10. Características al comprar el motor. 84

TABLA 11. Datos para cotizar la relación de engranes

del sistema mecánico de centrado. 85

TABLA 12. Rutina de mantenimiento. 141

TABLA 13. Comparación máquina actual vs moderna. 146 TABLA 14. Análisis comparativo de la máquina actual vs

Máquina moderna. 147

TABLA 15. Costo del desarrollo del proyecto. 148

15

LISTAS DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A. Soporte de la báscula. 152

ANEXO B. Plano del soporte de la báscula. 153

ANEXO C. Tarjeta del circuito de control Comunicación Serial con la

báscula y sistema de peso. 154

ANEXO D. Circuito de control para el sistema de centrado, contador

de bolsas y sistema de velocidad. 155

ANEXO E. Tabla características de resistencia de materiales. 156

ANEXO F. Catálogo de teclados especiales de membrana y metálicos con

Iluminación. 157

ANEXO G. Tabla de resistencias de materiales. 161

ANEXO H. Características de factor de seguridad. 162

ANEXO I. Tabla de los módulos y paso diametral. 163

ANEXO J. Circuito integrado de inversión de giro para los

motorreductores 164

ANEXO K. Báscula para el sistema de control de peso. 167

ANEXO L Catalogo del motorreductor. 168

ANEXO M. Selección del motor para el sistema de centrado. 169

ANEXO N. Soporte para el motor del centrado de la bolsa. 171

ANEXO O. Soporte para el motor del sistema de peso. 172

ANEXO P. Circuito de inversores de giro. 173

ANEXO Q. Engrane de 13 dientes 174

ANEXO R. Engrane de 39 dientes 175

16

RESUMEN

Con el propósito de mejorar el proceso de empacado por libras de arroz en la

empresa Inproarroz Ltda. se presenta este proyecto enfocado en la

modernización de la máquina empacadora de arroz; lo anterior con el fin de

aumentar la velocidad de la máquina, garantizar un peso exacto y calidad del

producto.

La modernización de esta máquina es de gran utilidad para Inproarroz Ltda.

Ella se encarga de darle el proceso final al arroz, empacándolo en diferentes

tipos de bolsas como son las de 450gr, 460gr y 500gr esta es la razón por la

cual nosotros nos hemos interesado en desarrollar este proyecto.

Este sistema se diseña con un control On-Off, para el correcto centrado de la

bolsa., también cuenta con un display LCD en el cual se visualiza (permite

indicar) la velocidad de la máquina, el conteo de bolsas empacadas, los

indicadores de periodo de mantenimiento preventivo y el sistema de peso que

el operario elige trabajar.

17

INTRODUCCIÓN

Día tras día, la industria alimenticia colombiana en su afán de incrementar la

producción y calidad del producto, ha venido desarrollando diversos sistemas

que le permiten estar a la vanguardia con la tecnología actual.

Uno de los aspectos que debe tenerse en cuenta es el tipo de tecnología

disponible, para el caso de inproarroz afecta los niveles de precisión y calidad

del proceso de empacado de arroz. Es preciso generar aportes de tipo

tecnológico a los sistemas de producción, realizando investigaciones que

propendan por optimizar la máquinaria para obtener procesos más eficientes.

Las máquinas empacadoras de arroz tienen diversas variables a controlar,

entre ellas se tienen:

• El tiempo necesario para llenar una bolsa de libra de arroz.

• La velocidad con la cual se debe empacar el producto.

• El peso que debe tener cada bolsa.

• El número de bolsas empacadas.

Estas variables deben ser controladas para lograr un proceso eficiente. El

proyecto tiene como objetivo asegurar que el peso del arroz en cada uno de los

empaques sea el correcto, y adicionalmente lograr un óptimo sellado de la

bolsa puesto que estos son unos de los mayores inconvenientes presentados

en las máquinas empacadoras de arroz actualmente.

Las máquinas que empacan arroz en los molinos de Villavicencio presentan

varias dificultades en el proceso de empacado, debido a su antigüedad y al

poco mantenimiento que han recibido por lo que su estructura electromecánica

muestra grandes deficiencias. Adicionalmente, la tecnología empleada no es

propiamente la más actualizada.

18

Las máquinas empacadoras tienen como finalidad llevar a cabo el proceso de

empaque del arroz en bolsas de diferente tamaño. El tamaño depende del tipo

de producto que la Empresa esté produciendo en el momento, por lo cual el

peso del producto empacado debe poderse ajustar según las necesidades Los

pesos de los diferentes productos de la Empresa son los siguientes:

• Arroz Alejandra: 460g, 500g,

• Arroz Alejandra Fortificado: 460g, 500g.

• Arroz Montaña: 450g, 500g.

• Arroz Mi Llanura: 450g.

• Arroz Cristal: 460g, y 500g.

• Arroz Cisne: 450g.

Es evidente que la Empresa debe lograr una alta velocidad de producción

manteniendo alta precisión en los procesos de pesado y empacado para poder

mantener su competitividad por lo que requiere equipos y sistemas que puedan

eliminar las falencias que se tenían en el pasado.

19

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

Los molinos empacadores de arroz que están funcionando en la ciudad de

Villavicencio enfrentan grandes y diversos problemas en el empacado de arroz;

entre ellos, la máquinaria disponible para llevar a cabo el proceso de empacado

es muy antigua, otros factores de dificultad son la velocidad, peso del producto,

precisión y calidad.

1.1.1 Antecedentes del estado actual de la Máquina Empacadora de la

empresa INPROARROZ LTDA.:

La máquina tiene una estructura metálica en la cual se encuentra una pequeña

tolva que permite depositar el arroz en unos recipientes y cuyo volumen

determina la cantidad de material que se empaca en cada bolsa. Estos

recipientes que tienen una forma cilíndrica se les ha dado el nombre de”

pocillos”, están colocados sobre un plato giratorio; Cuando este plato gira, cada

uno de los pocillos en forma secuencial llega al punto en donde se encuentra la

salida de la tolva, y de ésta forma la cantidad de arroz necesaria para llenar el

pocillo es depositada en él. (Ver la figura 1).

La figura 2, muestra el método utilizado para el control del volumen del

material suministrado a cada pocillo. Consiste en un sistema de tornillo sin fin y

una corona, que permite variar la altura de los pocillos variando así el volumen

de los vasos. En la fotografía se puede observar que el sistema está sujeto a la

influencia de perturbaciones tales como la vibración y no tiene los medios para

comprobar en forma continua el volumen del material empacado ni los

accionamientos que permitieran corregir errores. En otras palabras, el sistema

trabaja en la modalidad de bucle abierto.

20

Figura 1. Sistema de peso actual de la máquina Figura 2. Pocillos de dosificación de arroz por

Empacadora de arroz. Volumen.

Fuente: Imagen tomada por los autores.


Figura 3. Sistema actual del centrado del rodillo


La Figura No. 3 muestra el sistema utilizado para alimentar el material de

empaque a la máquina. Este material es plástico y se le suministra a la

empresa en forma de una hoja continua con una longitud determinada por el

tamaño del rollo. El peso del rollo más grande con el cual se trabaja, incluyendo

el peso del eje de soporte, es de alrededor de 60 Kg. Al material se le da la

forma de bolsa en la máquina y los procesos de sellado se logran por medios

termoeléctricos.

21

Su estructura esta diseñada en acero, y la duración de cada uno de los eventos

que tiene que llevarse a cabo en la secuencia de procesos requerida para

lograr la formación, llenado y sellado de la bolsa está determinada por una

serie de levas mecánicas, motivo por el cual la exactitud, facilidad de ajuste y

permanencia de los ajustes no son fáciles de lograr.

1.1.2 Antecedentes de una visita técnica a la empresa TECNOPACK LTDA:

Se efectuó una visita a TECNOPACK LTDA, ubicada en la ciudad de Bogota,

se observo que las máquinas fabricadas actualmente, son ensambladas con

partes importadas, y cuentan con dispositivos más sensibles y rápidos que los

que tienen las máquinas que actualmente se encuentran en INPROARROZ

LTDA. En la figura 1 se puede observar una de estas máquinas.

Figura 4. Máquina empacadora de Arroz por la Empresa Tecnopack Ltda.

Fuente: Empresa Tecnopack Ltda.

Las empacadoras que ensamblan en TECNOPACK LTDA. tienen dispositivos

electromecánicos eficientes y sofisticados, en algunos casos programados

22

como lo son tableros de mando de fácil acceso para el operario, comunicación

hombre – máquina, el cual dispone de una pantalla TOUCH SCREEN FULL

COLOR, PLC’S, sensores, motorreductores, cilindros neumáticos, acoples,

mangueras, la cual son más compactas y eficientes. Estas máquinas tienen

una desventaja, pues no incorporan un sistema de control automático del peso,

sino que su sistema es manual con un funcionamiento similar al de las

máquinas de Inproarroz.

Es evidente que encontramos estas máquinas en el mercado industrial más

costosas, su precio oscila entre noventa a doscientos millones de pesos,

máquinas nacionales e importadas.

Las máquinas que se encuentran trabajando en INPROARROZ LTDA. Tienen

aproximadamente 20 años de trabajo, en los cuales el desgaste, la oxidación,

la falta del mantenimiento y desactualizacion tecnológica producen pérdidas

mecánicas, económicas y eléctricas importantes. El diseño del sistema de

velocidad de operación en toda la máquina, el sistema de peso y el sistema de

centrado. Operan manualmente, ocasionando alteraciones en el

funcionamiento de toda la máquina, y en el proceso de sellado incorrecto, de

esta manera generando pérdidas de plástico, como de arroz.

Los tableros de mando son accionados por pulsadores e interruptores, los

cuales son insuficientes para controlar estas máquinas. La falta de un

adecuado programa de mantenimiento por medio de avisos en pantallas para el

operario. Lo anterior ha ocasionado que las empacadoras de arroz se hayan

deteriorado, y atrasado en el nivel de producción, calidad y competitividad. Por

estas razones el funcionamiento de estas empacadoras es completamente

dependiente del operario.

En estas máquinas el operario lleva un control manual de las variables; como

es el correcto centrado del material de empaque, que se controla

continuamente.

23

En Inproarroz existen 15 máquinas, debido al reducido personal disponible, el

operario encargado de estas funciones no logra atender todas las máquinas.

Otra variable a controlar es el peso, que se controla manualmente en cada

empacadora de arroz con la ayuda de otro operario para pesar el producto en

una báscula y corregir el error manualmente por medio de volumen.

Debido a los altos costos de una nueva máquina en el mercado industrial y

también al factor costo beneficio, los empresarios han decidido seguir con

estas máquinas que se encuentran trabajando con una baja producción debido

a su antiguo mecanismo y sistemas de control electrónico, la productividad esta

alrededor de 40 - 50 bolsas por minuto lo que se puede comparar con las

máquinas modernas construidas en Colombia que empacan entre 50 – 70

bolsas por minuto. Esta condición esta generando pérdidas bastante

considerables en la producción por máquina/día.

Las máquinas importadas presentan inconvenientes por sus altos costos,

igualmente tienen mecanismos de control muy complejos lo que dificulta las

labores de mantenimiento o reparación. Una reparación para estas máquinas

se debe hacer directamente con el fabricante debido a los diseños del software

y tarjetas electrónicas. Estas máquinas empacan entre 60-120 bolsas por

minuto y pueden llegar a costar el doble de una máquina nacional.

24

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Las empacadoras de arroz no son lo suficientemente eficientes y precisas,

problema que se ve reflejado directamente en pérdidas económicas en la

industria arrocera INPROARROZ LTDA.

En Inproarroz Ltda. la máquinaria actual está desactualizada en sus

mecanismos y sistemas de control. Para una empresa de esta categoría es

muy importante actualizar la máquinaria, ya que éste factor se refleja en la

producción y utilidad de la empresa. Estas máquinas carecen de un sistema

que pueda controlar continuamente el pesaje de cada bolsa de arroz

empacada.

Debido a estas irregularidades de peso en las empacadoras, un error de 15gr

por libra de arroz, se refleja en varias toneladas ocasionando grandes pérdidas

para la empresa. El cambio de peso de 500gr a 460gr ó 450gr al empacar

también influye en la exactitud, puesto que el sistema de peso tiene un

mecanismo manual el cual controla volumen. Este se debe estar pesando

manualmente cada instante por las condiciones del producto como arroz

partido, generando mayor peso en los pocillos, y ocasionando pérdidas. Este

sistema mecánico no utiliza sensores de peso, el cual seria de mayor precisión,

al empacar el producto y al seleccionar el peso.

El sistema de centrado del rollo de bolsa es totalmente manual. Es necesario

tener un sistema de control que posicione automáticamente y correctamente el

eje que tiene el rollo de bolsa. Este rollo llega de la fábrica que lo provee

bastante descentrado ó mal enrollado y es por esto que el operario tiene que

centrarlo continuamente. Este problema se refleja en el momento de sellar la

bolsa, porque en algunas ocasiones el pliegue que debe tener la bolsa, es muy

reducido y al descentrarse el rodillo de bolsa el proceso no se realiza

correctamente. La posición en la que se hace el sellado no es la adecuada, por

esta razón la bolsa no es sellada ó queda medio pegada. Este defecto genera

25

pérdidas en el material de empaque y desde luego en tiempo porque se debe

romper la bolsa que quedo mal sellada y retornar el arroz a la tolva para

volverla a empacar.

Estas máquinas carecen de un sistema que permita contar el producto

empacado, para así poder llevar una estadística precisa beneficiando tanto los

procesos administrativos como los de mantenimiento preventivo. La velocidad

de empacado que actualmente tienen las máquinas es muy baja con respecto a

las nuevas empacadoras, las máquinas de Inproarroz están empacando entre

40 a 50 bolsas por minuto, mientras que las máquinas empacadoras recientes

están en el orden de 60 bolsas por minuto es muy evidente que las pérdidas de

producción en varias máquinas en el día es bastante considerable.

Este problema puede solucionarse directamente con una modernización de los

sistemas actuales que tienen estas máquinas, con sistemas que no necesiten

del continuo control de un operario y con un periodo de mantenimiento más

largo evitando así gastos innecesarios.

¿Cómo simular y diseñar un sistema para una máquina empacadora de arroz

que permita ser más precisa y rápida, mejorando su productividad?

26

1.3 JUSTIFICACION

Este proyecto esta orientado a favorecer la industria arrocera de Villavicencio

inicialmente. Los empresarios de esta región enfrentan problemas de alta

deficiencia en el empacado del arroz, los sistemas y la máquinaria del proceso

no son competitivos con relación a los molinos de arroz que tiene máquinas

automatizadas o nuevas. Estos molinos se beneficiarán con la modernización

de sus máquinas empacadoras de arroz, ya que la inversión del proyecto es

baja en comparación con las máquinas que ofrece el mercado actual, sea

nacional ó importada.

Por otra parte, se pretende minimizar el tiempo del proceso de funcionamiento

para obtener una eficiencia en la planta de producción, una entrega oportuna,

adquiriendo una cantidad mayor de bolsas empacadas por minuto y con una

mayor precisión en el peso de las bolsas. Esta mejora dará la calidad de

sellado de la bolsa, también evitará problemas de tiempo en la salida de los

camiones. Se proyecta de esta forma lograr un gran aporte a esta industria

colombiana mejorando sus ingresos, con ello se reducirán pérdidas de bolsas,

desperdicio de arroz, máquina parada, horas extras por atrasó de pedidos.

Esta modernización esta enfocada en la Ingeniería Mecatrónica, ya que

relaciona temas de diseño mecánico, programación de microcontroladores,

sistemas de monitoreo ó comunicación Hombre-Máquina con pantallas LCD,

teclados matriciales de membrana especiales para el sector industrial además.

El aporte que la ingeniería mecatrónica hace a estas máquinas es muy

importante desde un punto de vista humano, debido a que los operarios no

tienen la capacidad física para manipular estas máquinas produciendo en serie.

La ingeniería mecatrónica reúne todos los temas necesarios para lograr una

modernización adecuada en este sector industrial y finalmente estar a la

27

vanguardia de la tecnología, sobre todo en competencia con las demás

compañías nacionales e internacionales.

Por último, desarrollamos este proyecto con el propósito de aplicar todos

nuestros conocimientos, de una forma directa a una problemática dada y así

poder optar al titulo en ingeniería mecatrónica.

28

1.4 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

1.4.1 Objetivo general

Modernizar y simular una máquina empacadora de arroz con el fin de

mejorar su sistema de empacado disminuyendo los costos de operación e

incrementando su productividad en la industria.

1.4.2 Objetivos específicos

Diseñar un sistema para controlar el pesaje del producto.

Diseñar un sistema para aumentar la velocidad de empacado de la

máquina.

Diseñar un sistema que permita el centrado automático del rollo de bolsa

Diseñar o seleccionar un sistema contador de bolsas empacadas.

Diseñar una plataforma mecánica para soportar el sensor de peso.

Diseñar un esquema de mantenimiento preventivo para este tipo de

máquinas.

Simulación de cada una de las partes diseñadas.

Realizar un análisis de costo beneficio en el desarrollo del proyecto.

29

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 ALCANCES

Básicamente pretendemos mejorar las falencias de las máquinas

empacadoras de arroz que se encuentran en Inproarroz Ltda., con el fin de

hacer más eficiente el proceso de empacado y actualizar en tecnología la

máquinaria, teniendo en cuenta las siguientes variables a mejorar:

1. Velocidad de llenado y sellado en las bolsas de arroz: Incrementar la

velocidad de la máquina por medio de sistemas electrónicos que se puedan

controlar de forma externa y también con sistemas que se realimenten

continuamente.

2. Consumo de energía: Actualmente el consumo de cada máquina es

elevado, esto generado por el rozamiento de las piezas mecánicas y los

antiguos sistemas electrónicos como son:

• Ejes, Árbol de levas de temporizacion con motores de alto consumo.

• Bujes, balineras, cadenas y demás elementos dinámicos que se

encuentran sin lubricar y están llenos de polvo, por la falta de protectores y

un programa que avise al operario la necesidad del mantenimiento en la

máquina.

3. Exactitud del peso deseado: Mejorar el sistema de control de peso es muy

importante en el desarrollo de este proyecto porque el producto empacado

final, debe tener un control de calidad y si este no es satisfactorio el

producto será devuelto por almacenes de cadenas, hipermercados,

supermercados, autoservicios.

4. Ahorro de bolsa centrar el rodillo que tiene la bolsa es uno de los puntos

más importantes en la modernización de esta máquina, porque su

30

presentación final es la que decide si sale o no al mercado, de no hacerlo el

producto será devuelto y se desperdiciara la bolsa, todo esto, porque el

rodillo no se encuentra completamente centrado ni tampoco hay un sistema

que lo centre correctamente.

1.5.2 LIMITACIONES

Las limitaciones son notables desde el punto de vista del software para la

simulación del diseño, tanto electrónico como mecánico, porque algunas

licencias de los programas son sólo comerciales y por ende no contamos con

ellas. Contamos con programas que tienen licencia académica como son:

Ansys; para la simulación de la parte mecánica.

Solid Edge; para el diseño de las piezas y los planos.

Pspice; para las simulaciones de electrónica.

Contamos con programas con licencia libre como son: Winide y Code

Warrior para la programación de los microcontroladores.

Micrograde; para la programación de microcontroladores Motorola.

El tiempo de duración del desarrollo del proyecto

El apoyo que nos pueda brinda la empresa inproarroz Ltda.

Se debe tomar todos los datos y pruebas necesarios los fines de semana

debido que la planta de empacado se encuentra ubicada en Villavicencio.

31

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL

LCD (Liquid Crystal Display): son las siglas en ingles de Pantalla de Cristal Líquido.

Las pantallas de cristal líquido son dispositivos electrónicos que sirven para visualizar

mensajes de texto, números, símbolos y gráficos.

MICROCONTROLADOR1: Un microcontrolador (MCU) es como una

minicomputadora en donde se pueden realizar cálculos como sumas, restas

multiplicaciones, divisiones, movimientos de información, etc. Cuando

conectamos a el aparatos como teclados, pantallas, motores, sirenas, etc.

Estamos dando aplicabilidad al microcontrolador, pues es él quien se encarga

de realizar los procesos para que estos aparatos realicen funciones y en su

conjunto se conviertan en herramientas útiles para la vida cotidiana.

El microcontrolador es una pastilla de silicio con patitas (pines) metálicas

llamadas puertos, estos permiten ejecutar las acciones que deseemos que el

microcontrolador haga. Una sola patita tiene dos estados Verdadero o Falso

que son representados por niveles de voltaje 0 voltios para Falso y 5 voltios

para Verdadero, además una sola de ellas puede funcionar como entrada o

como salida, esto depende de que conectemos a ella y de que forma fluirá la

corriente. Por ejemplo si conectamos a ella un LED la corriente deberá fluir

desde el pin del microcontrolador esto es una Salida, pero si en cambio

conectamos un botón, la corriente fluirá hacia el pin del microcontrolador, esto

es una Entrada.

MÁQUINA DE ESTADOS EN MICROCONTROLADORES (MICROGRADES)2: "Una máquina de estados está definida por dos funciones, una calcula el estado

siguiente en que se encontrará el sistema, y la otra calcula la salida. El estado siguiente

1 Microgrades Microcontroller Graphic Developement System 2 Fernando Pardo, Universidad Valencia, VHDL lenguaje de modelado

32

se calcula, en general, en función de las entradas y del estado presente. La salida se

calcula como una función del estado presente y las entradas"

CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES. La señal digital posee tres características mínimas que se utilizan en diferentes

casos, estas características que son: flanco ascendente, nivel y flanco

descendente se muestran en la figura 5. Figura 5. Características de las señales de entrada de un microcontrolador.

Fuente: Wakerly, John, Diseño digital, principios y prácticas, 3 edición, Ed. Prentice hall.

NIVEL LÓGICO Es un nivel constante de voltaje representando así un 1 ó un 0 lógico, no

poseen cambios aparte de estas dos opciones lo que permite identificar un

valor falso o verdadero.

FLANCO ASCENDENTE Cuando un nivel pasa de un estado de 0 a 1 en un instante de tiempo se le

Conoce con este nombre.

FLANCO DESCENDENTE Cuando un nivel pasa de un estado de 1 a 0 en un instante de tiempo se le

conoce con este nombre.

PULSO E IMPULSO En Teoría un impulso es un valor determinado en un instante de tiempo

instantáneo, y el pulso es un valor determinado en una cantidad de tiempo

determinada.

EL MUESTREO: consiste en la lectura y la escritura periódicas desde y hacia

el hardware, con retención de la información en la memoria RAM del

33

Microcontrolador Guardar la información en la memoria RAM se hace necesario

para estabilizar la información en el desarrollo de la aplicación.

OPERACIÓN LÓGICA AND: Se puede representar con diferentes símbolos

como el punto (A * B), (A & B), o por la ausencia de un operador (AB).

Por ejemplo Z = A & B, quiere decir que Z = 1 sólo si, A = 1 y B = 1, de caso

contrario Z = 0.

OPERACIÓN LÓGICA OR: Se puede representar con diferentes símbolos

como el más (A + B), (A | B).

Por ejemplo Z = A + B, quiere decir que Z = 1 cuando A = 1 ó B = 1, de caso

Contrario Z = 0.

OPERACIÓN LÓGICA NOT: Se puede representar con diferentes apóstrofes

como la tilde (A´), ó con una línea horizontal encima (Ā)

Por ejemplo Z = Ā, quiere decir que Z = 1 cuando A = 0 y Z = 0 cuando A = 1.

BIT START-ARRANQUE: (primer) primer bit en la Tx asíncrona de un carácter

y se usa para sincronizar el receptor. Es el primer bit que sigue al bit de parada.

BIT STOP-PARADA: (final) último bit en la Tx asíncrona de un carácter, para

devolver el cto al estado de reposo.

BIT DE PARIDAD: Digito binario que se agrega a un patrón de bits para hacer

que la suma de todos incluyendo el de paridad, sea siempre par o impar.

Comprueba la integridad de los datos durante la comunicación entre ctos o

computadores.

BAUDIO: unidad que define el número de veces que una señal de datos

cambia por segundo = Unidad de Tx de datos.

VELOCIDAD DE TX: Número de elementos de información enviados por

unidad de tiempo.

34

CONTROL DE FLUJO: sistema de señales que permiten a un dispositivo

receptor decir al dispositivo Tx cuando debe hacer una pausa en la Tx y

cuando puede continuar con la misma.

BIT DE DATOS: es el número de bits que conforman cada carácter Tx o

recibido en un sistema de comunicaciones seriales.

BIT DE MARCA: parte activa de un pulso en un sistema de Tx de datos.

2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO Las máquinas industriales de procesos de empacado de productos alimenticios

están sujetas a normas como:

Las partes de la máquina que se encuentran en contacto con el producto

alimenticio, deben estar fabricadas en acero inoxidable, teflón, plásticos,

polímeros, materiales que al estar al medio ambiente y la humedad no

contaminen el producto, evitando la corrosión y certificando normas de calidad

del producto empacado.

En los procesos mecánicos de industria alimenticia es conveniente utilizar

sistemas neumáticos, por lo cual los sistemas hidráulicos son deficientes

debido a las fugas del fluido, que se presentan en los racores, empaques y

uniones del las mangueras de esta manera contaminando el producto

alimenticio.

RESOLUCION No. 1296 (Mayo 5 de 2005)

Por la cual se reglamenta la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde

las zonas fronterizas hacia el interior del país.

35

EL GERENTE GENERAL DEL INSTITUTO COLOMBIANO AGROPECUARIO “ICA”

En ejercicio de sus atribuciones legales y estatutarias, en especial las

conferidas Por los Decretos 2141 de 1992, 1840 de 1994.el Acuerdo 0008 del

2001, y

CONSIDERANDO: Que es función del Instituto Colombiano Agropecuario “ICA”, velar por la

Sanidad Agropecuaria del país a fin de prevenir la introducción y propagación

de plagas que puedan afectar la agricultura y la ganadería.

Que las movilizaciones incontroladas de productos agropecuarios de la zona de

frontera hacia el interior del país constituyen grave riesgo para la sanidad

vegetal. Que estos materiales o subproductos pueden se portadores de plagas

de importancia económica. Que la presencia de nuevas plagas en el territorio

nacional incidirá gravemente en la sostenibilidad del sistema de producción

arroz y otros cultivos.

Que el ICA, conjuntamente con las autoridades aduaneras, de policía y

gremiales, ha concertado un plan estratégico para hacer del cultivo del arroz y

de las actividades derivadas del mismo un negocio competitivo rentable, de

bajo riesgo sanitario y sostenible en todas las áreas del cultivo.

Que corresponde al Instituto Colombiano Agropecuario “ICA”, velar por la

normatización para el desarrollo de acciones de fitosanidad e inocuidad de

alimentos, mediante hechos relaciona dos con campañas de prevención,

control, erradicación y manejo de plagas que afectan las especies cultivadas y

la inocuidad de alimentos de origen agropecuario.

RESUELVE:

ARTICULO 1º. Establecer como requisito obligatorio previo la “Licencia fitosanitaria para movilización de material vegetal” expedida por el ICA,

36

para la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde las zonas fronterizas

con destino al interior del País.

RESOLUCION No. 1296 (Mayo 5 de 2005)

Por la cual se reglamenta la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde

las zonas fronterizas hacia el interior del país.

ARTICULO 2º. Para la obtención de la Licencia fitosanitaria para la

movilización de arroz paddy y arroz blanco a que se refiere el artículo 1º.de

esta resolución, el interesado debe estar avalado por la DIAN.

ARTICULO 3º. Los funcionarios del ICA procederán a realizar la inspección

física del producto y de acuerdo con su estado sanitario expedirán la

correspondiente licencia fitosanitaria.

ARTICULO 4º. Para el cumplimiento de lo previsto en la presente resolución los

funcionarios del ICA gozarán en el desempeño de sus funciones del amparo y

protección de las autoridades civiles y militares de la Nación y tendrán carácter

de Policía Sanitaria de conformidad con lo establecido con el parágrafo Único

del artículo 65 de la Ley 101 de 1993 y el artículo 14 del Decreto 1840 de 1994.

ARTICULO 5º. La violación de las disposiciones legales establecidas en la

presente resolución y demás que se deriven de la misma, serán sancionadas

mediante resolución motivada que expida el ICA, de conformidad con el

Decreto 1840 de 1994.

ARTICULO 6º. La presente resolución rige a partir de su publicación en el

Diario Oficial. COMUNÍQUESE Y CÚMPLASE Dada en la ciudad de Bogotá,

D.C:, a 05 de mayo de 2005 JUAN ALCIDES SANTAELLA GUTIERREZ

Gerente General

Luís Felipe Guevara B.

Revisado: Oficina Asesora Jurídica

37

2.3 MARCO TEORICO

Las empacadoras son máquinas diseñadas para una continua producción.

Estas máquinas tienen dispositivos esenciales de conteo y de regulación de

velocidad, han aportado una gran capacidad de manipulación en el desarrollo

industrial, por ello cuentan con una estructura rígida en materiales resistentes

como es acero estructural, acero inoxidable, Aluminio y bronce sus elementos

principales son por lo general motores eléctricos y accionadores neumáticos los

cuales tienen la propiedad de su rápida respuesta.

La parte sensorial de estas máquinas están constituidos por interruptores

finales de carrera y en algunos casos sensores ópticos los cuales tienen como

característica la posibilidad de no tener contacto con ningún objeto a detectar.

Dentro de los elementos requeridos para el desarrollo de este proyecto

tenemos las tolvas construidas en acero inoxidable, es el preferido para el

manejo de alimentos debido a sus componentes químicos. Por lo general las

tolvas tienen forma geométrica cónica con el propósito que el producto que se

encuentra en ella no se detenga y se pueda manipular con mayor facilidad.

Otro punto muy importante en el desarrollo de este proyecto es calificar la

calidad del aire que se encuentra en la planta, debido a que es el medio con el

que energizaremos los actuadores neumáticos los cuales son parte esencial en

esta máquina, como también los compresores. Los compresores son máquinas

que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y

vapores) sobre los que operan, para poder transportar el fluido por un circuito

neumático, con el fin de accionar los actuadores neumáticos.

38

2.3.1 ACTUADORES FIGURA 6. Actuador neumático

Fuente: FESTO Actuador neumático doble efecto

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de

líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un

regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento

final de control como lo son las válvulas.

Existen tres tipos de actuadores:

Hidráulicos

Neumáticos

Eléctricos

Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar

aparatos Mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean

cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples

posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo

para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro

lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde

el punto de vista de precisión y mantenimiento.

2.3.1.1 Los actuadores eléctricos: son muy utilizados en los proyectos

mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin

escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento

preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de

39

mantenimiento. Por todo esto es necesario conocer muy bien las

características de cada actuador para utilizarlos correctamente de acuerdo a su

aplicación específica

2.3.1.2 Actuadores Neumáticos: A los mecanismos que convierten la energía

del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores

neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el

rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña

diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que

estos tienen poca viscosidad.

En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire

comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han

recibido mucha atención.

2.3.1.3 Actuadores hidráulicos: Los actuadores hidráulicos, que son los de

mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de

operación, funcionan con base a fluidos de presión. En este proyecto no se

debe utilizar este tipo de actuador debido a su contaminación en el área de

trabajo ya que se trata del sector alimenticio como es el arroz.

2.3.2 MOTORES ELECTRICOS

FIGURA 7. Motor-reductores de corriente continúa

Fuente: www.buhler.com/motorreductores.

40

La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los

actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía

eléctrica como fuente de poder.

Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es

altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia

entre la fuente de poder y el actuador.

Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos

estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario

utilizar reductores de velocidad o caja de engranes debido a que los motores

utilizados son de corriente continua y su potencia es de fracciones de horse

power.

Es evidente tener en cuenta el consumó de estos motores es muy mínimo a

comparación de un motor monofásico ó trifásico, en los sistemas de control

modernos se utilizan los motores de corriente continua debido a su fácil

sistemas de acople de potencia y su bajo consumo de energía.

La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, seria la instalación

de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje

del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas.

2.3.3 SENSORES ELECTRICOS3

Los sensores ó transductores, en general, son dispositivos que transforman

una cantidad física cualquiera, por ejemplo un desplazamiento mecánico, en

otra cantidad física equivalente, digamos una señal eléctrica de corriente ó

voltaje.

Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas

de control, tanto eléctricos como electrónicos utilizándose extensivamente en

3 Curso practico de Electrónica Industrial y automatización P-19-

41

todo tipo de procesos industriales para propósitos de monitoreo, control y

procesamiento.

Tanto la entrada como la salida de un sensor puede ser la combinación de los

siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza:

Variables mecánicas. Longitud, área, Volumen, flujo másico, torque,

presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica,

intensidad acústica, etc.

Variables térmicas. Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc.

Variables eléctricas. Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia,

capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico,

frecuencia, momento bipolar.

Variables magnéticas. Intensidad de campo, densidad de flujo,

momento magnético, permeabilidad, etc.

Variables ópticas. Intensidad, longitud de onda, polarización, fase,

reflectancia, trasmitancia, índice de refracción, etc.

Variables químicas ó moleculares. Composición, concentración,

potencial redox, rata de reacción, PH, olor, etc.

2.3.3.1 SENSORES CAPACITIVOS

Principios de operación de los sensores de proximidad capacitivos. Esta basado en al medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un

condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier

material.

FIGURA 8. Sensor Capacitivo.

Fuente: www.efector.com

42

Este tipo de sensor es de gran interés debido que el puede detectar el plástico

para el sistema de velocidad de empacado.

Cuando un objeto no metálico entra al campo eléctrico del cabezal de

detección, el campo eléctrico entre las placas se intensifica debido a que la

constante dieléctrica es mayor que la del aire.

2.3.3.2 SENSORES DE PROXIMIDAD ÓPTICOS.

Los sensores de proximidad ópticos utilizan medios ópticos y electrónicos para

la detección de objetos. Para ello se utiliza luz infrarroja. Son pequeños y

robustos tiene una larga vida útil y puede modularse fácilmente. Los fotodiodos

y los fototransistores se utilizan como elementos receptores. Cuando se ajusta

un sensor de proximidad óptico, la luz roja tiene la ventaja a la infrarroja de que

es visible. Además puede utilizarse cables de fibra óptica de polímero en la

longitud de onda del rojo, dada su baja atenuación de la luz.

2.3.3.3 SENSORES DE BARRERA

Consta de dos componentes emisor y receptor, montados separadamente, con

los cuales puede obtenerse amplios rangos de detección. Para poder detectar

la interrupción de luz, debe cubrirse la sección activa del rayo. El objeto a

detectar sólo debe permitir una mínima penetración de la luz, pero puede

reflejar cualquier cantidad de luz.

Ventajas del sensor de barrera: Incremento de la fiabilidad debido a la presencia permanente de luz

durante el estado de reposo.

Amplio alcance.

Puede dectetarse pequeños objetos.

Adecuado para ambientes agresivos.

Los objetos pueden ser reflectantes, especulares ó traslúcidos.

Buena precisión de posicionamiento.

43

FIGURA 9. Verificación de la rotura de broca por medio de sensores de barrera.

Fuente: Sensórica de FESTO. P-104.

2.3.3.4 SENSORES DE RETROREFLEXIÓN.

El emisor y el receptor se encuentran instalados en un sólo cuerpo, con lo que

se requiere de un reflector. Se evalúa la interrupción del rayo de luz reflejado.

Los objetos a controlar o a medir deben posicionarse de tal forma que el rayo

reflejado sea interrumpido y no sea devuelto por el propio objeto.

En comparación con los sensores de reflexión directa, los sensores de

retroreflexión poseen un alcance mayor. (Ver figura 10.)

FIGURA 10. Sensor óptico de retrorefleción.

Fuente: Electrónica Industrial y Automatización.

Ventajas del sensor de retroreflexión

Mejor fiabilidad dado que hay luz permanente durante el estado de

reposo.

Instalación y ajustes sencillos.

44

El objeto a reflectar puede ser reflectante, especular ó transparente

siempre que absorba un porcentaje suficiente elevado de luz.

Cubren mayor rango en comparación con los de reflexión directa.

Desventajas del sensor retroreflexión.

Los objetos transparentes, muy claros pueden pasar inadvertidos.

2.3.4 CELDA DE CARGAS Las celdas de carga son transductores que convierten una fuerza mecánica en

una señal eléctrica proporcional a la variable a medir. (Ver figura 11.)

La siguiente celda de carga es una opción para el diseño del sistema de peso.

FIGURA 11. Celdas de carga en su estructura física.

Fuente: Curso practico de electrónica industrial y automatización, Cenit P-38.

Se deben tener muy presentes algunos parámetros para elegir una celda de

carga cuando se realiza algún tipo de trabajo con ellas, en este caso es de

indispensable para el sistema de control de peso;

Capacidad Se refiere a la cantidad de fuerza que puede soportar una celda. Su

valor se expresa generalmente en libras.

45

Señal vs. Excitación Este es un parámetro que indica el nivel de voltaje de la

señal, con carga plena y con un voltio de alimentación. Se da en mV/V y los

valores típicos son 2 y 3 mV/V.

Carga Mínima Este valor, igual que la capacidad, esta dado en libras. Es el

voltaje mínimo que se le puede aplicarse a la celda para que el voltaje de la

señal sea confiable.

Precisión Este es un parámetro común para todos los tipos de sensores. Una

celda de mayor precisión suministrara un valor más exacto de la fuerza medida.

Un rango normal de precisión en las celdas de carga es del 0.01% al 0.3%.

2.3.4.1 MEDICIÓN POR FUERZA DE FLEXIÓN

Es una de las más utilizadas a nivel comercial. Esto es gracias a su diseño más

simple y bajo costo. En la figura 10 podemos apreciar una celda de este tipo y

en la figura 12 aparece la forma en que se debe montar y la manera en que se

debe aplicar la fuerza.

FIGURA 12. Forma de montaje de la celda de carga para medición de fuerza por flexión.

Fuente: Curso practico de electrónica industrial y automatización, Cenit P-38

46

2.3.4.2 MEDICIÓN DE FUERZAS POR COMPRESIÓN.

Otro tipo de celdas comúnmente usadas son las que miden fuerzas de

compresión, como la de la Figura 13. Por lo general se utilizan para grandes

fuerzas, por ejemplo para la medición del peso de vehículos de carga.

FIGURA 13. Celda de carga para medición de fuerza por compresión.

FUENTE: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.

2.3.4.3 MEDICIÓN DE FUERZAS POR TENSIÓN

Estas celdas de carga se utilizan generalmente para “colgar” los elementos a

los cuales se les quiere medir el peso, o alguna fuerza de tensión, Figura 14.

Generalmente tiene la forma de una “S” con el punto de apoyo en uno de sus

extremos, para aplicar la tensión en el otro extremo.

FIGURA14. Celda de carga para medición de fuerza por tensión.

FUENTE: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.

47

2.3.4.4 MEDICIÓN DE FUERZAS POR CORTE O CIZALLADURA

También existen las celdas de carga de tipo cizalladura, la cual poseen dos

puntos de apoyo, uno en cada extremo. La fuerza se aplica en al mitad de los

dos puntos de apoyo, como tratando de cortarla con una cinzalla. Figura 15.

FIGURA 15. Celda de carga para medición de fuerza por corte ó cizalladura.

Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.

En la Figura 16 podemos apreciar una aplicación típica de este tipo de celdas

en una báscula de camiones.

FIGURA 16. Aplicación de las celdas de carga por corte ó cizalladura.


48

FIGURA 17. Báscula, a través de celdas de carga tensión ó compresión.


2.3.5 RELE El relé es un dispositivo mecánico capaz de comandar cargas pesadas a partir

de una pequeña tensión aplicada a su bobina. Básicamente la bobina

contenida en su interior genera un campo magnético que acciona el interruptor

mecánico. Ese interruptor es el encargado de manejar la potencia en sí,

quedando al circuito electrónico la labor de "mover" la bobina. Permite así aislar

mecánicamente la sección de potencia de la de control. Pero para accionar la

bobina la corriente y tensión presente en un puerto paralelo no es suficiente.

Figura 18. Estructura física interna de un rele.

Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización.

49

2.3.6 PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO

Existen dos tipos de LCD:

• Pantallas de cristal líquido alfanuméricas.

• Pantallas de cristal liquido graficas.

2.3.6.1 Pantalla de cristal líquido alfanuméricas

FIGURA 19. LCD Pantallas Alfanuméricas

Fuente: www. Industry Standard Character LCD Modules - Crystalfontz.htm

Las LCD se están utilizando recientemente en numerosos proyectos de

tecnología industrial. Su habilidad para visualizar letras, números, palabras y

símbolos los hace más versátiles que los familiares display de 7 segmentos

compuestos por LED´S (diodos emisores de luz). Además son de bajo costo y

fácil manejo. Estos usan un chip controlador que se encarga de hacer posible

las funciones de LCD y de simplificar la interfase con el microcontrolador

MOTOROLA a usar.

TIPOS Y TAMAÑOS Existen en la actualidad una gran variedad de formas y tamaños. Unidades de

8,16, 20, 24, 32 y 40 caracteres estandarizados en versiones de una, dos y

cuatro líneas (filas). Algunos modelos incluyen Back Light o luz luminiscente

para ambientes oscuros o de noche.

50

CONEXIONES Los módulos de display están estandarizados. Son provistos de 14 pines de

acceso ó de 16 pines con Back Light, (14 ó 16 huecos para soldar jumper ó

cojinetes para soldar una cinta), también viene una gama alta con

comunicación serial y USB. En el proyecto elegimos por economía el display de

40 caracteres por 4 filas con Back Light Blue y 16 pines.

Los pines pueden estar enumerados en la tarjeta de circuito impreso. Para

localizar el pin número 1 este puede estar aterrizado a la placa metálica del

display en algún punto.

La función de cada uno de los pines es mostrada en la tabla. Los pines uno y

dos son líneas de alimentación. El pin 3 es un pin de control, Vee es usado

para ajustar el contraste del display. Idealmente puede ser conectado a una

fuente de voltaje variable o potenciómetro.

TABLA 1 Configuración de pines del microcontrolador.

# DE PINES NOMBRE FUNCION

1 Vss Ground

2 Vdd +Ve Suplí

3 Vee Contrast

4 RS Register Select

5 R/W Read/Write

6 E Enable

7 D0 Data bit 0

8 D1 Data bit 1

9 D2 Data bit 2

10 D3 Data bit 3

11 D4 Data bit 4

51

12 D5 Data bit 5

13 D6 Data bit 6

14 D7 Data bit 7

15 V++ Led +

16 GND Led -

Fuente: Memorias del curso de Microgrades del autor.

2.3.6.2 Pantallas de cristal liquido graficas

Las pantallas graficas son utilizadas para representar; animaciones, dibujos,

iconos, gráficos, números, símbolos y palabras.

TIPOS Y TAMAÑOS En el mercado se puede conseguir de diferentes tamaños; 122x32, 144x32,

128x64, 160x80, 160x128, 160x 160, 240x 128, 320x240, píxeles y de distintos

colores según la aplicación. En la figura 20 podemos apreciar algunas pantallas

LCD graficas que se encuentran en el mercado.

FIGURA 20. Pantallas LCD GRAFICAS.

Fuente: www.crystalfontz.com

52

2.3.7 MICROCONTROLADORES

FIGURA 21: MICROCONTROLADORES MOTOROLA.

Fuente: www.motorola.com

Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior

las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, Memoria y Unidades de

E/S, es decir, se trata de un computador completo en un sólo circuito integrado.

Aunque sus prestaciones son limitadas, además de dicha integración, su

característica principal es su alto nivel de especialización. Aunque los hay del

tamaño de un sello de correos, lo normal es que sean incluso más pequeños,

ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan.

Es un microprocesador optimizado para ser utilizado para controlar equipos

electrónicos. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los

chips de ordenadores vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el

restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener

uno o dos microprocesadores de propósito general en casa, usted tiene

probablemente distribuido entre los electrodomésticos de su hogar una o dos

docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier

dispositivo eléctrico como automóviles, lavadoras, hornos microondas,

teléfonos, etc.

Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil

convertirla en un ordenador en funcionamiento, con un mínimo de chips

externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo,

53

enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es

todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera

que todas estas tareas sean manejadas por otros chips.

Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado

y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM,

significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos

pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los

microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de

dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital,

temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y

CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados

por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos

microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación

integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito.

Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su

uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad,

como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el

microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería.

Los microcontroladores más comunes en uso son:

• Freescale ( Motorola)

o 8 bits

68HC05

68HC08

68HC11

2.3.8 TECLADO MATRICIAL DE MEMBRANA. El teclado matricial esta diseñado por varios pulsadores de forma matricial. De

esta manera podemos utilizar 16 pulsadores por 8 líneas ahorrando pines del

puerto de entrada en el microcontrolador, y la presentación es más elegante

ante un diseño a nivel ingenieril en comparación de los pulsadores eléctricos.

54

Figura 22: Teclados de membrana matricial y lineal.

Fuente: [email protected]

Estos teclados son muy utilizados en las grandes empresas que tienen cuartos

de control, electrodomésticos, vehículos y otros. Debido a estructura física. En

la siguiente figura podemos apreciar el circuito interno.

FIGURA 23. Estructura interna del teclado.


55

Son utilizados para introducir información al microcontrolador. Los hay de

varios tipos: de lámina flexible, de efecto Hall, de efecto inductivo, de efecto

capacitivo. Los más comunes son los de lámina flexible.

Características técnicas típicas: Valor nominal. de los contactos 24V d.c. 50mA

Resistencia de contacto<500 Ω

Tensión de ruptura 250V a.c.

Tiempo de rebote<10ms.

Vida útil mecánica 106 operaciones

Temperatura

en funcionamiento de -20° C a +55° C

en almacenamiento de -20° C a +60° C

EL PROBLEMA DE LOS REBOTES Debido al efecto muelle del pulsador, se producen oscilaciones en la señal

tanto al pulsar como al soltar. (Ver figura 28)

FIGURA 24: Problemas de los teclados de muelle.


En la siguiente figura 30 podemos ver la configuración “Hardware” de un

teclado matricial y su funcionamiento. Varias teclas controladas con un número

pequeño de entradas y salidas. La pulsación de una tecla se pone en

56

manifiesto en las entradas del microcontrolador conectadas al teclado. En este

ejemplo, se sabe que se ha pulsado una tecla de la tercera columna, pero no

se sabe cual. Se necesita desarrollar algoritmos que permitan cual es la tecla

que se ha pulsado. FIGURA 25. Configuración y Funcionamiento de un teclado matricial.


2.3.9 SISTEMA DE CONTROL

Una planta que se encuentre realizando algún tipo de función, y que

continuamente revise la salida del sistema y la compare con la entrada, con el

fin de tomar una decisión, este proceso se denomina como control a lazo

cerrado.

2.3.9.1 SISTEMA DE CONTROL ON OFF

El control on off4 también denominado como control encendido-apagado o

control de dos posiciones, es el modo más simple de control, en el que las

únicas condiciones para el dispositivo corrector final son encendido total y

apagado total, si la señal de error es positiva el controlador envía el dispositivo

corrector final a una de sus dos posiciones, si la señal de error es negativa, el

controlador envía el dispositivo corrector final a la otra posición

A continuación una grafica del control on-off cuya característica universal es

que el sistema de control oscila alrededor de un punto de ajuste. 4 Electrónica Industrial Moderna, tercera edición, Timothy J. Maloney, Pág. 294-295, 421

57

Figura 26: Curva característica universal del control on-off para una aplicación de control de temperatura

Fuente: Electrónica industrial moderna, tercera edición, Thimoty J. Maloney pág. 295.

Cuando la corriente eléctrica es la variable manipulada en un sistema de

control en lazo cerrado, el dispositivo corrector final muchas veces es un

relevador o un contactor.

2.3.10 COMUNICACIÓN SERIAL

La comunicación serial es un protocolo muy común (no hay que confundirlo con

el Bus Serial de Comunicación, o USB) para comunicación entre dispositivos

que se incluye de manera estándar en prácticamente cualquier computadora.

La mayoría de las computadoras incluyen dos puertos seriales RS-232. La

comunicación serial es también un protocolo común utilizado por varios

dispositivos para instrumentación; existen varios dispositivos compatibles con

GPIB que incluyen un puerto RS-232. Además, la comunicación serial puede

ser utilizada para adquisición de datos si se usa en conjunto con un dispositivo

remoto de muestreo.5

EL ESTANDAR RS-232C6

El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la

forma más comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre

5 http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1#232 6 http://andersonramirez.tripod.com/rs232.htm#COMUNICACION%20SERIAL%20RS-232

58

ordenadores. El RS-232C es un estándar que constituye la tercera revisión de

la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación de Industrias

Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional por el

CCITT, conocida como V.24. Las diferencias entre ambas son mínimas, por lo

que a veces se habla indistintamente de V.24 y de RS-232C (incluso sin el

sufijo "C"), refiriéndose siempre al mismo estándar.

El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal

encontrar la versión de 9 pines DB-9, más barato e incluso más extendido para

cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso, los

PCs no suelen emplear más de 9 pines en el conector DB-25. Las señales con

las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1

lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de

control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V.

Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables

de hasta 15 metros. Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una

función específica cada uno de ellos. Las más importantes son:

Tabla 2: configuración de los pines del puerto RS-232

Pin Función

TXD (Transmitir Datos)

RXD (Recibir Datos)

DTR (Terminal de Datos Listo)

DSR (Equipo de Datos Listo)

RTS (Solicitud de Envío)

CTS (Libre para Envío)

DCD (Detección de Portadora)

Fuente: Elaborado por los autores

Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y

DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG

59

(Tierra de Señal). Finalmente, existen otras señales como RI (Indicador de

Llamada), y otras poco comunes que no se explican en este artículo por

rebasar el alcance del mismo.

TABLA 3. Descripción de los pines del la comunicación RS-232C.

Numero De Pin Señal Descripción E/S

En DB-25 En DB-9

1 1 - Masa chasis -

2 3 TxD Transmit Data S

3 2 RxD Receive Data E

4 7 RTS Request To Send S

5 8 CTS Clear To Send E

6 6 DSR Data Set Ready E

7 5 SG Signal Ground -

8 1 CD/DCD (Data) Carrier Detect E

15 - TxC(*) Transmit Clock S

17 - RxC(*) Receive Clock E

20 4 DTR Data Terminal Ready S

22 9 RI Ring Indicador E

24 - RTxC(*) Transmit/Receive Clock S

Fuente: andersonramirez.tripod.com/rs232.htm#COMUNICACION%20SERIAL%20RS-232

60

FIGURA 27: Tipo de conectores de comunicación RS-232.

Conector DB 25 Conector DB 9

Fuente: http://andersonramirez.tripod.com/rs232.htm#COMUNICACION%20SERIAL%20RS-232

TIPOS DE COMUNICACIÓN - transmisión

- recepción

- duplex

SIMPLEX: Comunicación en un sólo sentido. Ej: Radio y Televisión o

(transmisión serial desde un micro hacia computador únicamente en un sólo

sentido)

HALF DUPLEX: Comunicación en ambos sentidos pero no simultáneamente.

Ej: emisoras de radioaficionados, avantel, gprs.

FULL DUPLEX: Comunicación en ambos sentidos en forma simultánea. Ej: El

Teléfono; se realiza en forma simultanea en ambos sentidos.

Los microcontroladores motorola vienen equipados con puerto de transmisión

serial algunos hasta 2 puertos.

SCI 1: gp32, jk8, jl8, Apxx; GT60, Sr12, Gb60

SCI 2: APxx, Gt60, Gb60

61

3 METODOLOGÍA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque de esta investigación es empírico analítico debido a que se quiere

llevar a fin un avance, el cual tiene como bases y conceptos empíricos

constituidos mediante la practica y la rutina, la parte analítica se establece a

partir del diseño obtenido con todas las técnicas teóricas indudables que

tengan relación con el proyecto. Como el propósito es modernizar la máquina

nuestro enfoque tiende a la parte de ingeniería teniendo en cuenta los

desarrollos existentes en otras máquinas y el adelanto de los productos

actuales que se encuentran en el mercado.

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN La línea de investigación que lleva este proyectó de acuerdo con la universidad

de san buenaventura es

• Tecnologías actuales modernas en la máquinaria industrial del sector

arrocero.

• Aporte a la sociedad

• Modernización y adelanto tecnológico en el sector industrial

3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Se recolectaron los datos mediante las siguientes fuente de información; libros

técnicos, revistas de tecnología, Internet, asesorías de docentes, visitas a

exposiciones de máquinas industriales de empacado, técnicos encargados de

la sección de empaquetado en la planta de Inproarroz además, por medio de

la pruebas tanto en los laboratorio de la universidad como en la empresa con

el objeto de encontrar datos para los diseños de control y mecánicos.

62

Se realizó una serie de entrevistas a operarios que trabajan con estas

máquinas los cuales nos pueden orientar y aportar acerca de las funciones y

condiciones que manejan estos sistemas.

3.4 HIPÓTESIS Desde un punto de vista teórico el problema que surge con los sistemas

tradicionales de empacado de arroz en la empresa Inproarroz, es que las

máquinas que lo hacen no son lo suficientemente precisas ni tampoco rápidas

razonando a si que se pueden considerar como ineficientes debido a su

margen de error, la propuesta es muy clara y se cree viable porque se resuelve

el problema con una modernización en diversas partes de la máquina como

son el centrar el rodillo de la bolsa, diseñar un sistema de pesaje para saber

continuamente los gramos que tiene cada bolsa y mejorar la velocidad de

empacado, tener un sistema de conteo permanente; estas renovaciones

mejoraran de forma directa la eficiencia de la máquina y esto puede ser la

solución.

3.5 VARIABLES Las variables asociadas al desarrollo de este proyecto son:

Debido que en Colombia no se encuentra con la tecnología necesaria

para cubrir esta necesidad y se recurre a la importación de máquinaria. Las industrias del sector Arrocero deben ser más competitivas con la

llegada del TLC a nuestro país. La importación implica para el distribuidor altos costos y bajas

ganancias. La necesidad de las empresas de obtener el certificado ISO 9001 y

entrar en competencia con la firma del TLC.

63

4. ENFOQUE INGENIERIL Ó TECNOLÓGICO FUNCIONAMIENTO ACTUAL DE LA MÁQUINA Proceso En inproarroz desde que llega el arroz por bultos, hasta que sale empacado,

tiene una proceso con diversos pasos.

Cuando el arroz llega este se encuentra con cascarilla, se deposita en un gran

filtro en donde la cascarilla es retirada del arroz y posteriormente eliminada, de

allí es llevado a una máquina seleccionadora de fabricación francesa, la cual

tienen como función separar las piedras y demás elementos que se encuentren

revueltos con el arroz. Cuando el arroz esta seleccionado, entonces es

conducido por un gran canal hasta las máquinas que lo empacan, depositando

lo en tolvas.

Esquema de la máquina actual en inproarroz.

La máquina empacadora que se encuentra trabando actualmente en inproarroz

ha tenido diversos cambios en la mayoría de los sistemas electrónicos que la

controlan, pero el entorno mecánico que la constituye solo ha tenido muy pocos

cambios, por esta razón de la máquina se puede describir el funcionamiento de

sus partes.

64

Máquina actual

FIGURA 28: Máquina empacadora actual vista atrás


Tolva: Esta es la tolva a la cual llega el arroz desde la máquina que lo selecciona, esta

tolva esta fija y conecta a la máquina con la canal que transporta el arroz.

Manivela: La manivela es el sistema que actualmente tiene la máquina para controlar el

peso de forma volumétrica, con el movimiento de una vuelta se puede apreciar

una variación de 2 gramos, el problema que tiene esta manivela es que la

65

vibración impide que se mantenga estática, y esto ocasiona la perdida del peso

seleccionado.

Pocillos: Los pocillos son los depósitos de arroz, estos giran por medio del motor1, a

medida que giran van depositando el arroz a la tolva2, la cual conduce el arroz

al cuello donde se forma la bolsa. Actual mente la máquina tiene 6 posillos.

Brazos tensores: Estos brazos permiten que la tira de plástico proveniente del rollo de bolsa se

mantenga tensionada, y de esta forma permitir que la manipulación se facilite.

Motor 2: El motor 2 es el motor que permite el movimiento de las mordazas para halar la

bolsa, en la trayectoria del tubo metálico, en el cual las mordazas hacen

presión.

Embrague: El embrague es el dispositivo que permite que el motor permanezca rotando

mientras el movimiento de las mordazas se detiene, con el propósito de frenar

las mordazas sin detener el motor, esto con el fin de no detener el motor en

cada ciclo por que esto ocasiona mayor gasto en las partes internas del motor y

también mayor gasto de energía.

Freno mecánico: El freno mecánico es un dispositivo que de pende del movimiento de los brazos

tensores, por que este se encuentra conectado de forma directa al varillaje de

los brazos tensores, cada vez que las mordazas halan la bolsa, los brazos

tensores se elevan, a su vez retiran el freno mecánico del disco. Una vez se

detiene las mordazas los brazos tensores bajan al no haber tensión sobre ellos

y el freno vuelve a su posición inicial, haciendo que el rollo de bolsa se

66

detenga, se no se tuviera este freno el rollo de bolsa seguiría girando debido a

la inercia del sistema.

Disco del freno: Este disco esta sujeto al eje del rollo de bolsa, por lo tanto el movimiento del

rollo es transmitido directamente al disco, es por esta razón que se aplica un

freno mecánico sobre este disco, permitiendo que el rollo no siga girando hasta

que se desbloquee.

Tornillo: Este elemento giratorio que con el desplazamiento rotacional eleva la

plataforma de los pocillos haciendo variar el volumen de cada uno de ellos.

Cadena de transmisión: Esta cadena transmite la potencia del motor 1 al plato de pocillos, con el

propósito de hacerlos girar en torno al eje del tornillo, para ir depositando en

cada giro la porción de cada pocillo.

Mordaza: Las mordazas son las que permite transmitir la potencia del motor a la bolsa,

estas 2 mordazas aseguran la bolsa presionándola contra el tubo metálico del

cuello, luego al girar la bolsa se desplaza.

Actuador horizontal: En este actuador se hallan 2 funciones; la primera es sella la bolsa que sale y

sellar la bolsa que llega, también permite cortar las bolsas una vez estén

selladas.

67

FIGURA 29: Máquina empacadora actual vista frente


Soporte actuador vertical En el se encuentran 2 actuadores, están sostenidos por medio de una platina

para que solo se muevan de izquierda a derecha.

68

Actuadores Los actuadores que se encuentra allí son 2, tienen la función de sellar la bolsa

verticalmente, funcionan con un pulso antes del actuador horizontal.

Cuello: El cuello debido a su geometría es quien hace que la bolsa tome forma

cilíndrica, la bolsa sale del rollo de bolsa, pasa por los brazos tensores y luego

se desplaza al cuello, es en este momento en el que toma forma cilíndrica, para

luego ser sellada.

Tiempos La secuencia de la máquina empacadora esta definida por un proceso, primero

las mordazas halan la bolsa, luego el sensor óptico determina donde debe

parar; esa orden es entregada al embrague para que separa el movimiento de

las mordazas del movimiento del motor y detenga las mordazas,

simultáneamente el freno mecánico hace contacto con el propósito de detener

la rollo de bolsa, luego el accionador vertical, sella la bolsa a lo largo de ella,

después el accionador horizontal sella la bolsa en la parte inferior, una vez

sellada la bolsa, el disco de los pocillos gira para depositar la porción de un

pocillo en la bolsa sellada, posteriormente el embrague hace de nuevo contacto

con el motor para poner en marcha las mordazas y de esta forma desplazar la

bolsa, en ese momento la bolsa es tensionada y esto obliga a los brazos

tensores a girar un determinado ángulo y de esta forma retirar el freno. La

bolsa se desplaza hasta que el sensor óptico la detiene, cuando se detiene de

nuevo el sistema, el accionador horizontal sella la bolsa por la parte superior y

simultáneamente la separa de la bolsa que esta arriba de ella.

69

Esquema de la máquina modernizada

FIGURA 30: Máquina empacadora modernizada.


Dentro de los aspectos a modernizar en esta máquina se encuentran el

motorreductor, la báscula, el soporte de la báscula, el accionador y desde luego

el sistema de control, como también el sistema de centrado del rollo de bolsa

del cual se hablará más adelante.

70

El motoreductor Es quien produce el movimiento para que la bandeja de pocillos se desplace

hacia arriba o abajo y halla variación de peso, este motorreductor remplaza la

manivela que la máquina tiene desde su fabricación, permitiendo que el

desplazamiento se a preciso y eficiente.

La báscula La báscula es el sensor de peso, que tiene como característica una respuesta

rápida y también confiable, permite determinar el peso de cada bolsa de arroz

empacada.

FIGURA 31: Máquina empacadora modernizada vista lateral


71

El accionador de empuje, Es un actuador accionado por aire, tiene como función empujar la bolsa de

arroz que cae en la báscula hacia la banda transportadora, esto en un tiempo

menor a 1 segundo

Soporte de la báscula Esta plataforma esta diseñada para soportar la báscula, y el accionador de

empuje, se encuentra empotrada en el piso de forma independiente de la

estructura de la máquina.

Sistema de control En esta caja de control se encuentra toda la parte electrónica del sistema de

control, los circuitos, la pantalla LCD y los microcontroladores.

Para instalar la báscula, el soporte de la misma y el accionador, se requiere

que el soporte que se diseña tenga una superficie adecuada al area de la

báscula, que adicionalmente tenga un soporte extremo para sujetar el

accionador y una buena base para que sea estable y no se caiga con la

vibración que produce la máquina y la acción del actuador.

4.1. Descripción Global Del Problema

4.2 Sistema de centrado actual

El sistema actual de centrado del rodillo es realizado por un operario. El cual

esta observando que la bolsa no se descentré en el momento de sellado, para

luego mover una tuerca en donde descansa el eje del rollo de bolsa como se

observo en la Figura 25 y de esta manera corrigiendo el error hacia la izquierda

ó derecha y asumiendo un numero de vueltas para que se pueda centrar este

72

sistema. La operación del sistema es tedioso debido que el operario debe estar

constantemente en la máquina.

4.2.1 Diseño Mecánico Del Sistema De Centrado Del Rollo De Bolsa. Proceso de centrado de bolsa

Se seleccionó un mecanismo de tren de engranes con el propósito de disminuir

la velocidad de salida, aumentar el torque del motor y poder controlar más fácil

el sistema de centrado del rodillo de bolsa de la máquina. Será controlado por

un microcontrolador, por medio de sensores de presencia que nos indican

cuando la bolsa se encuentra descentrada de esta manera generando unos

pulsos de entrada al microcontrolador para con ello decidir en qué sentido debe

girar del el motor girar con el objetivo de centrar la bolsa.

FIGURA 32. Vista lateral del engrane de piñones.

Fuente: Elaborada por los autores.

73

DATOS OBTENIDOS DE LA MÁQUINA

Peso total del eje con el rodillo de bolsa nuevo. 60 Kg.

Velocidad requerida en el eje del rodillo para el centrado 30 RPM

Figura 33: Sistema de centrado del rollo de bolsa.

Fuente: Foto tomada por el autor.

NOTA: Se puede observar en la foto en el círculo rojo, la máquina y el mecanismo actual que

se utiliza para centrar el rodillo, el mecanismo es un tornillo y una tuerca con guía donde se

acopla al eje.

74

DATOS DE DISEÑO Y OBTENIDOS POR EXPERIMENTOS EN LA MÁQUINA. Se realizaron los siguientes ensayos en la planta de empaquetado de

Inproarroz Ltda, para obtener los datos de diseño y proceder a realizar el

diseño más eficiente para este proceso de centrado.

Por medio de un cronometro y un metro se tomaron 10 muestras en un

transcurso de tiempo “t”. Figura 34: Sistema de centrado del rollo de bolsa.

Fuente: Foto tomada por el autor.

TABLA DEL EXPERIMENTO REALIZADO EN LA PLANTA EMPAQUETADO

En la siguiente tabla se encuentran los datos obtenidos en el experimento

realizado con el propósito de determinar el tiempo promedio que tarda la bolsa

en desplazarse del punto 1 hasta el punto 2, la distancia entre estos dos puntos

es 2m.

75

Tabla 4: Registro de tiempos del experimento

DESPLAZAMIENTO TIEMPO 1 2m 1,440s 2 2m 1,461s 3 2m 1,370s 4 2m 1,480s 5 2m 1,411s 6 2m 1,22s 7 2m 1,41s 8 2m 1,45s 9 2m 1,453s

10 2m 1,450s Promedio 1,415s


El tiempo promedio del experimento realizado es de 0.1415 segundos, este es

el tiempo correspondiente a un desplazamiento de 2m, distancia que hay entre

el rollo de bolsa hasta el sistema de sellado.

Este tiempo es el necesario para corregir la desviación que

El radio de la bolsa sin empezar de arroz sin empezar es de 0.45m

st 1415.0=

tx

V =

smV

1415.02.0=

smV 413.1=

Esta velocidad se iguala a la velocidad tangencial del rodillo

rVT *ω=

mr 45.0=

msm

45.0/413.1

=ω

srad /14.3=ω

Esta es la velocidad angular del rodillo la cual expresada en rpm es:

rpms

rad30

*260

*14.3 ==π

ω

• Reducción de velocidad del engrane 1 y el engrane 2 igual a 2

76

• Velocidad del engrane 1 = 30 rpm

• Se tomó ACERO AISI 1010

• Factor de seguridad K= 2 para diseño de engranes.

Se eligió un acero AISI 1010 por sus características de resistencia, ya que la

carga que se le aplica a los engranes es pequeña. En el anexo D se puede ver

una tabla comparativa de dos aceros y teniendo en cuenta otra variable para la

empresa costo de materiales.

El factor de seguridad para el diseño mecánico del sistema de peso se escogió

bajo los siguientes aspectos:

1. Calidad de los materiales

2. Mano de obra, mantenimiento é inspección

3. Control sobre la carga aplicada a la parte

4. Exactitud del análisis de esfuerzo

5. Peligro para el personal

6. Impacto económico

En el anexo I se observa una tabla con las características anteriores el cual se

considera la más adecuada para seleccionar el factor de seguridad de nuestro

diseño mecánico.

Por medio de estos datos se procede a diseñar un tren de engranes rectos

⇒ Pasamos los 60 Kg a newton y libras.

60 Kg = 588.42 N = 132.288 Lbf = fuerza1-2 ⇒ Sy= 26 Kpsi = 1.79Mpa

⇒ Y= 0.261 para 13 dientes

4.2.2 Diseño de engranes rectos.

77

Con las siguientes formulas hallamos los cuadros siguientes. “Para el piñón”

mpY

PWtvKF

VvK

smftrpmdRPMV

MpakpsiKSy

mppzd

019.0lg74906.0261.0·13

18·288.132·06736.1)·(··'

067362.150

344.115050

50

/058.0min/3444.1112

7222.0·60·12

··

9013226

33.018.0lg7222.01813

====

=+=+=′

====

====

====

σ

ππ

σ

PF

Pππ 53 ≤≤ Condición para diseñar engranes rectos

TABLA 5. DATOS DEL PIÑON 1

Fuente: Elaborado por los autores.

Paso d (plg) σ kpsi Vel. Ft/min

K’v Wt (lb) F (plg)

18 0.7222 13 11.3446 1.067363 132.288 0.74906

18 0.018m 90Mpa 0.058m/s 588.45N 0.011m

Para la primera relación de engranes la tabla es la siguiente

TABLA 6. DATOS DEL PIÑON 1 Y RUEDA 2

DIENTES

RECTOS

d Diámetro

Primitivo F Ancho de

cara

# DIENTES Paso

PIÑON 0.7222 0.74906 13 18 0.0183m 0.0191m

RUEDA 1.4444 0.74906 26 18 0.0366m 0.0191m


78

Se halla el torque en el engrane de la carga a controlar, teniendo la fuerza en

la carga y con los radios de los engranes diseñados obtenemos las fuerzas

que actúan en los engranes.

d =diámetro primitivo de la rueda.

( )WHPRPMlbrpmTaHPc

NmplblbfdaFcTengrane

9.3304548.063025

30·555.9563025

·arg

79.10lg555.95)2

4444.1·(288.1322·arg1

====

=−===

Hallamos el torque en el engrane 2

( )WHP

RPMrpmTaHPc

NmplblbfdaFcTengrane

9.3304548.063025

60·76919.4763025

·arg

397.5lg76919.472

72222.0·.288.1322·arg2

====

=−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==

WPCARGA 167.34=

DISEÑO DE LA SEGUNDA RELACIÓN DE ENGRANES

Datos de diseño para realizar la segunda relación de engranes

Reducción de 3 veces

Z4=13 Z3=39

Se procede a realizar los mismos cálculos hechos anteriormente para obtener

la TABLA DE RESULTADOS DE LA SEGUNDA RELACIÓN.

79

mpY

PWtvKF

VvK

smftrpmdRPM

V

MpakpsiKSy

mppz

d

0199.0lg78362.0261.0·13

18·288.132·116675.1)·(··'

116675.150

344.115050

50

/17289.0min/03287.3412

7222.0·180·12

··

9013226

0183.0lg7222.01813

====

=+

=+

=′

====

====

====

σ

ππ

σ

PF

Pππ 53 ≤≤ Condición para diseñar engranes rectos

TABLA 7. DATOS DEL PIÑON 2.

Fuente: Elaborada por los autores

Paso d (plg) σ kpsi Vel. Ft/min

K’v Wt (lb) F (plg)

18 0.7222 13 34.0338 1.11667 132.288 0.7836

18 0.01834m 90MPa 0.1728m/s 0.1728N 0.0199m

Para la segunda relación de engranes la tabla es la siguiente:

TABLA 8. DATOS DEL PIÑON 2 Y RUEDA 2.

DIENTES

RECTOS

d Diámetro

Primitivo F Ancho de cara # DIENTES Paso

PIÑON 0.7222plg 0.7836plg 13 18 0.01834m 0.0199m

RUEDA 2.1666plg 0.7836plg 39 18 0.055m 0.0199m

Fuente: Elaborada por los autores.

80

Se halla el torque en el segundo eje

NOTA7: El engrane 2 y 3 es sólo un engrane intermedio no trasmite ninguna

carga ó potencia (par de torsión) a su eje y por lo consiguiente se toma como

carga la transmitida por el engrane 1 donde la potencia transmitida es 0.04548

HP

NmplbTRPMRPM

HPT

398.5lg7775.47260

04548.0·63025·630252

=−=

==

4.2.3 Fuerza y Potencia Requerida Para El Motor

Ahora con el torque y el diámetro del engrane encontramos la fuerza

y potencia para el motor.

( ) Nlbfp

plbdTF 15.19609656.44

lg08333.1lg777.47

232

43 ==−==−

Escogemos el motor para este sistema

NmNmTmotor

HPTmotor

8.17988.1180

04545.0·3.7124

≅=

=

NOTA: 180 RPM aprox. Es la velocidad que requiere el motor a escoger.

Se determina el torque requerido para el motor a elegir.

NmplbTpiñon

hpRPM

HPTpiñon

8.1lg9243.15180

04548.0·63025·63025

=−=

==

7 Diseño en ingeniería mecánica, Joseph E. Shigley, Ejemplo 13-5, Pág. 871.

81

NmTpiñon

HPRPM

HPTpiñon

80.1180

04548.0·3.7124·3.7124

=

==

Como se observa en la siguiente figura, la dirección del movimiento que se le

aplica al eje, el cual esta sujetó al rollo de bolsa, el movimiento que le aplica el

motor al eje es solamente axial ya que su objetivo es centrar este rollo en

sentido izquierda ó derecha. La máquina de fabrica trae otro motor que se

encarga de halar la bolsa.

Figura 35: Movimiento Axial del eje junto con el rollo de bolsa.


POTENCIA REQUERIDA PARA MOVER EL EJE. Teniendo en cuenta que en la máquina empacadora de arroz, el eje del rollo de

bolsa descansa sobre rodamientos. Los rodamientos son de sentido rotacional

por lo cual al aplicarle una fuerza al eje en sentido axial ya sea a la izquierda ó

a la derecha existe un rozamiento entre el eje y el rodamiento y hay contacto

entre Acero sobre Acero (seco).

NOTA: valores típicos de coeficiente de rozamiento8

TABLA 9: Valores típicos del coeficiente de rozamiento

SUPERFICIE EN CONTACTO ESTATICO Cµ CINETICO Cµ

ACERO SOBRE ACERO seco 0.6 0.4

ACERO SOBRE ACERO engrasado 0.1 0.05


8 DINAMICA, J.L. Meriam, Pág. 613.

82

Tomando la velocidad angular del rodillo, puesto que es variable. Se

puede determinar la potencia que se necesita para desplazarlo

horizontalmente y el desplazamiento total para corregir el error es de

0.009m después de haber hecho iteraciones en la máquina para corregir

el error manualmente y de consultarle a los operarios encargados de

estas máquinas.

srad

rpm 1415.3602

30 =∗=π

ω

El paso del tornillo de rosca cuadrada que trae la máquina se determino

mediante una galga.

mp 310*3 −=

ptx **ω=

pxt*ω

=

ms

radm

t3

3

10*3*1415.3

10*9−

−

=

st 954.0=

La aceleración del sistema es:

2* 2tax =

2

3

95.010*9*2 −

=a

2310*77.19

sma −=

La velocidad en sentido horizontal del eje a controlar es:

xaV **2=

mV 0189.0=

La ecuación que describe el movimiento teniendo en cuenta el coeficiente de

fricción es:

amFrF *=−

83

El coeficiente 4.0=Sµ

310*77.19*6060*4.0 −=−F

NF 1862.25=

La potencia9

VFP *=

La potencia necesaria para que el rodillo se desplace horizontal mente es:

smNPDESP 0189.0*1862.25=

WPDESP 476.0=

FSPPPmotor DESPCARGA *85.0

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ +=

2.1=FS

2.1*85.0

476.0167.34⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=WW

Pmotor

WPmotor 9.48=

4.2.4 ASPECTOS PARA ELEGIR EL MOTOR

• Costos

• Facilidad de ensamble en la máquina

• Torque mínimo aprox. 2 Nm

• Velocidad mecánica aprox. 180 RPM

• Facilidad de diseñar circuito de control de giro. TABLA 10. CARACTERISTICAS AL COMPRAR EL MOTOR

TORQUE VELOCIDAD (RPM) POTENCIA

1.80 NM / 15.92 Lb-plg 180 48 watt Fuente: Elaborado por los autores.

En el anexo M, se encuentra el motorreductor seleccionado con los parámetros

de la tabla 10.

9 Física, Serway, Pág. 189, Cuarta ediccion.

84

TABLA 11. DATOS PARA COTIZAR LA RELACION DE ENGRANES DEL SISTEMA

MECANICO DE CENTRADO.

DIENTES RECTOS

PASO F ANCHO DE CARA

# DE DIENTES

1 Piñón 18 0.7836in/20mm 13

1 Piñón 18 0.7490/19mm 13

1 Piñón 18 0.7836in/20mm 39

1 Piñón 18 0.7490/19mm 26 Fuente: Elaborado por los autores.

IMAGEN EN CONJUNTO CON LOS ENGRANES DISEÑADOS Y MOTOR DC DEL SISTEMA DE CONTROL DE CENTRADO

Figura 36: Sistema de relación de engranes de dientes rectos.

4

. Fuente: Elaborado por los autores.

.2.5 CÁLCULOS POR FATIGA

Se = Limite de fatiga = Ka·Kb·Kc·Kd·Ke·Sé

Los engranes serán realizados en máquinado ó laminado en frió la cual se

toman los siguientes datos.

a = 2.67; b = -0.265

85

Se realizara los cálculos para encontrar el material para construir los

engranes que satisfaga el factor de seguridad y la potencia que puede

llegar a transmitir, los cálculos son los siguientes;

ACERO AISI 1080 HR 112kpsi resistencia a la tensión

( ) ( )

0603.02765.0

016666.0;01666.0

183.03.0

03571.0112

44;6

·1

·2

1

1;1;1

000.13.0

2765.03.0

10*023.7lg2765.0

1564.0·7490.0·808.0··808.0

10*97.3lg1564.0125.0·04893.0·4··4

10*24.1lg04893.018·2261.0·3

·2·3261.0

10*18.3lg125.01825.125.1

1811

76466.0112·67.2·

107.0107.0

3

2/12/1

3

3

3

265.0

=====

====

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+=

===

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

==

==

====

====

====+=

==

==

===

−−

−

−

−

−

−

dr

prf

Suta

dD

aKt

Ktr

KtKf

KfKeKdKc

dKb

mpd

tFd

mpxlt

mppy

x

ylmphfhah

phf

pha

SutaKa

equi

equi

b

Con el valor anterior de r/d encontramos Kt interpolamos

Kt = 2.0389

86

09.213246.27246.27

672.56·62875.0·1·1·1·76466.0672.56112·506.0

62875.05904.111

5904.1

035714.0·0389.2

10389.2·01666.0

21

0389.2

·1·21

==

==

==′

===

=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+

=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+

=

kpsikpsiKpsiSe

kpsiSeKpsiKpsieS

KfKe

Kf

aKt

Ktr

KtKf

η

4.2.6 FUERZAS EJERCIDAS EN LOS ENGRANES

Sabiendo que;

Torque = fuerza · distancia

NlbNF

Nlbmx

mNF

mNhp

Tmotor

r

t

722.35031.8º20·tan146.98

146.98065.22101719.9·8.1

·8.1180

04548.0·3.7124

34

334

===

===

==

−

Para la segunda relación de engranes las fuerzas son:

NlbF

Nlbx

F

mNrpm

Teje

r

t

3.214177.48º20·tan76.588

76.588364.132101719.9

40.5

·40.560

04548.0·3.7124

12

312

===

===

==

−

87

4.2.7 REACCIONES EN EL EJE 1 DE LOS PUNTOS DE APOYO

• Momento en Y Figura 37: Momentos en y del eje1


∑ = 0MA

∑ ===

=−+−

0FA033.41775.93F

008.0·F06.0·76.58802.0·146.98

B

B

NLb

MNMNZ

NLbF

NNNFZ

A

A

581.73542.16

0033.41776.588146.98

==

=−+−

4.2.8 CÁLCULOS DE LA FUERZA AXIAL QUE EJERCE LA CARGA

Con los datos obtenidos del catalogo SKF de rodamientos tenemos la

fuerza de fricción.10

20.0max08.0min

==

µµ

Sabemos que la potencia a transmitir es muy pequeña tomamos el valor

mínimo y la velocidad a controlar es de 30 RPM.

10 Catalogo de SKF de rodamientos.

A B

C588.76N

FBZ

FAZ D

98.146N

88

smrpmv /1415.360

2·30 == π

NFasmkgamFa

smamasm

axvvf o

76.39408.0·/24.82·60··

/24.8206.0··2/1415.3

2

2

2

2

2

===

==

+=

µ

• Momento con respecto eje Z

Figura 38: Momentos en z del eje1

Fuente: Ela

A

C

35.722 N

FAy

∑

NF

FmNmNY

B 042.72

06.0·3.21402.0·722.35

=

−−

∑

NF

NmXy

A 535.106

0·3.214101719.9·76.394 3

=

+−

8

214.3 N

bo or los autore

D

rado p

= 0MA

mYB

.39408.0· +

= 0MB

m 0.0·722.3502. −

9

394.76N

s.

B

FBy

XN 0101719.9·76 3 =−

mFm ZA 008.0·6 =+

DIAGRAMA DE FUERZAS EN EL EJE

4.2.9 CÁLCULOS DE RODAMIENTOS

Nuestro sistema mecánico trabaja en ambos sentidos a la izquierda y a la

omamos un l10h= 10000 porque la máquina trabaja 8 horas de servicio y

RODAMIENTOS DE BOLAS

Figura 39: Diagrama de fuerzas en el eje

Fuente: Elaborado por los au

73.581N

72.04

106.535

417.033N

394.76N

tores.

derecha se trata de centrar un rodillo de bolsa, por esta razón la fuerza

axial cambiara de dirección y el sistema requiere rodamientos en los dos

extremos del eje.

T

no totalmente utilizada ya que el mecanismo no esta constantemente

trabajando, depende de un sistema de control que lo dirige.

634.45576.3945.0

269.91163.455·2·63.4555.0·6.0

920.2/76.394

424.430535.106033.417 22 =+=l

≤⇒≤

====+=

==

cumpleCoFaNNPoSoCo

NFaFrPopc

NFaxialNFradia

90

NNPpcCNP

NNPYX

YXTABLAFrFa

eCoFa

78.197127.675·92.2·/27.675

1.1·76.394424.430·56.01.1;56.0

917.0/4212.0

4331.0/

====

+===−−

==

=

Tenemos que comprar dos rodamientos de referencia 608 Tiene una

capacidad de carga de 3250 N. satisface el sistema.

4.2.10 DISEÑO DEL EJE PRIMARIO

4.2.11 ANÁLISIS DE PAR DE TORSION Y LOS PARES TRANSMITIDOS POR LAS SECCIONES TRANSVERSALES.

∑ =+= 080.1 NTM AC

NTAC 80.1−=

91

∑ =−+= 040.580.1 NNTM CD

NTCD 6.3=

Figura 40: GRAFICA DE PAR DE TORSIÓN vs. SECCIONES TRANSVERSALES.

DIAGRAMA DE PAR

-3-2-101234

A B C D

SECCIONES TRANSVERSALES

PAR

DE

TOR

SIÓ

N N

·M


.

FIGURA 41: Dirección de las fuerzas en el eje


Ahora analizaremos intervalo por intervalo para encontrar los momentos en el

plano (x - y)

A B

C588.76N

417.033N D73.58N

98.146N

92

mNMDMNMNMMcMD

NVDNNVVcVD

NmmNMMc

·4.504.0·726.171·4716.1

726.171146.9858.73

4716.102.0·58.73

=+−=∆+=

=+=∆+=

−==∆=

Figura 42: DIAGRAMA DE MOMENTOS (x-y)

0

1

2

3

4

5

6

A C DSECCIONES

N·M

B


FIGURA 43: Momentos en el plano (x-z)


72.042N

A

214.3N

106.535N C D

B

35.722N

93

mNMDMNMNMMcMD

NVDNNVVcVD

NmNMMc

·08.1304.0·318.36·4408.1

318.36722.3504.72

4408.102.0·04.72

=−=∆+=

−=+−=∆+===∆=

Figura 44. DIAGRAMA DE MOMENTOS (X-Z)

05

10152025303540

A C D BSECCIONES

N·M


mNM ·717.36318.364.5max 22 =+=

Usando (la teoría de la energía de distorsión) DET por sus siglas en ingles,

el diámetro seguro más pequeño es 3/1

22 4/332⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= TM

Synsd

π

Tenemos que el material con el que se va a construir el eje tiene una

resistencia a la fluencia Sy =340 Mpa AISI 1050 HR y tomamos el factor de

seguridad encontrado de la siguiente manera;

4.2.12 Factor de Seguridad11

Se tomo con base del libro de Elementos de Máquinas, Bernard. J.

Hamrock.

11 Elementos De Máquinas, Bernard. J. Homrock,

94

sysxs ηηη ·=

ns= Factor de seguridad que involucra características A, B, C

A= Calidad de los materiales, destreza mantenimiento e inspección

B=Control sobre la carga aplicada a la parte.

C=Exactitud del análisis del esfuerzo

nsy = Factor de seguridad que involucra las características D y E.

D = Peligro para el personal

E = Impacto económico.

A= bueno “mantenimiento”

B = r a p existe sobre carga al acabarse el rollo de bolsa

C = Mb debido a que esta altamente controlando el centrado.

D = No serio “debido que hay riesgo de personal”

E = serio debido a las demandas posibles.

Ver Anexo I la cual se escogió el factor de seguridad.

0.20.1·0.2 ==sη

Ahora que tenemos los diagramas de momentos flexionante, cortante

transversal, par de torsión procedemos a encontrar el diámetro seguro más

pequeño.

( )( ) ( ) ( )

mmd

d

3

3/122

6

10*140140.0

4/6.33717.36103402·32

−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

π

Encontraremos el diámetro por medio de la MSST “Teoría Del Esfuerzo

Cortante Máximo” siglas en ingles.

95

( )( )mmd

d

TMSynsd

3

3/122

6

3/122

10*130130.0

6.3717.3610340·

2·32

32

−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

π

π

4.2.13 Cálculos a la resistencia de la fatiga.

Fatiga de alto ciclaje de duración finita su vida útil se sitúa entre 103 y 107 la

resistencia a la fatiga en cualquier localización

07395.075.0'45.0'

''

log31

'log´log

−===

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

+=

s

e

ls

tsf

bSulSSueS

SS

b

CNbS

El material tiene una resistencia a la rotura de 550 Mpa=Su obtenemos la

intersección.

( ) ( )( )( ) 837.2

550·45.0550·75.0log

''

log222

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=

eSS

C T

Con 100000 siglos de vida

( ) ( ) 258.29310000010'10' 07395.0837.2 === −bST

Cf NS Mpa

Para poder tener 100000 ciclos se necesita disminuir el esfuerzo a 293.258

Mpa.

El diámetro para el eje es de 14 mm de espesor.

4.2.14 DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL DEL SISTEMA DE CENTRADO Como se puede ver en la siguiente figura, el diseño mecánico de la caja de

relación de engranes de nuestro sistema de centrado de rollo de bolsa, por

medio de un tornillo de rosca cuadrada el cual se encuentra sujetó a la relación

de engranes diseñada, aplicándole un movimiento rotacional al tonillo y

96

transmitiéndoselo a la tuerca la cual esta sujeta a una guía cilíndrica de esta

manera convirtiendo el movimiento rotacional en lineal y por ultimo trasmitirle al

eje del rollo de bolsa.

Figura 45: Diseño mecánico de la caja de relación de engranes.

MOTOR -REDUCTOR

EJE PRINCIPAL

EJE SECUNDARIO

RELACION DE ENGRANES

CARCAZA

TUERCA Y EJE A CONTROLAR

GUIA DE DESPLAZAMIENTO DE LA TUERCA


Torque en el eje principal. Fuerza radial y tangencial del engrane

NNF

Nm

NmF

dTF

Nmrpm

Teje

r

T

863.14220tan*513.392

513.392027515.0

80.102

8.1030

04548.0*3.7124

=°=

==

=

==

Fuerza radial y tangencial de la tuerca guía.

97

NNF

Nm

NmdTF

r

T

034.13120tan*360

360030.08.10

2=°=

===

ANÁLISIS DE FUERZAS EN LOS PUNTOS DE APOYO Momentos en Y.

Figura 46: Diagrama de fuerzas


360N FBZ

392.513NFAZ

BA

NFANNFA

FANFB

FBmmNmMA

193.507032.245360513.392

082.357

0*16.010.0*513.39205.0*360

==−++−

=Σ−=

=+−−0=Σ

ANÁLISIS DE LA FUERZA AXIAL Se analizaron las fuerzas axiales que actúan en este eje. Para este diseño

mecánico se encontraron las fuerzas axiales como se pudo apreciar en la figura

del diseño mecánico para poder desplazar el eje principal de izquierda a

derecha ó al contrario la cual es el objetivo es necesario mover todo el peso de

el, teniendo en cuenta que este dato fue encontrado por medio de una báscula

electrónica en la planta de Inproarroz Ltda. en donde se peso todo el eje con el

rollo de bolsa nuevo “peso máximo”. Y con una constante de fricción de 0.08

obtenida del catalogo SKF debido que se apoya entre acero sobre acero.

Peso del eje con el rollo de bolsa; 60 Kg.= 588.7Nw.

smrpmv /1415.360

2·30 == π

98

NFasmkgamFa

smamasm

axvvf o

76.39408.0·/24.82·60··

/24.8206.0··2/1415.3

2

2

2

2

2

===

==

+=

µ

• MOMENTOS CON RESPECTO A Z Figura 47: Diagrama de momentos con respecto a z


005.0*1310275,0*76.39416,0*10,0*863.1420

=−+−−=Σ

mNmNmFBmNMA

Y

NFBY 37.62−=

011.0*13116,0*06.0*863.1420275.0*76.3940

=+++=Σ

mmFAmNmNMB

Y

NFAY 485.211=

Fuerzas aplicadas en los apoyos del eje

Figura 48: Fuerzas resultantes en los apoyos.


394.76N

131N FBY142.863NFAY

99

ANALISIS DE PAR DE TORSION Y LOS PARES TRANSMITIDOS POR LAS

SECCIONES TRANSVERSALES.

∑ =+= 040.5 NTM AC

NTAC 40.5−=

∑ =−+= 040.558.10 NNTM CD

NTCD 18.5=

Figura 49: Grafica de par de torsión vs. Secciones transversales.

AB

CD

SECCIONES

-10

0

10


FIGURA 50. Diagrama de momentos


63.37 N360N

Ahora ana

plano (x -

A

lizaremos intervalo por intervalo para encontrar los m

y)

100

B

211.485N
392.513N
omentos en el

mNMDMNMNMMcMD

NVDNNVVcVD

MNmNMMc

·8.3206.0·58.370·58.10

58.37036058.10

·58.1005.0·458.211

=+=∆+=

=+=∆+=

==∆=

FIGURA 51. Diagrama de momentos (x-y)

A

C

D

BMOMENTOSECCIONES

Nm

0

10

20

30

40


FIGURA 52 Momentos en el plano (x-z)

507.19N 131N 357.82N

142.86N Fuente: Elaborado por los autores.

101

mNMDMNMNMMcMD

NVDNNVVcVD

MNNMMc

·7876.206.0·19.376·359.25

19.37613119.507

·3595.2505.0·19.507

=−=∆+=

−=+−=∆+=

==∆=

FIGURA 53. Diagrama de momentos (x-z)

AC

D

BMOMENTOSSECCIONES

Nm

0

10

20

30


De la misma manera que se hallo el eje anterior procedemos a calcularlo.

mNM ·46.4136.258.32max 22 =+=

3/122 4/332

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= TM

Synsd

π

Tenemos que el material con el que se va a construir el eje tiene una

resistencia a la fluencia Sy =340 Mpa AISI 1050 HR. Con un factor de

seguridad de 2 anteriormente sustentado.

102

Ahora que tenemos los diagramas de momentos flexionante, cortante

transversal, par de torsión procedemos a encontrar el diámetro seguro más

pequeño.

( )( ) ( ) ( )

mmd

Nmd

3

3/122

6

10*3.6306338.0

4/8.10346.41103402·32

−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

π

Encontraremos el diámetro por medio de la MSST “Teoría Del Esfuerzo

Cortante Máximo” siglas en ingles.12

( )( )mmd

d

TMSynsd

3

3/122

6

3/122

10*55.6306355.0

8.1046.4110340·

2·32

32

−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

π

π

El diámetro del eje debe ser 0.064m ó más.

4.3 DISEÑO DEL PROGRAMA PARA CENTRAR EL ROLLO DE BOLSA Para el siguiente diseño se escogieron dos sensores Capacitivos debido a sus

características técnicas que tiene y su alto nivel de detección de plástico. Se

encuentran ubicados en los extremos de la bolsa antes de ser sellada, con el

fin de controlar el centrado.

El programa esta diseñado bajo el sistema de microgrades, para

microcontroladores MOTOROLA.

CONFIGURA/NUCLEO/ESTRUCTURA: se configura los puertos a utilizar

PORT B, como entrada, PORT D, como salida, frecuencia de tarea a

1000hertz

12 Elementos de máquinas, Bernard J. Hamrock, Procedimento de diseño de un eje, Pág. 430.

103

CONFIGURA/INTERFAX/E/S DIGITALES. Nombramos los puertos de entrada

y salida.

APLICACIÓN Diseño del programa on-off para centrar el rodillo.

4.4 Sistema de peso actual. El sistema de peso actual de la máquina es volumétrico, el cual funciona por

medio de un tornillo sin fin y corona de esta manera encogiendo ó alargando el

volumen de los pocillos, el tornillo sin fin es ajustado por un operario por medio

de una báscula externa, se toma el peso deseado. Debido a las pequeñas

vibraciones de la máquina y al arroz partido se altera el pesaje del producto,

debido que no tiene sensores de peso que se encuentren tomando el peso

104

deseable y de esta manera generando pérdidas económicas para la empresa

en consumo de energía, plástico y arroz procesado.

4.4.1 DISEÑO DE CONTROL Y SELECCIÓN DEL MOTOR PARA EL

SISTEMA DE PESO.

Celda de carga. Para encontrar la respuesta de la celda de carga se compró una báscula

electrónica con una precisión de 1gr y con un máximo de carga de 5kg.

En esta báscula se encontró un circuito electrónico de montaje superficial en el

cual todos los elementos conducen a un microcontrolador y de allí a un display,

por esta razón no fue posible obtener una señal amplificada de la señal que de

salida de la celda de carga. Por este motivo fue necesario utilizar un

amplificador diferencial de instrumentación, para amplificar la señal proveniente

de la celda de carga, y así poder analizarla detalladamente con la ayuda de un

osciloscopio digital.

El montaje electrónico de la celda y el amplificador se muestra a continuación,

en donde el amplificador utilizado fue el AD620AN.

FIGURA 54. Esquema de amplificacion de la celda de carga


105

El propósito del experimento es el determinar el comportamiento dinámico de la

celda, y poder encontrar así la función de transferencia de este elemento., La

celda se excitó colocando un peso de 500g, el cual se dejaba caer sobre la

celda desde una altura de un centímetro de distancia, simulando así una

entrada del tipo escalón. En el osciloscopio digital se determino la respuesta

de la celda, cuya característica es subamortiguada.

Grafica de una señal subamortiguada

FIGURA 55. Respuesta de un sistema sudamortiguado


WpTP

π2=

21

2

12 ζ

πζ

−

−

== eSVSV

RA

21* ζ−= WnWp

106

De la celda de carga con la que se realizo el experimento se obtuvieron los

siguientes datos:

TP=0.116s

Sv1=0.873

Sv2=0.701

Por tanto se tiene lo siguiente

Wp=54.165

ζ=0.034902

Wn=54.198

Estos valores son remplazados en la ecuación genérica para una función de

transferencia subamortiguada

1**2)( 2

2)(

++=

WnS

WnS

KG s ζ

Como resultado tenemos

32

6

)( 10*937.2*8.310*937.2

++=

SSG S Función de transferencia de la celda de carga

Insertando esta ecuación en la herramienta simulink de Matlab y con una

entrada escalón unitario para simular el comportamiento de la celda de carga. FIGURA 56. Representacion en simulink


107

FIGURA 57. Respuesta de la celda de carga en simulink.


Como se puede apreciar en el grafico anterior la celda de carga tiene una

repuesta subamortiguada a una entrada escalón unitario. Esta grafica muestra

que la celda de carga tiende a estabilizarse en un tiempo mayor a 1.8

segundos, es evidente que para que la báscula industrial tenga una respuesta

rápida debe tener un circuito o programa de compensación o de control y es

por esta razón que se asume un tiempo de estabilización cercano a 650

milisegundos, con el objeto de permitirle a la báscula que se estabilice y luego

tomar el dato que esta entregando.

La planta La planta esta constituida por dos bandejas una fija y la otra móvil,

adicionalmente un tornillo sin fin y cuatro piñones.

108

FIGURA 58. Representacion de la planta


FIGURA 59. Moviemientos en sentido vertical del sistema de peso.

109


Selección del motorreductor del sistema de peso

Parámetro de la planta

Peso y dimensiones del sistema

Piñón 1

Tornillo sin fin

Numeró de hilos =1

Material acero

Densidad acero = 37870mkg

Diámetro = m310*62.19 −

Longitud = 0.065m

kgm 15.01 =

2

211

1

RmJ =

261 .10*217.7 mkgJ −=

Piñón 2

Numero de dientes = 45

Diámetro = m310*5.131 −

Altura = 0.04 m kgm 275.4=

2

222

2

RmJ =

232 .10*24.9 mkgJ −=

Tornillo

Numero de hilos 1

Paso = m310*4 −

110

Diámetro = m310*2.76 −

Longitud = 0.32 m kgm 484.11=

2

233

3

RmJ =

233 .10*33.8 mkgJ −=

El peso de todo el sistema es de 32kg, este peso fue obtenido en un

experimento en la empresa inproarroz, el desplazamiento vertical de los

discos es 32 milímetros para variar 50gr

Del experimento realizado en la empresa se determino la siguiente

constante:

Una vuelta de la manivela equivale a dos gramos, es decir se necesitan

25 vueltas para llegar a los 50gramos.

Proceso de selección del motor

El tiempo mínimo necesario para que el sistema sea controlable se

estima en 0.1 segundos.

ptx **3ω=

ptx*3 =ω

msm3

3

3 10*4*510*32

−

−

=ω

srad /6.13 =ω

2*

*2ta

tvx +=

2* 2ta

x =

2*2t

xa =

23

2

3

10*56.2)5(10*32*2

sm

sm

a −−

==

111

tavv of *+=

tav f *=

ssmvf 5*/10*56.2 23−=

smv f /0128.0=

vFP *=

smsm

kgP /0128.0*81.9*32 2=

WP 018.4=

Calculo de la potencia necesaria para vencer la inercia del sistema

t*αω =

t3

3

ωα =

23 32.05

/6.1s

rads

srad==α

Dado que el tornillo y el piñón dos comparten el mismo eje, significa que

23 αα =

2

1

1

2

zz

=ωω

145

*6.11 =ω

srad /721 =ω

t1

1

ωα =

21 4.145

/72s

rads

srad==α

111 *αJT =

226

1 4.14*.10*217.7s

radmkgT −=

NmT 61 10*104 −=

112

222 *αJT =

223

2 32.0*.10*24.9s

radmkgT −=

NmT 32 10*956.2 −=

333 *αJT =

223

3 32.0*.10*33.8s

radmkgT −=

NmT 31 10*66.2 −=

SUMATORIA DE TORQUES

NmTINC310*72.5 −=

Potencia para vencer la inercia

TP *ω=

Nms

radP 310*72.5*72 −=

WP 411.0=

Selección del motor

Se utilizara un motorreductor DC, debido a su facilidad de inversión de

giro, baja velocidad y torque considerable.

nFSPP

P INERCMECMOTOR

*)( +=

85.02.1*)( INERCMEC

MOTOR

PPP

+=

WPMOTOR 252.6=

Datos para seleccionar el motorreductor:

113

WP 252.6=

srad

72=ω O rpmn 55.687=

NmT 078.0=

Voltaje = 12V o 24 V

Corriente A3≤

Se selecciona el motorreductor PD3046 el cual tiene una potencia de

salida de 7W.

Características del motor:

Rpm=5950

Torque = Nm310*1.1 −

Una corriente no superior a 0.9 amperios.

Un voltaje de 12 voltios

Se selecciona un reductor de 71:1

Amplificando el torque del motor en 0.0781Nm

Reduciendo la velocidad de salida en 83.8 rpm

Las demás características se encuentran el anexo N.

Dado que la velocidad angular del motor seleccionado es inferior a la

velocidad calculada, entonces el tiempo de ascenso del sistema para

llegar a los 32 milímetros se aumenta. Esto permite que el sistema sea

más fácil de controlar.

Tiempo de ascenso:

60*2

*8.831

πω =

srad /77.81 =ω

12

12 *ωω

zz

=

srad /77.8*451

2 =ω

114

srad /195.02 =ω

32 ωω =

ptx **3ω=

px

t*3ω=

ms

radm

t3

3

10*4*195.0

10*32−

−

=

st 02.41=

Tiempo necesario para desplazamiento de 32 milímetros.

El tiempo para variar 1 gramo es:

5002.41 s

t =

st 82.0=

Este tiempo es el que tiene que durar el ancho de pulso del

microcontrolador para controlar 1gramo.

Sistema de control on-off

El sistema de control on-off se basa en la acción de activar y desactivar

una señal, de acuerdo a la información recibida por un sensor y

comparada en un controlador, en el desarrollo de este proyecto los

elementos del sistema de control on-off son:

• La Planta

• El controlador - microcontrolador

• Sensor de peso – báscula

• Accionador – motor

Estos componentes conforman el sistema de control operando bajo las

órdenes del microcontrolador en el cual hay un algoritmo de

comparación.

115

Para controlar el peso de cada bolsa empacada se realiza un controlador

on-off, mediante la implementación algoritmo de control.

FIGURA 60: Algoritmo de control on-off

Fuente: Elaborado por los autores con el programa Visio

4.4.2 DISEÑO DEL PROGRAMA DEL SISTEMA DE PESO

Debido a los avances tecnológicos elegimos utilizar un TECLADO MATRICIAL

de membrana por sus características físicas, su fácil manejo para los operarios,

novedad tecnológica y tamaño.

116

FIGURA 61: Teclado de membrana utilizado.

Fuente: www.bopla.com

Para este sistema es necesario un microcontrolador MOTOROLA GP32, una

pantalla de cristal liquida “LCD”, un teclado matricial y el programador de

microgrades.

LA PANTALLA LCD utilizada en el proyecto es la siguiente debido a el

tamaño, costo, numero de caracteres se eligió una pantalla lcd de 80

caracteres el cual realiza la función que se necesita en el proyecto y es el

interfaz Hombre máquina mientras que las pantallas de TOUCH SCREEN son

muy costosas, y delicadas para este sector industrial.

En la siguiente foto se puede observar la tarjeta de control conectada a la

pantalla lcd elegida.

117

FIGURA 62: Tipo de LCD utilizada en el proyecto

Fuente. www. Crystalfontz.com

FIGURA 63: Foto de la tarjeta de control con el microcontrolador y LCD.

Fuente: Tomada por los autores

118

FIGURA 64: Tablero de control

Fuente: Tomada por los autores.

FIGURA 65: Báscula seleccionada.


119

FIGURA 66: Báscula elegida con puerto de salida serial.


La báscula seleccionada se puede apreciar en la Figura, fue elegida

teniendo las siguientes características:

Bajo costo

Respuesta de peso rápido.

Puerto de comunicación RS-232

Diseño industrial y para sector de alimentos. “bandeja en acero

inoxidable”

Rango de capacidad (0gr a 5000gr)

120

Sensibilidad de la celda 1gr.

PROGRAMACION EN MICROGRADES. CONFIGURACION / NUCLE / ESTRUCTURAS. Configuración de los

recursos del microcontrolador, las cuales son: entradas, salidas,

frecuencia de la tarea rápida, normal y lenta, nombre de estados,

nombre de programas, visualizaciones, teclados matriciales,

temporizados.

Debido que la báscula elegida tiene una velocidad de transmisión de datos

9600 BAUDIOS. Se debe configurar la frecuencia de tarea 2000 hertz según la

formula de microgrades.

<5

Baudios Frecuencia del canal rápido.

hertzhertz 200019205

9600 <=

CONFIGURACION/INTERFAZ/E/S Digital. En esta ventana se

configura los tipos de entradas y salidas a utilizar según la planta de

diseño.

121

CONFIGURACION/INTERFAZ/TECLADO: Se configura la clase de

teclado a utilizar. Teclado de membrana matricial.

CONFIGURACION/INTERFAZ/serial_SCI configuramos el puerto serial.

122

CONFIGURACION/INERFAZ/Display. Configuramos la LCD elegida

para el proyecto.

CONFIGURACION/TABLAS/Formatos. Se escribe los formatos a

visualizar en la LCD.

123

• SE CONFIGURA LA APLICACIÓN. Quedando de la siguiente

manera para nuestro sistema de peso.

124

4.4.3 ETAPA DE POTENCIA E INVERSOR DE GIRO PARA SISTEMA DE CONTROL DE PESO Y DE CENTRADO DE BOLSA.

Circuito electrónico del sistema

Debido a que la potencia del sistema no es significativamente grande,

con una corriente de 1 amperio y un voltaje de 12V, se selecciona un

circuito integrado que funcione como inversor de giro (punte H) para este

caso el L6203 el cual soporta una corriente máxima de 5 amperios. El

esquema electrónico y las características del circuito integrado se

encuentran en los anexos. Figura 67: Módulo inversor de giro.

Fuente: www.superrobotica.com/S310110.htm

Funcionamiento:

Este circuito integrado permite controlar un motor DC con una corriente maxima

de 4 amperios, se utiliza como inversor de giro.

4.5 Sistema de velocidad de la máquina actual El sistema actual de velocidad de toda la máquina es muy anticuado y costoso.

Consta de un motor de 48 voltios y un árbol de levas ajustable, para calibrar su

temporizado, el cual accionan por rozamiento varios fines de carrera para darle

la orden a todo el funcionamiento de la máquina, ocasionando desgaste y

desajuste en las levas, de esta manera alterando todos los accionamientos

125

neumáticos y sistema de sellado ocasionando errores en el producto

empacado.

4.5.1 Programa para aumentar la velocidad de la máquina empacadora a 60 bolsas por minuto. Se opto por utilizar un microcontrolador ONFIGUR GP32, sólo para este

sistema de velocidad debido que no vamos a visualizar en la pantalla

mensajes.

Se reemplazo un sistema mecánico de temporización de árbol de levas, por un

sistema electrónico por medio de secuencias. Es importante decir que el ahorro

de energía es alto debido que el sistema anterior suministraba alta potencia al

motor para poder girar el eje de levas.

En la figura xx se puede apreciar la máquina real, creada en Solid Edge, con el

fin de crear una idea más estable, en el circulo rojo vemos el sensor óptico que

utilizamos para contar la velocidad de la máquina. Por medio de una franja

negra que trae todas las bolsas a empacar podemos detectar el tiempo que

transcurre en llegar una bolsa con respecto a la otra.

126

FIGURA 68: Máquina empacadora de arroz con el sensor óptico y sin el sistema de sellado.


.

DISEÑO DE PROGRAMACIÓN PARA EL SISTEMA DE VELOCIDAD EN LAS MÁQUINAS EMPACADORAS DE ARROZ EN INPROARROZ

127

Utilizando como programación microgrades.

• Al abrir MICROGRADE nos aparece una pantalla que nos indica

que microcontrolador utilizaríamos que es la siguiente figura y

escogemos el microcontrolador MGP32SYS.

• En CONFIGURACIÓN / CONFIG / ESTRUCTURAS configuramos

lo siguiente.

128

• CONFIGURACIÓN / DATOS /VARIABLES. Creamos 6 variables

que serán los siguientes.

• SE CONFIGURA LA ONFIGURAC. Quedando de la siguiente

manera.

PROGRAMA PARA VISUALIZAR LA VELOCIDAD DE LA MÁQUINA

EMPACADORA DE ARROZ. SISTEMA CONTADOR DE VELOCIDAD DE BOLSAS POR MINUTO

129

Figura 69: Comparación de la señal de entrada con el contador.

Fuente: El autor con ayuda de Electronic workbench

Este sistema tiene como principio, el conteo por cada pulso generado por un

sensor, el sensor activa el contador y mientras la señal se mantiene, un

contador independiente, empieza su ciclo con ayuda de un generador de

pulsos, este generador tiene un periodo determinado previamente.

La línea azul tiene un periodo de 1ms, y la línea roja es la entrada del sensor a

la cual se le realiza el conteo. Una vez terminado el pulso del sensor, el

programa multiplica el periodo de muestreo por la cantidad de pulsos, y de esta

forma determina el ancho de cada pulso.

Si el proceso esta generando anchos de pulso muy anchos, significa que el su

velocidad es lenta, por el contrario si el sistema genera pulsos cortos significa

que la velocidad de la máquina es mayor.

De esta forma, el microcontrolador cuenta la velocidad de las bolsas que son

empacadas por cada minuto y mantiene controlando esa variable

• En CONFIGURACIÓN / CONFIG / ESTRUCTURAS configuramos

lo siguiente.

130

• CONFIGURA / INTERFAX / E/S DIGITAL . Nombramos el puerto

de entrada.

• CONFIGURA/INTERFAX/DISPLAY. Configuramos según los

datos de la LCD.

131

• CONFIGURA/TABLAS / FORMATOS. Escribimos el mensaje que

queremos visualizar.

• CONFIGURACIÓN / DATOS / Variables. Nombramos dos

variables.

132

• APLICACIÓN: Diseño del programa de velocidad de la máquina

con visualizacion.

4.6 Sistema contador de bolsas actual. Este sistema actualmente es análogo, y no es muy visible. En la mayoría de las

máquinas se encuentran dañados. Es necesario diseñar un sistema contador

para llevar una estadística de producción diaria de cada máquina y de esta

manera saber cuantas libras fueron despachadas en el día.

133

4.6.1 DISEÑO DEL PROGRAMA PARA EL CONTADOR DE BOLSAS EMPACADAS

PROGRAMA EN MICROGRADE

En el siguiente programa se utiliza; una pantalla de cristal líquido de 4 x 20

para visualizar el conteo de bolsas empacadas, un sensor óptico que trae la

máquina y un microcontrolador motorota MC68HC908GP32.

MICROGRADES utiliza 10 de los 14 pines que posee la LCD. Esto se debe a

que el aplicativo envía 2 nibbles de datos (en dos instantes) del nibble alto de

datos (D4 a D7) en lugar de un bite completo (D0 a D7) en un instante

ahorrando así 4 pines.

CONFIGURACIÓN DE LA PANTALLA “LCD”

En CONFIGURACIÓN/tda./ESTRUCTURA se activa el driver con uno (1).

Trabajado una frecuencia en la tarea a 4000 hertz que utilizaremos en los otros

programas, configuramos las entradas digitales debido que nuestro sensor nos

entrega una salida binaria.

Luego configuramos el tipo de LCD en nuestro caso es una LCD de 80

caracteres.

En CONFIGURACIÓN/INTERFAZ/DISPLAY. Escribimos el número de

caracteres de nuestra LCD a trabajar.

134

UTILIZAMOS UNA PLANTILLA FIJA CON VARIABLES

EN CONFIGURA/TABLAS/FORMATOS escribimos el mensaje BOLSAS EMPACADAS (####)(####) el paréntesis hace referencia a la variable ó un

bite que cambia en intervalos de tiempo y puede ser mostrado en una LCD por

medio de un visualizador.

VISUALIZADOR 0 VISUALIZADOR 1

MENSAJE QUE APARECERA EN LA PANTALLA

CONFIGURAMOS LAS ENTRADAS

En este caso la entrada será el pulso ó salida del sensor de la máquina. La

salida del sensor es un bit 1 ó 0, en presencia de la bolsa empacada es un 1 y

en ausencia un 0.

DISEÑAMOS EL CONTADOR DE 99.999.999

Se crea un contador bastante grande, debido que su aplicación es para una

máquina industrial, donde se trabaja demasiadas horas y su sistema de

empacado es muy velos, su velocidad promedio es de 1 segundo por bolsa

empacada.

135

Este programa se construyo, y se realizaron pruebas en la máquina

empacadora de arroz, en la planta de inproarroz tda.. Ubicada en el Km. 15

vía Puerto López-Villavicencio y funciono muy bien, como se puede observar

en la siguiente foto. Figura 70: Ejecución y correcto funcionamiento de los programas.

Fuente: Imagen tomada del autor.

4.7 SISTEMA PARA RETIRAR LA BOLSA DE ARROZ EMPACADA DE LA BÁSCULA.

Para retirar la bolsa empacada que se encuentra sobre la báscula, se utiliza un

actuador neumático, con el propósito de empujar la bolsa, enviándola sobre la

banda transportadora, este proceso se debe hacer en menos de 1 segundo.

136

SIMULACION FLUID SIM

Donde el pulsador de INICIO representa la entrada digital al microcontrolador

que dará una salida en alto K1 para activar el solenoide de la entrada de la

electroválvula Y1 cuya configuración es 3 / 2.

A continuación simulación paso a paso.

137

El pulsador de INICIO no ha sido oprimido, por lo tanto la electroválvula no a

sido activada para permitir el paso de aire comprimido al cilindro de simple

efecto, por lo tanto no hay salida del vástago.

Al ser oprimido el pulsador INICIO, se activará un relé que permitirá el paso

de corriente suficiente para excitar el solenoide de la electro válvula y así

permitir el paso de aire y expulsar el vástago.

Al desactivar el pulsador INICIO también se desactivará el solenoide, pues no

está enclavado, esto hace que la válvula regrese a su estado original, pues es

una válvula de retorno por resorte, lo mismo ocurre con el cilindro de simple

efecto que también tiene retorno por resorte.

138

Tener en cuenta que la siguiente figura representa al microcontrolador que

activará una salida en alto si es pulsado el INICIO.

Microcontrolador Salida en alto de un pin del micro.

4.8 ESQUEMA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LA MÁQUINA Mantenimiento Preventivo Este tipo de mantenimiento surge de la necesidad de rebajar el correctivo y

todo lo que representa. Pretende reducir la reparación mediante una rutina de

inspecciones periódicas y la renovación de los elementos dañados, si la

segunda y tercera no se realizan, la tercera es inevitable.

139

Características: Básicamente consiste en programar revisiones de los equipos, apoyándose en

el conocimiento de la máquina en base a la experiencia y los históricos

obtenidos de las mismas. Se confecciona un plan de mantenimiento para cada

máquina, donde se realizaran las acciones necesarias, engrasan, cambian

correas, desmontaje, limpieza, etc.

Ventajas: Se hace correctamente, exige un conocimiento de las máquinas y un

tratamiento de los históricos que ayudará en gran medida a controlar la

máquinaria e instalaciones.

El cuidado periódico conlleva un estudio óptimo de conservación con la

que es indispensable una aplicación eficaz para contribuir a un correcto

sistema de calidad y a la mejora de los continuos.

Reducción del correctivo representará una reducción de costos de

producción y un aumento de la disponibilidad, esto posibilita una

planificación de los trabajos del departamento de mantenimiento, así

como una previsión de los recambios o medios necesarios.

Se concreta de mutuo acuerdo el mejor momento para realizar el paro

de las instalaciones con producción.

Desventajas: Representa una inversión inicial en infraestructura y mano de obra. El

desarrollo de planes de mantenimiento se debe realizar por técnicos

especializados. Si no se hace un correcto análisis del nivel de mantenimiento preventivo,

se puede sobrecargar el costo de mantenimiento sin mejoras

sustanciales en la disponibilidad.

Los trabajos rutinarios cuando se prolongan en el tiempo produce falta

de motivación en el personal, por lo que se deberán crear sistemas

imaginativos para convertir un trabajo repetitivo en un trabajo que

140

genere satisfacción y compromiso, la implicación de los operarios de

preventivo es indispensable para el éxito del plan.

La siguiente rutina de mantenimiento se elaboro teniendo en cuenta las

características de la máquina para con ello proceder a realizarla. Tabla 12: Rutina de mantenimiento.

RUTINA DE MANTENIMIENTO

PREVENTIVO PLANIFICADO

INPROARROZ LTDA.

EQUIPO MÁQUINA

EMPACADORA DE ARROZ

LOCALIZACIÓN PLANTA DE EMPAQUETADO

MODELO 1988

SERIE No. 10089-12

PAIS DE ORIGEN COLOMBIA

No. INVENT. TÉCNICO 10

141

SEMANA INSPECCIONES

1 2 3 4 Efectuar limpieza integral interna y externa del equipo Inspeccionar carcasa y aspecto fisico en general

Inspeccionar cables, terminales y demás elementos eléctricos y/o electrónicos

Inspeccionar las condiciones ambientales del equipo, Humedad Calor, Frio, entre otras.

VERIFICACIONES

Verificar estado de las Guias Interiores Horizontales Verificar estado de la Mesa de Trabajo Verificar estado de Mordazas de sellado vertical Verificar estado de Mordazas de sellado Horizontal. Verificar estado de los cilindros neumaticos Verificar estado del Regulador para adecuar la Carrera de Corte Verificar estado de la Parte Delantera del Carro Corredera Verificar estado de la Base de la empacadora arroz Verificar estado de funcionamiento optico

Verificar estado de los rodamientos de los rodillos que tensionan la bolsa.

Verificar estado de los motores de la máquina.

Verificar estado de las pastillas del freno embrague.

142

FECHA DE REALIZACIÓN

FIRMA DEL RESPONSABLE A CARGO

TIEMPO DE EJECUCIÓN (TIEMPO ESTANDAR 1H) MATERIAL GASTABLE REPUESTOS HERRAMIENTA Y EQUIPO

OBSERVACIONES CARRO CORREDERA OBSERVACIONES BASTIDOR

OBSERVACIONES DE LA MESA DE EMPAQUETADO OBSERVACIONES DEL SISTEMA DE SELLADO

143

OBSERVACIONES PARTE FRONTAL DE LA MÁQUINA OBSERVACIONES MOTOR

CODIGO DE FALLAS

1.FALTA DE LUBRICACIÓN 8.FALTAN EJES 2.FALTA PALANCA 9.FALTAN TORNILLOS 3.FALTA PILOTO DE ENCENDIDO 10.FALTA LIMPIEZA

4.FALTAN PIÑONES

11.DISPOSITIVO DE LUBRICACIÓN

5.FALTAN RODAMIENTOS

12.FALTAN TUERCAS

6.FALTAN HERRAMIENTAS 13.PARTES EN MAL ESTADO 7.FALTAN ACCESORIOS 14.DESGASTE


4.9 ANÁLISIS DE COSTO/BENEFICIO. Se realiza un estudio de ventas y horas trabajadas en cada mes, ya que

el producto que se maneja en la empresa, es el arroz y todos los meses

no se tiene este producto en el mercado, porque se siembra en

temporadas especiales y su cosecha no es constante en todos los meses

del año.

Los estados financieros de la empresa Inproarroz tiene como propósito

general, presentar y preparar al cierre de un periodo la información

contable para ser conocidos por usuarios indeterminados, con el ánimo

144

145

principal de satisfacer el interés común del público para generar flujos

favorables de fondos; se realizo un estudio en el área contable que los

cierres de periodo al año son 4, es por esta razón que en la planta de

empaquetado tienen que trabajar más horas, en los meses de enero,

febrero y marzo las máquinas trabajan ocho horas diarias debido a que

los consumidores tienden a disminuir la cantidad demandada de este

producto.

En abril y mayo las máquinas trabajan diez horas diarias, en estos dos

meses las ventas comienzan su estado de crecimiento, luego en junio,

julio, agosto, septiembre y octubre se trabajan 14 horas al día y la

demanda tiene una variación de crecimiento a causa de la multiplicidad

del los proveedores por la cosecha de arroz que se presenta en este

periodo, en noviembre y diciembre la demanda del arroz tiende a

disminuir debido a la cosecha las máquinas empacan durante nueve

horas diarias.

En la siguiente tabla se puede observar los periodos de producción y sus

respectivos cálculos contables.

TABLA 13 CUADRO COMPARATIVO DE LA MÁQUINA ACTUAL vs MODERNA POR AUMENTO DE VELOCIDAD AL EMPACADO.


CUADRO COMPARATIVO DE LA MÁQUINA ACTUAL Y MODERNA POR VELOCIDAD DE EMPACADO MÁQUINA ACTUAL MÁQUINA MODERNA

ETAPAS DEL AÑO NUMERO DE

DIAS MÁQUINA ACTUAL

[b/d] BOLSAS

EMPACADAS MÁQUINA MODERNA

BOLSAS EMPACADAS

HORAS PERIODO / DIA

enero - marzo 78 24000 1872000 28800 2246400 8 abril - mayo 52 30000 1560000 36000 1872000 10

junio - octubre 150 42000 6300000 50400 7560000 14 noviembre - diciembre 52 27000 1404000 32400 1684800 9

TOTAL 11136000 13363200

DIFERENCIA DE BOLSAS EMPACADAS DE UNA MÁQUINA POR

AÑO 2227200

DIFERENCIA MONETARIA POR AÑO 1603584000


146

147

TABLA 14: ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA MÁQUINA ACTUAL vs MÁQUINA MODERNA


ANALISIS POR PRECISION

ETAPAS DEL AÑO NUMERO DE DIASMÁQUINA ACTUAL

[b/d] BOLSAS

EMPACADAS MÁQUINA MODERNA

BOLSAS EMPACADAS

HORAS PERIODO / DIA

enero - marzo 78 24000 1872000 28800 2246400 8 abril - mayo 52 30000 1560000 36000 1872000 10 junio - octubre 150 42000 6300000 50400 7560000 14 noviembre - diciembre 52 27000 1404000 32400 1684800 9

TOTAL 11136000 13363200

LIBRA POR

BOLSAS LIBRA POR

BOLSAS LIBRA =500gr 5568000000 LIBRA =500gr 6681600000 CON ERROR=505gr

5623680000 CON ERROR=501gr

6694963200

DIFERENCIA 55680000 DIFERENCIA 13363200

$ 80.179.200,00

$ 19.243.008,00

Como se puede observar en la tabla con un error de 1% el cual corresponde a 5gr, característica de la máquina

empacadora actual, en la cual se tiene una perdida anual de $80.179.200, también se puede apreciar que con un

error de 0.2% correspondiente a 1gr como es la propuesta, se genera una perdida anual de $19.243.008.

NOTA: En la tabla anterior se puede observar las cifras de pérdidas en el año.

Comparando pérdidas al empacar el arroz sin un sistema de peso con un error

del 1 % y un error del 0.2% estos errores de peso fueron realizados en la planta

de empaquetado con el personal técnico se tomaron 6 muestras para saber la

variación de peso de cada pocillo los cuales fueron marcados.

En la foto se puede ver la máquina

en la planta de empaquetado. En el

círculo rojo se encuentra los

pocillos, la cual se marcaron

numéricamente de 1 hasta 6 luego

se llevaron las respectivas libras de

arroz empacadas a una báscula

electrónica, y obtener un error

promedio. El cuadro azul muestra la

manivela manual para variar el

peso. El error es de 5 gr por bolsa.

COSTO DE PRODUCCIÓN DEL PROYECTO TABLA 15: Costo del desarrollo del proyecto.

articulo precio unitario cantidad precio totalmotor1 180000 1 $ 180.000,00 microcontrolador 20000 2 $ 40.000,00 diseño de tarjetas 30000 4 $ 120.000,00 piñones 4 $ 250.000,00 cableado 30000 1 $ 30.000,00 motoreductor 450000 1 $ 45.000,00 tablero de control 120000 1 $ 12.000,00 báscula 900000 1 $ 900.000,00 componentes electronicos 60000 1 $ 60.000,00 soporte de báscula 150000 1 $ 150.000,00 costos inmateriales 700000 1 $ 700.000,00 mano de obra"tecnico" 600000 1 $ 600.000,00 costo del diseño ingenieril 20000000 1 $ 20.000.000,00

total $ 23.087.000,00 Fuente: Elaborado por los autores.

La tabla 15 muestra el costo de producción de todo el proyecto.

148

5. CONCLUSIONES En el desarrollo progresivo de este país se a observado una tendencia de

crecimiento, quizás muy lenta para un país que lo tiene todo, pero aun así

sectores empresariales e industriales que se encuentran seriamente

comprometidos con el desarrollo, han invertido y han apostado, en nuevas

estrategias comerciales y en mecanismos tecnológicos, que permitan encontrar

una mejor respuesta por año a cada inversión de tiempo y de dinero.

Con el desarrollo de este proyecto se puede concluir

1. La báscula comercial si puede dar respuestas en un tiempo inferior a un

segundo.

2. Se puede implementar el sistema de control on-off para una precisión de 1gr.

3. Los circuitos electrónicos de control y de potencia, no son de gran

complejidad electrónica.

4. La máquina modernizada puede empacar 60 bolsas por minuto.

5. La modernización de esta máquina no requiere de alta tecnología ni de

procesos de diseño y manufactura demasiado costosos.

6. El consumo de energía eléctrica de la máquina modernizada es inferior al

consumo de la máquina actual.

Los procesos de ingeniería siempre se ven seriamente afectados por las

circunstancias económicas que los rigen, y es esta la razón por la cual se debe

optimizar, perfeccionar, mejorar, los procesos de industrialización con el objeto

de imponer en el mercado y en la industria, nuevas alternativas altamente

competitivas, con las cuales se pueda llegar al consumidor final de una forma

directa y con una función social.

La modernización de esta máquina es económicamente viable, no tiene ningún

problema técnico complejo, que no se pueda resolver. Por el contrario, como se

propone en este trabajo, la máquina es completamente operable, manipulable y

de muy fácil mantenimiento desde el punto de vista técnico y económico.

149

6. BIBLIOGRAFÍA

OGATA. Katsuhiko. Dinamica de sistemas. Mexico: prentice-hall.

SHIGLEY. Joseph E. y MISCHKE. Charles R. Diseño en Ingeniería Mecánica.

Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill.

BEER. Ferdidnand P & RUSELL. JOHNSTON JR. Mecanica de Materiales.

Bogota. D.C. Mc Graw Hill.

BERNARD. J. Hamrock, BO Jacobson, STEVEN R. Schmid. Elementos de

Máquinas. Mc Graw Hill.

TIMOTHY J. Maloney, Electrónica Industrial Moderna. Tercera edición.

Prentice-hall.

150

7. ANEXOS

151

152

La carga que soportara esta plataforma es aproximadamente 5.5Kg, esta carga

es despreciable para este soporte construido en acero 1010.

ANEXO A. Soporte de la báscula


ANEXO B. PLANO DEL SOPORTE DE LA BÁSCULA

153

ANEXO C Tarjetas de los circuitos de control

Comunicación Serial con la báscula y sistema de peso


154

ANEXO D. CIRCUITO DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE CENTRADO, CONTADOR DE BOLSAS

Y SISTEMA DE VELOCIDAD.


155

PROPIEDADES MECANICAS TRATAMIENTO EN CALIENTE IDENTIFICACION NORMAS Y MARCAS

GRADO AISI-SAE EQUIVALENCIAS

ESTADO DE SUMINISTRO

DUREZA BRINELL

RESISTENCIA A LA

TRACCION

LIMITE ELASTICO

REDUCCION AREA TRATAMIENTO TEMPERATURA

1010 DIN CK-10

BOEHLER ES-1 UNI C-10

LAMINADO EN CALINTE

CALIBRADO

130 170

40kg/mm 54kg/mm

30 45

65 55

FORJA RECOCIDO

TEMPLE REVENIDO

900-1200 600-670 900-930 150-200

1020 DIN CK-25 AFNOR XC-18 NORMALIZADO 131 45kg/mm 29 51

FORJA NORMALIZADO

RECOCIDO TEMPLE

REVENIDO

1110 - 900 920 - 990 870-910

870 – 980

ANEXO E. TABLA CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA DE MATERIALES.

156

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS 1010 Y 1020


ANEXO F CATALOGO DE TECLADOS ESPECIALES DE MEMBRANA Y

METALICOS CON ILUMINACIÓN.

157

FUENTE:WWW.APEM.COM

160

ANEXO G TABLA DE RESISTENCIAS DE MATERIALES

FUENTE: Diseño En Ingeniería Mecánica, Joseph E. Shigley Charles R. Pág. 1215.

161

ANEXO H CARACTERISTICAS DE FACTOR DE SEGURIDAD

FUENTE: Elementos De Máquinas, Bernard J. Hamrock Pág-9.

162

ANEXO I. TABLA DE LOS MODULOS Y PASO DIAMETRAL

FUENTE: Diseño De Ingeniería Mecánica, Joseph E. Shigley, Pág-843.

163

ANEXO J. CIRCUITO INTEGRADO DE INVERSIÓN DE GIRO PARA LOS MOTORREDUCTORES SELECCIONADOS

164

www.ortodoxism.ro/datasheets/stmicroelectronics/1373.pdf

166

ANEXO K. BÁSCULA PARA EL SISTEMA DE CONTROL DE PESO.

167

ANEXO L CATALOGO DEL MOTORREDUCTOR

www.transmotec.com

168

ANEXO M. SELECCIÓN DEL MOTOR PARA EL SISTEMA DE CENTRADO.

El motor seleccionado debe aproximarse a las siguientes características: Voltaje del motor: 24V DC Rpms en la salida: 180 rpm

169

170

http://pdf.directindustry.com/pdf/zeitlauf/catalogue-standard-modular-system-2007/14626-21997-

_29.html

ANEXO N: SOPORTE PARA EL MOTOR DEL CENTRADO DE LA BOLSA

171

ANEXO O: SOPORTE PARA EL MOTOR DEL SISTEMA DE PESO

172

ANEXO: P CIRCUITO DE INVERSORES DE GIRO


173

ANEXO: Q ENGRANE DE 13 DIENTES

174 174

ANEXO: R ENGRANE DE 39 DIENTES

175 175

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