optimizaciÓn del funcionamiento y producciÓn de …

OPTIMIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y PRODUCCIÓN DE UNA

DOSIFICADORA DE SHAMPOO PARA CAPILL FRANCE S.A.

MARVIN GUTIÉRREZ NÚÑEZ

DAVID LEONARDO PALACIO SOTO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE MECATRÓNICA

BOGOTA D.C.

2005




DAVID LEONARDO PALACIO SOTO

Trabajo de grado para optar al titulo de

Ingeniero Mecatrónico

Director

LEONARDO RODRÍGUEZ

INGENIERO MECATRÓNICO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE MECATRÓNICA

BOGOTA D.C.

2005

NOTA DE ACEPTACIÓN

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

Firma del presidente del Jurado

_________________________________________

Firma del Jurado

_________________________________________

Firma del Jurado

_________________________________________

Firma Asesor Metodológico

Bogota D.C._______,____________,_________,

Día Mes Año

DEDICATORIA

A mis Padres, quienes han sabido orientarme

en el camino de la vida, a mis abuelos, cuya

sabiduría, paciencia y cariño han sido

fundamentales en el desarrollo de este trabajo,

a mi tía quien siempre ha sabido como

hacerme reír, incluso en los momentos más

difíciles. A mi novia Viviana cuyo constante

apoyo me ha dado temple para seguir adelante.

Marvin Gutiérrez Núñez

A mis Padres, quienes su esfuerzo y

trabajo constante permitieron que

cumpliera mis metas, a Nancy quien

se hizo participe de mis objetivos y

me brindó apoyo siempre que lo

necesitaba, a toda mi familia por

confiar en mi, y a mi novia Angélica

quien me apoyo en todo momento

compartiendo mis sueños.

David Leonardo Palacio Soto

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

LEONARDO RODRÍGUEZ U., Ingeniero Mecatrónico, cuya perspectiva de la

MECATRÓNICA ha sido un gran aporte para la consecución de este trabajo.

DR. DANIEL PÉREZ JR., Gerente General de Capill France S.A., cuyo apoyo y

confianza posibilitó la realización de este proyecto.

Todos aquellos que de alguna forma u otra han contribuido al desarrollo de este trabajo.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día, es necesario ajustarse a los constantes cambios tecnológicos de la industria,

ya que estos traen consigo mejoras en los procesos productivos, como consecuencia de

la mayor eficiencia, capacidad de respuesta y funcionalidad que ofrecen estos nuevos

elementos; por esta razón CAPILL FRANCE S.A. empresa dedicada a la producción de

cosméticos y de tratamientos para el cabello no puede ser la excepción; ya que su

principal visión es ser una de las empresas lideres en producción y comercialización de

productos de calidad.

Uno de los principales productos que ofrece CAPILL FRANCE S.A. es shampoo, gel,

tintes entre otros, siendo primordial el proceso de envasado, para ello se utiliza una

máquina de dosificación (en este caso la línea de producción Nº 5, la cual se usa para

dosificar solo shampoo y rinse), esta máquina en particular no satisface el nivel de

producción requerido por la empresa, además su funcionamiento y el control del mismo

no es el mas óptimo debido a su antigüedad y daños ocasionados por el uso inadecuado

de la misma.

El principal objeto de este estudio es establecer el proceso mas adecuado con el fin de

optimizar el funcionamiento de la dosificadora, junto con los cambios y actualizaciones

necesarias para obtenerlo; para ello se realizarán varias propuestas con el fin de obtener

la mejor y de buen alcance económico para la empresa.

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1 TÍTULO. 14

1.1 ANTECEDENTES. 15

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 16

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. 16

2. JUSTIFICACIÓN. 17

3. OBJETIVOS. 18

3.1 OBJETIVO GENERAL. 18

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 18

4. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO. 20

4.1 ALCANCES. 20

4.2 LIMITACIONES. 20

5. MARCO DE REFERENCIA. 22

6. MARCO TEÓRICO. 23

6.1 ACTUADORES NEUMÁTICOS. 23

6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE. 24

6.3 INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA. 25

6.4 MOTOR. 25

6.5 CORREA/POLEA. 26

6.6 VÁLVULAS. 27

6.7 UNIDAD DE MANTENIMIENTO. 28

6.8 EJE. 29

6.9 EMBRAGUE. 30

6.10 SISTEMA DE DOSIFICADO. 32

6.10.1 Por Pistón. 32

6.10.2 Bombas de engranaje. 32

6.10.3 De tornillo. 33

6.11 VARIADOR DE VELOCIDAD. 33

7. METODOLOGÍA. 35

8. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. 36

9. SOLUCIÓN INGENIERIL. 37

9.1 PROCESO. 38

9.2 DISEÑO MECÁNICO. 43

9.2.1 Potencia de las bombas. 44

9.2.2 Cálculo de poleas. 46

9.2.3 Cálculo de tornillos. 70

9.2.4 Selección de bombas y sus sistema de acople. 80

9.3 ANÁLISIS ESTRUCTURAL. 90

9.3.1 Esfuerzo equivalente (von Mises). 91

9.3.2 Máximo y mínimo esfuerzo cortante. 93

9.3.3 Deformación total. 94

9.3.4 Factor de seguridad. 97

9.4 DISEÑO NEUMÁTICO. 98

9.5 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR. 101

9.6 DISEÑO ELÉCTRICO. 114

10. CONCLUSIONES. 116

BIBLIOGRAFÍA. 118

ANEXOS.

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Actuador de doble efecto. 23

Figura 2. Unidad de Mantenimiento. 29

Figura 3. Esquema de un embrague. 30

Figura 4. Bomba de engrane externos. 32

Figura 5. Bomba de Tornillo. 33

Figura 6. Esquema propuesta Nº 1. 38



Figura 9. Esquema del sistema de transmisión de potencia actual. 46

Figura 10. Esquema del sistema de transmisión de potencia nuevo. 47

Figura 11. Parámetros bases de la polea. 53

Figura 12. Distribución de los tornillos que sujetan la estructura y ubicación del

centro de masa. 72

Figura 13. Distancia entre tornillos. 74

Figura 14. Fuerza terciaria causada por el momento alrededor del eje x. 76

Figura 15. Diagrama de fuerzas en el punto G y sus respectivos tornillos. 77

Figura 16. Bomba de engrane externo doble MANNESMANN REXROTH, con

conexión común de aspiración. 81

Figura 17. Acoplamiento dentado para servicio ligero. 82

Figura 18. Montaje de las bombas y distribución de los tornillos. 83

Figura 19. Fuerzas primarias y secundarias a la que están sometidos los pernos. 86

Figura 20. Distribución de fuerzas con dos pernos. 88

Figura 21. Estructura de soporte del sistema mecánico. 90

Figura 22. Esfuerzo equivalente (Esfuerzo von Mises) 91

Figura 23. Vista ampliada del punto de mayor concentración de esfuerzo en la

estructura. 92

Figura 24. Esfuerzo equivalente (Escala aumentada) 93

Figura 25. Esfuerzo cortante, máximo y mínimo. 94

Figura 26. Deformación total en la estructura de soporte del sistema mecánico. 95

Figura 27. Deformación total en la estructura de soporte del sistema mecánico

(Escala aumentada) 96

Figura 28. Vista de apoyo de la deformación total de la estructura. 96

Figura 29. Factor de seguridad a través de la estructura. 97

Figura 30. Vista ampliada de la sección con menor factor de seguridad en la

estructura. 98

Figura 31. OPLC M91-2-R1 101

Figura 32. Elementos Actuadores y entradas del sistema. 105

Figura 33. Ajuste de Boquillas. 105

Figura 34. Ajuste de Sensores. 106

Figura 35. Mensaje “Etapa de Ajuste”. 106

Figura 36. Tecla Enter. 106

Figura 37. Teclas de desplazamiento (Arriba, abajo, derecha, izquierda). 107

Figura 38. Mensaje “Modo Automático”. 107

Figura 39. Mensaje “Presentación”. 108

Figura 40. Paso Nº 1. 109








Figura 48. Mensaje “Paro de Emergencia”. 114

Figura 49. Mensaje “Paro Por Acumulación”. 114

LISTA DE TABLAS

Pag.

Tabla 1. Tabla comparativa de propuestas. 42

Tabla 2. Velocidad del motor a diferentes posiciones del potenciómetro. 44

Tabla 3. Valores de voltaje en armadura y campo, con carga y al vacío. 45

Tabla 4. Corriente de armadura en carga y en vacío. 45

Tabla 5. Potencia de los diferentes tipos de electro-embragues a varias

velocidades. 48

Tabla 6. Características del motor. 49

Tabla 7. Correas de sincronización estándares para ISO. 50

Tabla 8. Variables relacionadas en el diseño mecánico. 51

Tabla 9. Tipo de servicio según cantidad de horas de trabajo. 57

Tabla 10. Coeficiente de transmisión basado en la relación de velocidad. 58

Tabla 11. Factor de dientes en contacto. 59

Tabla 12. Tornillos preseleccionados. 70

Tabla 13. Variables relacionadas con el diseño de tornillos. 71

Tabla 14. Clases métricas de propiedad mecánica para pernos, tornillos y birlos de

acero. 80

Tabla 15. Características, técnicas y aplicaciones del acero 316 L. 81

Tabla 16. Pernos preseleccionados para el sujetar la estructura de las bombas. 84

Tabla 17. Elementos neumáticos presentes en la máquina. 99

Tabla 18. Elementos neumáticos. 100

Tabla 19. Conjunto de entradas al PLC M91-2-R1. 102

Tabla 20. Conjunto de entradas a la expansión IO-DI8-RO4. 102

Tabla 21. Conjunto de salidas del PLC M91-2-R1. 103

Tabla 22. Conjunto de salidas de la expansión IO-DI8-RO4. 103

Tabla 23. Conjunto de salidas de la expansión IO-RO8. 104

Tabla 24. Características eléctricas electro embrague EP-250 115

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A. Características técnicas del sistema correa – polea.

ANEXO B. Análisis estructural.

ANEXO C. Tabla de características técnicas y conexiones eléctricas del OPLC.

ANEXO D. Manuales de mantenimiento y procedimientos.

ANEXO E. Planos eléctricos.

ANEXO F. Planos mecánicos.

ANEXO G. Planos neumáticos.

GLOSARIO

PLC: Siglas en ingles de “Programmable Logic Controller” (Controlador Lógico

Programable)

LADDER: Por su significado en ingles, escalera. Tipo de programación de PLCs.

HMI: Siglas en ingles de “Human-Machine Inter phase” (Interfase hombre-Máquina)

TOUHCSCREEN: Por su significado en ingles, Pantalla de contacto.

LCD: Por sus siglas en ingles “Liquid Cristal Display” (Visualizador de Cristal

Liquido)

FRL: Filtro – Regulador - Lubricador

Solenoide: Arrollamiento helicoidal de hilo conductor

Encoder: Es un disco de plástico o de metal, solidario a un eje rotatorio, con

algunas franjas o marcas de detección, este sistema viene con un sensor que envía

pulsos a un sistema generados por el paso de dichas franjas o marcas.

Potenciómetro: Dispositivo que por medio de un desplazamiento mecánico,

presenta un variación de su resistencia eléctrica.

Adc: Corriente en continua

Vdc: Voltaje en continua

HP: Por sus siglas en ingles “Horse Power” (Caballos de fuerza)

ISO: Por sus siglas en ingles “International Standardization Organization”

(Organización Internacional de Estandarización)

CAD: Por sus siglas en ingles “Computer Aided Design” (Diseño facilitado por

computador)

SAE: Por sus siglas en ingles “Society of Automotive Engineers” (Sociedad de

Ingenieros Automotrices)

AISI: Por sus siglas en ingles “American Iron and Steel Institute” (Instituto Americano

de Hierro y Aceros)

HSC: Por sus siglas en ingles “High Speed Counter” (Contador de alta velocidad)

RESUMEN ANALÍTICO DE ESTUDIO.

FECHA DE ELABORACIÓN: Enero 2006

AUTORES: DAVID LEONARDO PALACIO SOTO


TITULO: OPTIMIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y PRODUCCIÓN DE UNA


ÁREA DE INVESTIGACIÓN: AUTOMATIZACIÓN

DESCRIPCIÓN: Uno de los principales productos que ofrece CAPILL FRANCE S.A.

es shampoo, gel, tintes entre otros, siendo primordial el proceso de envasado, para ello

se utiliza una máquina de dosificación (en este caso la línea de producción Nº 5, la cual

se usa para dosificar solo shampoo y rinse), esta máquina en particular no satisface el

nivel de producción requerido por la empresa, además su funcionamiento y el control

del mismo no es el mas óptimo debido a su antigüedad y daños ocasionados por el uso

inadecuado de la misma.

El principal objeto de este estudio es establecer el proceso mas adecuado con el fin de

optimizar el funcionamiento de la dosificadora, junto con los cambios y actualizaciones

necesarias para obtenerlo; para ello se realizarán varias propuestas con el fin de obtener

la mejor y de buen alcance económico para la empresa.

En la actualidad existen, muchos tipos de máquinas de llenado o dosificadoras,

utilizadas en la Industria Colombiana, unas con sistemas modernos y complejos y otras

con mecanismos simples y de bajo costo. Existen máquinas de llenado, que traen

consigo el proceso de tapado, proporcionando un proceso eficiente.

El sistema de llenado esta conformado en algunos procesos, por bombas de tornillos o

gusanos, siendo este de bajo mantenimiento, pero de una inversión inicial grande por

esta misma condición.

Otro sistema es el de camisa-pistón, el cual actúa como una jeringa, impulsando el

fluido a través de un desplazamiento lineal, el principal inconveniente que presenta este

mecanismo, esta relacionado con la succión de fluidos muy densos, pues no responde

muy bien en esta situación.

El mecanismo existente en la dosificadora de Capill’ France S.A., impulsa el fluido

mediante unas bombas de engranes externos, las cuales ofrecen un alto rendimiento, el

mantenimiento de las mismas es moderado, aunque el desgaste en los engranes es

considerable.

CONTENIDO:

El estudio esta dividido en once capítulos. En los ocho primeros se especifica el tema,

problema, área de investigación, la metodología de trabajo, así como marco de

referencia entre otros.

En el capitulo nueve se plantean diferentes soluciones ingenieriles, para tener diferentes

puntos de vistas; de estas soluciones planteadas se selecciona, la que mas se acomoda al

proyecto ingenieril y económicamente, teniendo en cuenta las necesidades de la

empresa. Una vez conocida la propuesta que adecuada, se lleva a cabo todo el diseño

necesario y los análisis respectivos para garantizar la funcionalidad del proyecto, asi

como la viabilidad del mismo.

En el capitulo diez se realiza una conclusión del proyecto, respondiendo a las

interrogantes surgidas en el transcurso del estudio.

METODOLOGÍA:

La metodología que se llevará a cabo, comprende el diseño de diferentes posibles

soluciones, teniendo en cuenta el costo, la viabilidad y mejora del proceso, planteando

ventajas y desventajas de las mismas, de esta forma no nos limitaremos a una sola. Para

realizar de forma satisfactoria el proyecto, se utilizaran herramientas de software de

diseño (elementos finitos) y dibujo (CAD) facilitados por la universidad, además de la

aplicación de criterios de selección para los diferentes dispositivos evaluando sus

ventajas y desventajas; en los casos requeridos se realizarán los cálculos convenientes

para desarrollar el diseño mecánico, así como el diseño de los sistemas eléctrico y de

control (Programación).

El enfoque que se le dará a este proyecto es el empírico-analítico, debido a la

características del proyecto en si, un enfoque empírico garantiza basar el diseño en

hechos y a partir de estos poder realizar afirmaciones, un enfoque analítico es un factor

obligatorio en la labor de un ingeniero para lograr la consecución de los objetivos

propuestos, así como un sistema integro y eficiente.

1. TÍTULO DEL PROYECTO.



14

1.1 ANTECEDENTES

En la actualidad existen, muchos tipos de máquinas de llenado o dosificadoras, utilizadas

en la Industria Colombiana, unas con sistemas modernos y complejos y otras con

mecanismos simples y de bajo costo. Existen máquinas de llenado, que traen consigo el

proceso de tapado, proporcionando un proceso eficiente.

El sistema de llenado esta conformado en algunos procesos, por bombas de tornillos o

gusanos, siendo este de bajo mantenimiento, pero de una inversión inicial grande por esta

misma condición.

Otro sistema es el de camisa-pistón, el cual actúa como una jeringa, impulsando el fluido a

través de un desplazamiento lineal, el principal inconveniente que presenta este mecanismo,

esta relacionado con la succión de fluidos muy densos, pues no responde muy bien en esta

situación.

El mecanismo existente en la dosificadora de Capill’ France S.A., impulsa el fluido

mediante unas bombas de engranes externos, las cuales ofrecen un alto rendimiento, el

mantenimiento de las mismas es moderado, aunque el desgaste en los engranes es

considerable.

15

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.

En el proceso de dosificación se tienen en cuenta diferentes variables a controlar y

diferentes factores importantes para el mantenimiento preventivo de la máquina; por ello se

nombrarán a continuación los principales inconvenientes presentes en la dosificadora de

shampoo:

• El control del volumen a dosificar se realiza mediante un ajuste manual de contadores

eléctricos de acuerdo a la presentación del envase, este ajuste demanda tiempo y

experiencia por parte del operario y en algunos casos, pérdida de producto.

• Parte del control se realiza mediante lógica cableada, el cual esta desordenado

dificultando el mantenimiento de la misma.

• La máquina esta diseñada con dos (2) boquillas de dosificación, por lo cual a los

operarios se les dificulta el cumplimiento de las metas propuestas por producción en un

tiempo establecido.

• En el proceso de envasado es necesario llevar una estadística de producción, la cual no

esta presente el proceso actual.

16

2. JUSTIFICACIÓN

Uno de los factores más importantes de la industria es la producción, ya sea de bienes y/o

servicios; esto recalca la importancia de las herramientas y máquinas utilizadas para

cumplir con tal objetivo, elemental para las empresas dedicadas a la producción en grandes

cuantías. Poseer una máquina que genera una baja producción y que demanda un

mantenimiento mayor no es viable para la empresa, y dado que las bases de diseño de la

misma permiten realizar mejoras en esta se hace necesario repotenciar o actualizar y

optimizar la dosificadora de shampoo de tal forma que esta cumpla con las necesidades de

producción establecidas por la empresa así como las especificaciones de los productos.

Realizar este tipo de proyecto implica un conocimiento de la máquina, del proceso y de los

diferentes sistemas de automatización incluidos en él; lo cual se encuentra en los dominios

de la carrera, y permite desarrollar el manejo del problema de forma integral; siendo la

optimización de procesos una característica presente en el perfil profesional del Ingeniero

Mecatrónico.

17

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL:

Mejorar el funcionamiento y producción de una dosificadora de shampoo para CAPILL

FRANCE S.A.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

• Identificar el proceso y funcionamiento actual de la dosificadora, así como los

dispositivos y los trabajos que realizan.

• Diseñar las propuestas de actualización y mejoramiento del proceso.

• Seleccionar la propuesta mas adecuada para la empresa (la selección se realiza en

conjunto con esta, de acuerdo a parámetros de tiempo y presupuesto).

• Calcular la potencia suministrada por el sistema mecánico actual, impulsor de las

bombas de dosificación.

• Seleccionar las bombas a utilizar y la forma adecuada de acoplarlas al sistema actual.

• Diseñar los elementos requeridos en el montaje de las bombas.

• Seleccionar el tipo de controlador o controladores necesarios para cumplir con la

propuesta elegida.

18

• Diseñar el circuito eléctrico y neumático para conectar el controlador, elementos

actuadores y sensores, teniendo en cuenta las variables del proceso.

• Realizar el cableado eléctrico y adecuación de la máquina para llevar a cabo el montaje

de los elementos.

• Programar el controlador, teniendo en cuenta el nuevo proceso diseñado.

• Realizar pruebas de funcionamiento y los ajustes necesarios al controlador.

19

4. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

4.1 ALCANCES

El principal motivo de este proyecto es establecer las mejoras y actualizaciones necesarias

para que la dosificadora de shampoo funcione bajo las condiciones establecidas por la

empresa; los cuales son: aumento de la producción, facilidad del mantenimiento preventivo,

una relación hombre máquina más amigable. Para ello se realizará el diseño y selección de

los elementos y dispositivos necesarios para alcanzar dicho objetivo, teniendo en cuenta

que la implementación se llevará a cabo siempre y cuando la empresa lo crea conveniente

desde un punto de vista económico.

4.2 LIMITACIONES

En la elaboración de este proyecto se encuentran ciertas limitaciones, ya sea de tipo técnico,

económico y de tiempo. Estas se especifican a continuación:

• En el proceso de bombeo se ha descartado el sistema de camisa-pistón por solicitud

específica de la empresa; por lo tanto solo se trabajara en el diseño con bombas

hidráulicas en el sistema de llenado.

• El sistema de transmisión de potencia limita la utilización de las bombas y la cantidad

que se pueden usar, para ello se realizará el cálculo de la potencia máxima que se puede

obtener de este, así se llevará a cabo una mejor selección de las bombas; quedando la

posibilidad que no se pueda implementar sin hacer un cambio parcial o total de este

sistema.

20

• Algunos elementos originales de la máquina, tienen un precio muy elevado, por lo que

la empresa ha decidido no adquirir otros de este tipo para la expansión de la máquina,

así que la selección de las nuevas bombas gira en torno a que los elementos

mencionados se puedan reutilizar con la nueva propuesta, siempre y cuando ofrezcan

las características técnicas requeridas, de lo contrario se diseñaría el sistema trasmisor,

teniendo en cuenta un nuevo concepto o se tendrían en cuenta los elementos originales

y recapacitar acerca del costo con el fabricante original.

21

5. MARCO DE REFERENCIA

El proyecto tiene un sustento teórico, relacionado con todo el programa académico presente

en la carrera, pasando por áreas generales, hasta áreas específicas. Las cuales se

mencionarán a continuación

1. Electricidad y Electrónica.

• Lógica cableada.

• Transformadores.

2. Diseño Mecánico.

• Diseño de poleas.

• Diseño de correas.

• Calculo de potencia en ejes.

3. Mecánica de Fluidos.

• Bombas.

4. Instrumentación electrónica.

• Adquisición de datos y señales eléctricas.

5. Control.

• Control en lazo abierto.

6. Técnicas avanzadas.

• Sensores.

• Criterios de selección.

• Neumática.

• Controladores Lógicos Programables.

22

6. MARCO TEÓRICO

6.1 ACTUADORES NEUMÁTICOS.

Los actuadores neumáticos se emplean para transformar la energía almacenada en el aire a

presión en energía cinética.

Los actuadores son aquellos que realizan directamente el trabajo dentro de un sistema

automático o semiautomático. Los tipos de actuadores están construidos según las

características propias de la aplicación.1

Las características genéricas de un actuador son:

• Principio operativo (doble efecto – simple efecto)

• Diámetro del émbolo

• Carrera de desplazamiento

Un actuador neumático del tipo cilíndrico esta compuesto de los siguientes elementos:

Figura 1. Actuador de doble efecto.2

1 ARCE, D. Actuadores Neumáticos. Festo Didactic. P. 7

23

Existen diferentes tipos de actuadores neumáticos, de acuerdo a su funcionamiento,

movimiento y aplicación. Estos se describen a continuación:

Actuadores lineales:

• Simple efecto.

• Doble efecto.

• Doble vástago.

• Sin vástago.

Actuadores giratorios

Actuadores de Pinza (Grippers)

6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE.

Un Controlador Lógico Programable (PLC) es un dispositivo electrónico digital que utiliza

una memoria para almacenar instrucciones e implementar funciones específicas de lógica,

secuencia, temporizado, conteo y aritmética para controlar máquinas y procesos.

Las características inherentes de un PLC♦ son:

• Fabricación robusta y empleo de componentes de estado sólido para soportar ambientes

industriales.

• No existen partes mecánicas en movimiento, lo que evita el mantenimiento.

• No requiere de un conocimiento de microprocesadores o computadores por parte del

usuario.

• Fácil programación lógica de control binario (LADDER♦)

2 ARCE, D. Op. cit., P. 7 ♦ Ver glosario

24

El PLC♦ se define como un dispositivo con determinado número de terminales de entradas

y salidas, que mediante un proceso lógico (ya sea secuencial o aritmético) interno realiza

una acción o un cambio en las salidas; estas entradas pueden ser pulsadores, finales de

carrera, detectores, y cualquier elemento que produzca una señal detectable por el PLC♦,

por otra parte las salidas están conectadas a elementos actuadores o indicadores como lo

son las bobinas, electro-válvulas y dispositivos de señalización, entre otros.

6.3 INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA.

Es un dispositivo electrónico que cumple una función importante en el área de la

automatización, este permite una interacción mas amigable entre el operador y PLC♦, este

permite que el operario ingrese datos para modificar el proceso como lo son paros de

emergencia, datos numéricos o selección del proceso entre otros; además en este se puede

visualizar mensajes, datos y menús.

Las HMI♦ se pueden clasificar de acuerdo al tipo de pantalla, a la cantidad de teclas y al

tipo de conexión con el PLC♦, aunque por lo general cada fabricante de PLC♦ tiene su

propio tipo de HMI♦ así como su propio protocolo de comunicación; las pantallas pueden

ser desde LCDs♦ de diferente número de dígitos hasta TOUHCSCREEN♦ de una mayor

resolución de colores y sensible al tacto.

6.4 MOTOR.

Motor, máquina que convierte energía en movimiento o trabajo mecánico. La energía se

suministra en forma de combustible químico, como gasóleo o gasolina, vapor de agua o

electricidad, y el trabajo mecánico que proporciona suele ser el movimiento rotatorio de un

árbol o eje. Los motores se clasifican según el tipo de energía que utilizan, como motores

♦ Ver glosario.

25

de aire comprimido, eléctricos, hidráulicos o de gasolina; según el tipo de movimiento de

sus piezas principales, como alternativos o rotatorios; según dónde tiene lugar la

transformación de energía química a calor se llaman de combustión interna o externa;

según el método utilizado para enfriar el motor se clasifican en refrigerados por agua o por

aire; según la posición de sus cilindros, alineados o en V; según las fases por las que pasa el

pistón para completar un ciclo, como de dos (2) tiempos o de cuatro (4), y según el tipo de

ciclo, como tipo Otto (el de los motores de gasolina) o diesel. Ciertos motores transforman

energía eléctrica en energía mecánica. Otros motores especializados son el molino, la

turbina de combustión, la turbina de vapor y los utilizados en los cohetes y aviones a

reacción.

6.5 CORREA/POLEA.

Los elementos de máquinas elásticos, como lo son las bandas se emplean en transporte y

para la transmisión de potencia sobre distancias comparativamente largas. Con frecuencia

estos elementos se usan como reemplazos para engranes, ejes, cojinetes y otros dispositivos

de transmisión de potencia relativamente rígidos. En muchos casos su empleo simplifica el

diseño de una máquina y reduce en gran medida el costo.

Además, puesto que estos elementos son elásticos y suelen ser bastantes largos, tienen una

función importante en la absorción de cargas de impacto y en el amortiguamiento y

aislamiento de los efectos de las vibraciones, lo que es una ventaja importante respecto a la

vida de la máquina.3

Tipos de bandas

• Planas.

• Redonda.

• Tipo V.

3 SHIGLEY, Joseph Edward. Diseño en Ingeniería Mecánica. Mc Graw Hill, 2002. e.6. P. 1060

26

• De sincronización.

Algunas características de las bandas

• Se pueden emplear para distancias entre centros grandes.

• Excepto para las bandas de sincronización, existe un cierto deslizamiento y fluencia;

por tanto, la relación de la velocidad angular entre los ejes impulsor e impulsado ni es

constante ni exactamente igual a la relación de los diámetros de las poleas.

• En algunos casos se requiere de una polea guía o tensora para evitar ajustes en la

distancia entre centros, que por lo general se necesitan debido al envejecimiento o a la

instalación de bandas nuevas. 4

6.6 VÁLVULAS.

Las válvulas de vías son dispositivos que influyen en el paso, el bloqueo y la dirección del

flujo del aire.

Las válvulas neumáticas se dividen en cuatro (4) grupos principales como son las válvulas

de control de dirección, de control de flujo, sin retorno y de tipo especial, la válvula se

subdivide a su vez dependiendo del tipo de construcción. Por el tipo de función las válvulas

se clasifican como: 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3. etc. Estas válvulas son accionadas de diversos

modos como: manual, mecánico y eléctrico para formar combinaciones diversas de acción.

Las válvulas de diseño especial como las de escape rápido, retardos de tiempo son

empleadas para funciones especiales en circuitos neumáticos para aplicaciones diversas.5

4 SHIGLEY, Op. cit., P. 1060. 5 RODRÍGUEZ URREGO, Leonardo. Diseño y construcción de un equipo didáctico mecatrónico para dosificar líquidos. Universidad de San Buenaventura 2003. P. 42

27

6.7 UNIDAD DE MANTENIMIENTO.

Las distintas funciones del acondicionamiento del aire a presión: filtrar, regular y lubricar,

pueden llevarse a cabo con elementos individuales. A menudo estas funciones se han unido

en una unidad operativa: la unidad de mantenimiento. Dicha unidad es antepuesta a todas

las instalaciones neumáticas. Por lo general la lubricación de aire a presión ya no es

necesaria en las instalaciones modernas. Solo deberá aplicarse puntualmente, sobre todo en

la sección de potencia de una instalación. El aire comprimido en la sección de mando no

deberá lubricarse.

El abastecimiento de aire a presión de buena calidad en un sistema neumático depende en

gran medida del filtro que se elija. El parámetro característico de los filtros es la amplitud

de los poros. Dicho parámetro determina el tamaño mínimo de las partículas que pueden ser

retenidas en el filtro. El aire atraviesa el filtro, en el que son separadas las partículas de

suciedad restantes que tengan dimensiones superiores a los tamaños de los poros. Los

filtros normales tienen poros con dimensiones que oscilan entre 0.1 y 40 µm. Los filtros

tienen que ser sustituidos después de cierto tiempo, ya que las partículas de suciedad

pueden obturarlos. En consecuencia se produce una mayor caída de presión en el filtro.

Para determinar el momento oportuno para cambiar el filtro, deberá efectuarse un control

visual o una medición de la diferencia de presiones. Es importante que la presión del aire

sea constante para que el equipo neumático no ocasione problemas. Para obtener un nivel

constante de la presión se instalan reguladores de presión en la red de aire. El regulador es

instalado después del filtro de aire.

28

Figura 2. Unidad de Mantenimiento.

En la práctica se utiliza una presión de servicio de:

• 600 kPa (6bar) en la sección de operación.

• 300 a 400 kPa (3 a 4 bar) en la sección de mando.

Estos valores han demostrado ser la mejor solución para satisfacer los criterios de

generación de aire a presión y los del rendimiento de los elementos neumáticos. Si las

partes móviles de válvulas o actuadores requieren lubricación, deberá enriquecerse el aire a

presión constantemente con una cantidad suficiente de aceite.

6.8 EJE.

Un eje es un elemento no giratorio que no transmite par de torsión y se usa para soportar

ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos. La geometrías de un eje por lo general es la

de un cilindro escalonado. Los engranes cojinetes y poleas siempre se deben posicionar con

cuidado y se tiene que prever la aceptación de cargas de empuje. El uso de hombros o

resaltos constituye un medio excelente para localizar en forma axial los elementos del eje;

tales resaltos se pueden emplear para precargar rodamientos y para proporcionar las

29

reacciones de empuje necesarias para los elementos rotatorios. La etapa de diseño de un eje

debe ser estudiada desde diferentes puntos de vista.6

1. Deflexión y rigidez

• Deflexión por flexión.

• Deflexión por torsión.

• Pendiente en los cojinetes y elementos soportados por el eje.

• Deflexión por cortante debida a cargas transversales sobre ejes cortos.

2. Esfuerzo y fatiga.

• Resistencia estática.

• Resistencia a la fatiga.

• Confiabilidad.

6.9 EMBRAGUE.

Es un elemento asociado al movimiento rotatorio que tiene la función de transferir energía

cinética de rotación.

Figura 3. Esquema de un embrague.7

6 SHIGLEY, Op. cit., P. 1118. 7 SHIGLEY, Op. cit., P. 1002.

30

Como se muestra, dos (2) inercias I1 e I2, viajan a velocidades angulares w1 y w2

respectivamente, de las que una puede ser cero, estas se llevan a la misma velocidad al

accionar el embrague. Al realizar tal acción con el embrague se presenta deslizamiento

debido a que los dos (2) elementos giran a velocidades distintas y también se presenta una

disipación de energía, lo que provoca un aumento en la temperatura, existen diferentes tipos

de embragues, nombrados a continuación:

• De aro (tambor) con zapatas internas expansibles.

• De aro (tambor) con zapatas externas contráctiles.

• De banda.

• De disco o de acción axial.

• De elementos cónicos.8

El embrague de tambor expansible a menudo se emplea en maquinaria textil, excavadoras y

máquinas donde el embrague puede ubicarse dentro de la polea de impulsión. Casi todos

ofrecen un campo de aplicación similar, aunque cada cual se destaca en alguno en

particular.

También existen embragues magnéticos, los cuales funcionan de manera electrónica,

proporcionando velocidades de acoplamiento bastante altas. Estos son bastantes útiles y los

más usados en sistemas automáticos y de control remoto, así como en transmisiones sujetas

a ciclos complejos de carga. Los embragues hidráulicos y neumáticos también son valiosos

en transmisiones que se someten a ciclos complejos de carga y en maquinaria automática, o

en robots. Aquí el flujo de fluido se controla en forma remota mediante válvulas de

solenoide♦.

8 SHIGLEY, Op. cit., P. 1002. ♦ Ver glosario.

31

6.10 SISTEMA DE DOSIFICADO.

Los sistemas de dosificado mas comunes en la industria son los de pistón, los de bomba de

engranajes, así como de tornillo, estos últimos mas usados en la dosificación de elementos

de alta densidad.

6.10.1 Por Pistón.

Este sistema es muy usado en la industria por su simplicidad; en su movimiento de

retroceso, un actuador acoplado a un sistema de pistón, llena una cámara con el fluido a

infundir, debido al vació creado por el movimiento de un mecanismo, al estar llena la

cámara, dicho mecanismo realiza un movimiento, dejando que el actuador en su

movimiento de avance, empuje todo el fluido fuera de la cámara hacia el envase. El

volumen a infundir depende del área transversal de la cámara y de la carrera del actuador.

6.10.2 Bombas de engranaje.

Figura 4. Bomba de engrane externos.9

9 D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes, Hydraulics Basic Level, Festo Didactic, 1998, P. 87

32

Estas bombas como parte de los sistemas de dosificado, han sido muy utilizadas, aunque

tienen una limitante, cuando se usan en la industria de productos capilares y sus derivados,

ya que al estar en contacto directo con el producto a infundir, los cuales poseen gran

cantidad de químicos, necesitan ser fabricadas en materiales especiales, debido a la alta

corrosión que ocasionan dichos productos. Estas bombas desplazan una gran cantidad de

fluido, si se trabajan a altas revoluciones.

6.10.3 De tornillo.

Estas son bombas que tienen una vida útil muy larga, el mantenimiento al que se deben

someter es poco y tienen una capacidad volumétrica muy alta. Trabajan a revoluciones muy

altas, pero son costosas en comparación, con las bombas de engranajes externos y con el

sistema de pistón nombrado.

Figura 5. Bomba de Tornillo.10

Son bombas usadas, con más frecuencia para el bombeo de aceite y sustancias de alta

viscosidad debido a las altas presiones que manejan y a su resistencia en ambientes

extremos.

6.11 VARIADOR DE VELOCIDAD.

Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan

transistores de potencia como el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o tiristores,

10 D. Merkle, P. 128

33

siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia

industrial en energía eléctrica de frecuencia variable.

Esta variación de frecuencia se consigue mediante dos (2) etapas en serie. Una etapa

rectificadora que transforma la corriente alterna en continua, con toda la potencia en el

llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna,

con una frecuencia y una tensión regulables, que dependerán de los valores de consigna.

34

7. METODOLOGÍA

La metodología que se llevará a cabo, comprende el diseño de diferentes posibles

soluciones, teniendo en cuenta el costo, la viabilidad y mejora del proceso, planteando

ventajas y desventajas de las mismas, de esta forma no nos limitaremos a una sola.

Para realizar de forma satisfactoria el proyecto, se utilizaran herramientas de software de

diseño (elementos finitos) y dibujo (CAD♦) facilitados por la universidad, además de la

aplicación de criterios de selección para los diferentes dispositivos evaluando sus ventajas y

desventajas; en los casos requeridos se realizarán los cálculos convenientes para desarrollar

el diseño mecánico, así como el diseño de los sistemas eléctrico y de control

(Programación).

♦ Ver glosario.

35

8. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN

El enfoque que se le dará a este proyecto es el empírico-analítico, debido a la características

del proyecto en si, un enfoque empírico garantiza basar el diseño en hechos y a partir de

estos poder realizar afirmaciones, un enfoque analítico es un factor obligatorio en la labor

de un ingeniero para lograr la consecución de los objetivos propuestos, así como un sistema

integro y eficiente.

36

9. SOLUCIÓN INGENIERÍL.

Este proyecto tiene como aporte ingenieríl, la optimización y desarrollo de nuevos procesos

y sistemas de tal forma que esta cumpla con las necesidades de producción establecidas por

la empresa así como las especificaciones de los productos.

Los pasos que se realizaran para llevar a cabo este proyecto son:

Basados en los diferentes sistemas de dosificación y en el propio de la máquina, establecer

las mejoras y cambios necesarios para cumplir con los objetivos planteados.

Teniendo en cuenta la aplicación de la máquina y los sistemas que la componen, las

diferentes fases del proceso y las áreas de conocimiento están relacionadas estrechamente

con el saber y hacer mecatrónico; el proceso de optimización lo dividimos en los siguientes

puntos:

• Proceso: en este estableceremos el nuevo proceso.

• Diseño mecánico: en esta fase se diseñarán los elementos y estructuras, así como el

funcionamiento mecánico.

• Diseño neumático: en esta parte seleccionaremos los actuadores, válvulas, unidades de

mantenimiento y el diseño del sistema neumático, todo esto teniendo en cuenta los

elementos existentes en la máquina.

• Diseño eléctrico: aquí se diseñará el circuito eléctrico, de igual forma se seleccionarán

los elementos que conforman el mismo.

• Programación del controlador: realizando un análisis del proceso, se llevará a cabo la

selección y programación del controlador (PLC♦).

♦ Ver glosario

37

9.1 PROCESO

PROPUESTA 1

El nuevo proceso se diseña respetando las condiciones que delimitan el proyecto, este se

describe a continuación:

Todo el proceso es controlado desde el panel de control, este se realiza de forma secuencial;

en el panel se encuentra el controlador con el programa que lleva a cabo el proceso, además

de una HMI♦ para registrar las entradas del operario(a); en el panel también se encuentra el

cableado eléctrico y los elementos de protección, así como los variadores de velocidad de

los motores.

Figura 6. Esquema propuesta Nº 1. ♣

♦ Ver glosario. ♣ Creada por los autores.

38

El principal objetivo del sistema de sujeción es ubicar los envases de forma ordenada frente

a las boquillas, para ello ubicamos sensores y actuadores frente a estas, de tal forma que

cuando el envase se ubique enfrente, el actuador lo detenga, esto se realiza de forma

sucesiva hasta ubicar todos los envases, el actuador que se encuentra al inicio de la banda

se utiliza para detener y luego separa los envases que vienen para el siguiente ciclo. El

sensor ubicado después el sistema de sujeción, se encarga de evitar la congestión de la

banda; cuando este sensor se activa el proceso se pausara, hasta que el operario retire los

envases necesarios para que el sistema vuelva a funcionar correctamente.

El sistema de boquillas tiene por objeto llenar los envases, y para esto requiere de un

actuador que permite que las boquillas bajen hasta el interior del envase, y luego suba

lentamente para evitar la formación de burbujas de aire, además existe un motor ubicado en

la parte superior del sistema de boquillas, con el fin de establecer una altura inicial,

ampliando el rango de desplazamiento vertical y el rango de altura de los envases; la

apertura de las boquillas esta controlado por actuadores los cuales trabajan de forma

independiente para cada boquilla, permitiendo que la cantidad de envases a llenar sea

variable.

El sistema de bombeo esta conformado por bombas hidráulicas de engranes externos y un

motor que se acopla con estas, a través de un sistema de poleas y correas y también

mediante unos embragues eléctricos, además de unos encoder♦ que permiten la verificación

del giro en las bombas; el motor esta activado constantemente y es controlado por un

variador de velocidad para mantener esta constante, en el momento que se desea dosificar

el líquido, se activan los electro-embragues de tal forma que el motor queda acoplado a las

bombas y estas comienzan a bombear; la cantidad de liquido se regula por las revoluciones

de las bombas ya que estas, a velocidad constante bombean una cantidad de líquido por

♦ Ver glosario.

39

revolución, cuando se cumpla con la cantidad de giros programados se desactivan los

electro-embragues y se activa el freno eléctrico bloqueando las bombas.

PROPUESTA 2

Figura 7. Esquema propuesta Nº 2.♣

La diferencia principal de esta propuesta se encuentra en el sistema de sujeción, el cual se

describe a continuación.

El principal objetivo del sistema de sujeción es ubicar los envases de forma ordenada frente

a las boquillas, para ello ubicamos un sensor al inicio de la banda y otro a una distancia

determinada, esto se realiza para separar los envases y de tal forma que coincidan con la

distancia de las boquillas, cuando estos estén ubicados un actuador con una extensión como

la mostrada en la figura los detiene, el actuador que se encuentra al inicio de la banda se

♣ Creada por los autores.

40

utiliza para detener y luego separar los envases que vienen para el siguiente ciclo. El sensor

ubicado después el sistema de sujeción, se encarga de evitar la congestión de la banda;

cuando este sensor se activa el proceso se pausará, hasta que el operario retire los envases

necesarios para que el sistema vuelva a funcionar correctamente.

PROPUESTA 3

En esta propuesta, los ajustes se realizan manualmente, debido a que se cambió el sistema

de sujeción, por un mecanismo más simple, pero más efectivo que el descrito

anteriormente, en principio lo que se hizo fue una recopilación de las dos anteriores, para

optimizar el sistema. En la tabla comparativa se podrán apreciar sus ventajas y desventajas.

Figura 8. Esquema propuesta Nº 3.♣


41

FUNCIONALIDAD COSTO

PROPUESTA 1 Esta propuesta es muy funcional

y garantiza un funcionamiento

efectivo del sistema, aunque

requiere de un preajuste del

sistema antes de comenzar a

trabajar en la máquina. Fácil

programación del proceso en el

PLC♦.

Es muy alto, debido a la cantidad

de elementos involucrados en la

propuesta principalmente los

actuadores y sensores cuyo

precio en el mercado es bastante

alto. Además de un costo mayor

en labores de mantenimiento.

PROPUESTA 2 Es una propuesta de

automatización avanzada, pues

no requiere de ajuste mecánico

inicial del proceso, solo con

especificar que tipo de envase se

va a trabajar en el PLC♦ el

programa a través de tiempo

maneja el proceso de forma

eficiente, aunque requiere de alta

precisión.

El costo no es elevado, pues

consta de dos actuadores menos

y tres sensores menos que la

PROPUESTA 1, lo cual no solo

representa una disminución en la

inversión inicial, sino que

disminuye también el costo de

mantenimiento.

PROPUESTA 3 Es una propuesta muy simple

pero eficaz, a pesar de que se

requiere un preajuste mecánico

inicial del sistema. La

programación del PLC♦ ofrece

una ventaja en comparación a la

PROPUESTA 2.

No varía mucho respecto al

costo de la propuesta anterior,

tanto en la inversión inicial

como en el costo de

mantenimiento.

Tabla 1. Tabla comparativa de propuestas.

♦ Ver glosario

42

Una vez planteadas las diferentes propuestas, se han sometido las variables principales,

funcionalidad, programación, costo, a un análisis minucioso de costos – beneficio. La

primera propuesta, si bien ofrece una seguridad al sistema impecable, así como un proceso

de programación fácil y de una versatilidad muy buena en casos de futuras actualizaciones,

tiene un costo muy elevado debido a los elementos involucrados, por lo que esta propuesta

fue descartada. Entre la propuesta dos (2) y la tres (3) la selección se ha hecho teniendo en

cuenta, el factor programación, debido a que el costo de las mismas es casi similar; en la

propuesta dos (2) para realizar la programación, primero deben hacerse pruebas, para

registrar el tiempo que demora cada envase en activar el sensor a una velocidad

determinada de la banda transportadora y dicho dato relacionarlo con la selección que haga

el operario de la presentación a trabajar en el PLC♦, además de que cada nueva

presentación que decida crear la empresa deberá sufrir el mismo proceso e ingresar el dato

en el controlador. La propuesta tres (3) tiene un proceso mucho mas simple desde el punto

de vista programático, y aunque requiere de un ajuste mecánico inicial dependiendo de la

presentación que se vaya a trabajar, se ha considerado que esto no es un factor determinante

en el proceso, además en caso de la empresa cree una nueva presentación, no habría que

modificar la programación del PLC♦, por lo que esta ha sido la propuesta seleccionada

como la mejor.

9.2 DISEÑO MECÁNICO

Dado que uno de los objetivos de este proyecto es aumentar la producción de la máquina,

se debe implementar dos (2) boquillas adicionales de esta forma en un solo ciclo del

proceso se obtienen cuatro (4) productos. La implementación de las boquillas implica un

aumento del sistema de bombeo, por lo cual se deben seleccionar las bombas y diseñar los

elementos necesarios para su acople de acuerdo a las condiciones del sistema actual.

♦ Ver glosario.

43

Otro fase relevante del proceso es el manejo de un sistema de sujeción flexible con el cual

se pueda manejar diferentes envases, para ello se debe tener en cuenta un mecanismo que

garantice que los envases queden alineados con las boquillas y la banda transportadora.

El panel de control se debe diseñar de tal forma que pueda cubrir la necesidad de espacio y

ubicación de los elementos dentro de este, de esta manera se asegura la protección de los

elementos y la facilidad de conexión entre estos.

9.2.1 Potencia de las bombas.

Para el diseño mecánico es necesario conocer la potencia que requieren las bombas para su

funcionamiento adecuado. Debido a que la máquina no posee planos de estas bombas y las

mismas no tienen rótulos ni referencia, se llevaron a cabo varias pruebas para determinar

dicha potencia.

Inicialmente se tomaron mediciones de la corriente de armadura y de campo del motor en

vacío, a diferentes puntos, pues en el circuito de armadura existe un potenciómetro♦ lineal

para regular la velocidad del motor, los datos son los siguientes:

Potenciómetro

Posición Velocidad

50% 875 rpm

100% 1750 rpm

Tabla 2. Velocidad del motor a diferentes posiciones del potenciómetro.

♦ Ver glosario.

44

Voltajes Voltaje de armadura Voltaje de campo

Estados

108 Vdc (100%) 108 Vdc (100%) Vacío

53 Vdc (50%) 108 Vdc (50%)

108 Vdc (100%) 108 Vdc (100%) Carga

53 Vdc (50%) 108 Vdc (50%)

Tabla 3. Valores de voltaje en armadura y campo, con carga y al vacío.

Realizando mediciones de corriente, se puede registrar las variaciones que se presentan en

el sistema mecánico con carga y al vacío, para con esto proceder con el diseño de la

transmisión a usar.

Se obtuvieron los siguientes valores:

Corriente de armadura

Estados

1.42 Adc (100%) Vacío

1.18 Adc (50%)

1.58 Adc (100%) Carga

1.23 Adc (50%)

Tabla 4. Corriente de armadura en carga y en vacío.

Nota: los valores registrados son para una sola bomba.

45

Calculando la potencia requerida por bomba, expresada en kW, tenemos:

( )( )

WPVdcAAP

EcVIIP

28.1710842.158.1

1.*0

=−=

−=

Esta es la potencia que consume una bomba cuando esta trabajando. Teniendo en cuenta un

factor de seguridad de 4, para cubrir la diferencia entre densidades de las diferentes

presentaciones que se trabajan en la máquina, la prueba se realizó con agua, cabe notar que

la temperatura en el ambiente de trabajo es constante, se obtiene lo siguiente:

WWPWP

EcPP

6912.694*28.17

2.4*

1

1

1

≈===

9.2.2 Cálculo de poleas.

Debido a selección de la propuesta que contempla el uso de cuatro (4) electro-embragues,

con cuatro (4) sistemas de dosificación, se replanteará el sistema que existe actualmente,

mostrado a continuación.

Figura 9. Esquema del sistema de transmisión de potencia actual.♣


46

Nota: La polea uno (1) y dos (2) mostradas en el esquema, son iguales, así como la polea

tres (3) y cuatro (4). A y B hacen referencia a los electro-embragues encargados de entregar

la potencia a las bombas de engranes externos.

El nuevo sistema planteado es el siguiente:

Figura 10. Esquema del sistema de transmisión de potencia nuevo.♣

Nota: Las poleas (1) y dos (2) son de iguales dimensiones y son sencillas, las poleas tres

(3), cuatro (4), cinco (5) y seis (6) son de igual dimensión, con la excepción de que tres (3)

y cuatro (4) son poleas dobles.

Teniendo en cuenta las características del electro-embrague (E-E), denominado en la tabla

siguiente como EP-250.


47

Tabla 5. Potencia de los diferentes tipos de electro-embragues a varias velocidades. 11

Se observa que la máxima potencia que ofrece el mismo a las revoluciones de 875 rpm, es

de 1/3 HP, y a las revoluciones de 1750 rpm el E-E♦ ofrece una máxima potencia de ½ HP

aproximadamente, el diseño de las poleas se realizará teniendo en cuenta la potencia

calculada anteriormente de 69 W (0,094 HP).

La potencia del motor es de ¾ HP (551,624 W), así que asegurando que este puede ser

usado en el nuevo sistema, tenemos:

11 http://www.warnernet.com/smartcat/warnerweb/pdf_frame.asp?fileName=pdf.asp/ ElectroPack ♦ Ver glosario.

48

WPEcWP

276*43.69*4*4

1

1

==

Entonces comenzando con el cálculo de las poleas uno (1) y dos (2).

Características técnicas del motor actual.

MOTOR CARACTERÍSTICAS

Vel = 1750 rpm

Pot = ¾ HP

Corriente = 3.90 A

Voltaje = (108 – 208) V

Tabla 6. Características del motor.

Cálculos

Teniendo en cuenta los datos conocidos del sistema, como relación de velocidad, potencia

de entrada y velocidad de entrada, así como la distancia entre centros, realizamos los

cálculos necesarios para la selección de la polea uno (1) y dos (2), teniendo en cuenta

principalmente la carga permitida para cada tipo de correa mostrado en la tabla 7 de

correas de sincronización estándares para ISO♦.

Correas Síncronas ISO♦ 5296

TIPO p (Paso diametral/mm) b (ancho de correa/mm ) Fa (Carga permitida/N)

MXL 012 2.03 3.20 13

MXL 019 2.03 4.80 20

MXL 025 2.03 6.40 27

♦ Ver glosario.

49

XXL 012 3.17 3.20 14

XXL 019 3.17 4.80 22

XXL 025 3.17 6.40 31

XL 025 5.08 6.40 36

XL 031 5.08 7.90 44

XL 037 5.08 9.50 53

L 050 9.52 12.70 105

L 075 9.52 19.10 180

L 100 9.52 25.40 245

H 075 12.70 19.10 445

H 100 12.70 25.40 620

H 150 12.70 38.10 980

H 200 12.70 50.80 1340

H 300 12.70 76.20 2100

XH 200 22.22 50.80 2000

XH 300 22.22 76.20 3100

XH 400 22.22 101.60 4450

XXH 200 31.75 50.80 2500

XXH 300 31.75 76.20 3900

XXH 400 31.75 101.60 5600

XXH 500 31.75 127.00 7100

Tabla 7. Correas de sincronización estándares para ISO.12

Variables Significado

Z Numero de dientes.

P Paso diametral.

Dw Diámetro primitivo de la polea.

Da Diámetro exterior de la polea.

A Distancia entre centros.

12 ContiTech. CONTI SYNCHRODRIVE Synchronous Drive Belts. ContiTech Holdin GmbH, 2002. P. 8

50

Ht Altura de diente.

Q Factor de corrección de distancia entre centros, debido a Lz.

Lz Numero de dientes de la correa.

L Longitud de la correa.

Β Angulo de contacto.

M Masa presente en un metro de correa.

T Torque.

P Potencia de entrada.

N Velocidad de entrada.

I Relación de transmisión o de velocidades.

Η Eficiencia de transmisión.

V Velocidad tangencial.

F Fuerza tangencial.

FF Fuerza centrífuga.

FT Fuerza total de tensión.

Cp Factor de servicio.

KI Coeficiente de transmisión.

Fc Carga calculada.

Fa Carga permitida.

FP Carga permitida real.

CI Coeficiente de longitud de la correa.

Kz Factor de dientes en contacto.

zm Numero de dientes en contacto.

Tabla 8. Variables relacionadas en el diseño mecánico.

51

• Pasos a seguir con la rutina de cálculo.

Inicialmente se selecciona un tipo de correa estándar, y se realizan los cálculos, para

obtener parámetros que serán utilizados a través del proceso de diseño, como diámetros

primitivos, nueva distancia entre centros, ángulos de contacto y longitud de la correa, por

último se calculan todas las fuerzas presentes en el sistema correa – polea, las cuales se

comparan con un valor de carga predeterminado para cada tipo de polea, denominado

“carga permitida”, si el valor calculado es menor al valor permitido, entonces el sistema

correa – polea seleccionado no es el adecuado y se repite el proceso con un nuevo tipo

estándar.

Realizaremos un diseño preliminar teniendo en cuenta la correa estándar MXL 012 y si esta

no es la idónea, se repite el proceso con la polea siguiente en la tabla 7.

• Cálculo de diámetros

mm23.14dw141592.3

=mm2*22

π 014da −= 03.dw

dw

=

mm23.)Altura

=

p*z= dientede(htdwda −= Ec. 4 13 Ec. 5

mm72.13damm51.

Donde:

dw = Diámetro primitivo de la polea.

da = Diámetro exterior de la polea.

13 ContiTech., Op. cit., P. 25

52

Figura 11. Parámetros bases de la polea. ♣

Nota: Debido a que la polea de transmisión dos (2) es igual a la polea uno (1) ya que la

relación de velocidad lineal es uno (1), tenemos:

dw2 = dw1

da2 = da1

Inicialmente se definió una distancia entre centros de 190 mm por espacio y constitución

física de la máquina y seleccionando un número de dientes estándar de 60, es necesario

recalcular una nueva distancia entre centros, y se obtiene que:

mm61.38A 30.1930.19

mm30.19q)23.1423.14(12.003.2*60*25.0

)2dw1dw(12.0pLz25.0qdonde

)12dw(12.

2

22

=+=

=+π−=

+π−=

dw0qqA −−+= Ec. 6 14

Ec. 7 15

q

A Entonces

♣ Creada por los autores. 14 http://www.mechsoft.com/Design Knowledge/Synchronous Belt Component Wizard 15 Ibid. 10

53

Debido a que los diámetros primitivos de las poleas son pequeños, la nueva distancia entre

centros dista mucho de la definida inicialmente.

• Ángulos de contacto

º1801

021

54

cos

A22

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ β

⎠⎝=β

−π=β1dw2dw1cos −

=⎟⎞

⎜⎛ β 122 β−π=β Ec. 8 16 Ec. 9 17

º1802º18022

β

• Cálculo de la longitud de la correa

Ya teniendo la nueva distancia entre centros, A, se procede a calcular la longitud de la

correa, que se define como se muestra a continuación (esta expresión es utilizada debido a

que ambos ángulos de contactos son 180º).

mm92.121 L

223.1423.14607.38

223.14**L

22

2

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+π

=

⎠

⎞

⎝

⎛

⎠⎝

2dwdwA

2dw*2L 122

1211

⎟⎟

⎜⎜ ⎟

⎞⎜⎛ −

−+β

= Ec. 10 18

2

16 Ibid. 10 17 Ibid. 10 18 MECHSOFT, Op. cit.

• Calculo de torques y fuerzas

Potencia de entrada (P1)

Velocidad de entrada (n1)

Relación de transmisión o de velocidades (i)

Eficiencia de transmisión (η)

• Torque de entrada y salida

mN51.11T1750

kW28.0*300001T

1n1P30000

= Ec. 11 19

1T

=π

=

π

El torque en la polea dos (2) es el mismo, pero reducido por la eficiencia de transmisión (η)

del sistema, la cual es de 97 %20, entonces:

mN46.12T97.0*mN51.12T

12.Ec*1T2T

==

η=

19 MECHSOFT, Op. cit. 20 SHIGLEY, Op. cit., P. 1087.

55

• Fuerza tangencial

Velocidad tangencial.

s/m30.1v60000

v = rpm1750*22*mm03.2

6000011

=

nzpv = Ec. 13 21

Fuerza tangencial.

N68.211F s/m30.1kW28.0*1000

v1F

=

=

P1000=

Ec. 14 22

F

Fuerza centrifuga.

2

F vmF = Ec. 15 23

Donde m, es la masa presente en un metro de correa / m = 0.01 kg/m 24

( )N01.0F

sm30.1*mkg01.0F

F

2F

==

21 ContiTech, Op. cit., p. 27 22 MECHSOFT, Op. cit. 23 Ibid. 17 24 ContiTech, Op. cit., p. 8

56

La fuerza total de tensión

FFF FT += Ec. 16 25

N69.211F

N68.211N01.0

T

T

=+=F

Teniendo en cuenta el factor de servicio Cp.

Tipo de servicio

Intermitente Menos de 8 horas diarias

Normal Entre 8 y 16 horas diarias

Continuo Entre 16 y 24 horas diarias

Tabla 9. Tipo de servicio según cantidad de horas de trabajo.

Para bombas de engranes externos el factor en combinación con el tipo de servicio continuo

es:

Cp = 1.70 26

Para comprobar si la polea seleccionada es la correcta, es necesario comprobar si la carga

permitida por el sistema correa – polea (tabla 7) es mayor que la carga calculada

garantizando así que dicho sistema sea el idóneo.

• Carga calculada.

( ) FIPC FKCFF ++= Ec. 17 27

25 MECHSOFT, Op. cit. 26 GOODYEAR. Catalogo: Calculo y Recomendaciones para Correas Multi – V3-T, 2002. Tabla 1,2 y 3 27 MECHSOFT, Op. cit.

57

Donde:

KI: Coeficiente de la transmisión.

i KI

1.00 – 1.24 0.00

1.25 – 1.74 0.10

1.75 – 2.49 0.20

2.50 – 3.49 0.30

3.50 y mas 0.40

Tabla 10. Coeficiente de transmisión basado en la relación de velocidad.28

( )N87.359F

N01.0070.1N68.211F

C

C

=++=

• Carga permitida real

Kz*C*FaF IP = Ec. 18 29

Donde:

CI: Coeficiente de longitud de la correa (tabulado/por lo general es 1). 30

Kz: Factor de dientes en contacto, el cual se obtiene mirando la tabla siguiente:

28 ContiTech, Op. cit., p. 25 29 MECHSOFT, Op. cit. 30 Ibid. 24

58

zm 6 y mas 5 4 3 2

Kz 1 0.80 0.60 0.40 0.20

Tabla 11. Factor de dientes en contacto.31

360zzm

β= Ec. 19 32

1 Kz que loPor

11z36018022z

m

m

=

=

=

N13F1*1*N13FKz*C*FaF

P

P

IP

===

Comparando, la carga calculada con la carga permitida real, es fácil ver que el tipo de polea

estándar seleccionada no sirve para satisfacer las condiciones de diseño.

PFFc >>

El proceso anterior se repite para los diferentes tipos de poleas estándar relacionadas en la

tabla 7.

A continuación se muestra el proceso seguido en el diseño del sistema correa – polea que

cumple con las condiciones de diseño planteadas en el proceso.

31 Ibid. 24 32 Ibid. 24

59

Polea estándar L050

El número de dientes ha sido replanteado, teniendo en cuenta que al aumentar esta cantidad

en unas cuantas unidades, es posible disminuir la fuerza calculada del sistema, lo cual

brinda mayor versatilidad al sistema.


mm83.78dw141592.3

mm52.9*26dw

p*zdw

=

=

π=

mm07.78da

mm76.0mm83.78da)dientedeAltura(htdwda

=−=

−=

Inicialmente se definió una distancia entre centros de 190 mm por espacio y constitución

física de la máquina y seleccionando un número de dientes estándar de 60, es necesario

recalcular una nueva distancia entre centros, y se obtiene que:

mm92.161A96.8096.80A

Entonces2

=+=

mm96.80q)83.7883.78(12.052.9*60*25.0q

)2dw1dw(12.0pLz25.0q

donde,)1dw2dw(12.0qqA 22

=+π−=

+π−=

−−+=

60


º1801

021cos

A21dw2dw

21cos

=β

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ β

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ β

º1802

º18022122

=β−π=ββ−π=β



correa, que se define como se muestra a continuación (esta expresión es utilizada debido a

que ambos ángulos de contacto son 180º).

mm50.571L

283.7883.78924.161

283.78**2L

2dwdw

A2dw

*2L

22

2122

1211

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+π

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+β

=

• Calculo de torques y fuerzas





61

• Torque de entrada y salida.

mN51.11T1750

kW28.0*300001T

1n1P300001T

=π

=

π=

El torque en la polea dos (2) es el mismo, pero reducido por la eficiencia de transmisión (η)

del sistema, la cual es de 97 %33, entonces:

mN46.12T97.0*mN51.12T

*1T2T

==

η=

• Fuerza tangencial

Velocidad tangencial

s/m22.7v60000

rpm1750*26*mm52.9v

600001n1zpv

=

=

=

33 SHIGLEY, Op. cit., P. 1087.

62

Fuerza tangencial.

N21.38Fs/m22.7kW28.0*1000F

v1P1000F

=

=

=

Fuerza centrifuga.

( )N55.3F

sm22.7*mkg07.0F

abulado)un valor t(en correa demetroun en presente masa la es m, donde

,vmF

F

2F

2F

==

=


N76.41FN21.38N55.3F

FFF

T

T

FT

=+=

+=

Factor deservicio

Cp = 1.70


( ) FIPC FKCFF ++=

63

Donde:


( )N51.68F

N55.3070.1N21.38F

C

C

=++=


Kz*C*FaF IP =

Donde:

CI: Coeficiente de longitud de la correa (tabulado/por lo general es 1).

Kz: Factor de dientes en contacto, el cual se obtiene mirando la tabla 11:

360zzm

β=

1 Kz que loPor

13z36018026z

m

m

=

=

=

N105F

1*1*N105FKz*C*FaF

P

P

IP

===

• CP FF >

64

El diseño realizado, basado en la polea L 050 según designación ISO♦ 5296, es correcto y

esta polea sirve para los propósitos establecidos en el proceso.

• Calculando los elementos restantes (poleas 3,4,5 y 6) del sistema mecánico se procede

de la misma forma en que se han calculado los anteriores.

Se ha seleccionado la polea estándar L050 según denominación de la ISO♦.


mm70.66dw141592.3

mm52.9*22dw

p*zdw

3

3

3

=

=

π=

mm94.56da

mm76.0mm70.66daudwda

3

3

3

=−=

−=

Donde:

dw = Diámetro pitch de la polea.

da = Diámetro exterior de la polea.

Nota: Debido a que la polea de transmisión tres (3) es igual a la polea cuatro (4), así como

igual a la polea cinco (5) y seis (6), pues la relación de velocidades no puede ser diferente a

uno(1), porque es obligatorio que todas las bombas giren a la misma velocidad, entonces se

tiene:

dw6 = dw5 = dw4 = dw3

da6 = da5 = da4 = da3

♦ Ver glosario

65

Por ahora se trabajará con el par de poleas tres (3) y cuatro (4), las cuales son dobles.

Para la correa estándar L 050 de la ISO♦ se tabula un número de dientes de 60, entonces

calculando la nueva distancia entre centros, se obtiene que:

( )mm98.180A

mm49.90mm49.90A

Entonces

mm49.90q)mm70.66mm70.66(12.052.9*60*25.0q

)3dw4dw(12.0pLz25.0q

donde,)3dw4dw(12.0qqA

2

22

=

+=

=+π−=

+π−=

−−+=


º1803

023cos

A23dw4dw

23cos

=β

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ β

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ β

º1804

º18024324

=β−π=ββ−π=β



correa.

♦ Ver glosario.

66

( )

mm50.571L

2mm70.66mm70.66mm97.180

2mm70.66**2L

2dwdw

A2dw

*2L

22

234233

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+π

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+β

=

• Cálculo de torques y fuerzas





• Torque de entrada y salida.

mN13.13T*rpm1750kW21.0*300003T

3n3P300003T

=π

=

π=

El torque en la polea cuatro (4) es el mismo, pero reducido por la eficiencia de transmisión

(η) del sistema, la cual es de 97 %34, entonces:

mN10.14T97.0*mN13.14T

*3T4T

==

η=


67

Fuerza tangencial

Velocidad tangencial

s/m11.6v60000

rpm1750*22*mm52.9v

600003n3zpv

=

=

=

Fuerza tangencial

N87.33Fs/m11.6kW21.0*1000F

v3P1000F

=

=

=

Fuerza centrifuga.

( )N2.54F

sm11.6*mkg07.0F

abulado)un valor t(en correa demetroun en presente masa la es m, donde

,vmF

F

2F

2F

==

=

68


N41.36FN87.33N54.2F

FFF

T

T

FT

=+=

+=

Factor de servicio

Cp = 1.70


( ) FIPC FKCFF ++=

Donde:


( )N12.60F

N54.2070.1N87.33F

C

C

=++=


Kz*C*FaF IP =

Donde:

CI: Coeficiente de longitud de la correa (tabulado/por lo general es 1).

Kz: Factor de dientes en contacto.

360zzm

β=

69

10) tablalaen (Apoyados 1 Kz que loPor

11z36018022z

m

m

=

=

=

N105F1*1*N105F

Kz*C*FaF

P

P

IP

===

• CP FF >

El diseño realizado, basado en la polea L 050 según designación ISO♦ 5296, es correcto y

esta polea sirve para los propósitos establecidos en el proceso.

Ver ANEXO A. Características del sistema correa – polea L050

9.2.3 Cálculo de tornillos

En la estructura mecánica, existen tornillos de agarre que están sometidos a una fuerza

cortante la cual se considera crítico para dichos sujetadores. Se ha realizado una

preselección de estos tornillos por diseño y por aprovechamiento del espacio que se tiene

disponible en la estructura y a continuación se procederá a comprobar si estos son capaces

de soportar las fuerzas a las que están sometidos.

Referencia Cantidad Longitud

M5x1.75

8 20 mm

Tabla 12. Tornillos preseleccionados.

♦ Ver glosario.

70

Se ha utilizado un programa CAD♦ (Solid Works 2005) por facilidad de desarrollo para

ubicar el centro de masa de los elementos en conjunto que soportan los tornillos,

obteniendo también el peso general, basados en la densidad de los elementos, así como en

su volumen.

Variable Significado.

F Fuerza cortante principal.

F’ Fuerza cortante primaria.

F’’ Fuerza cortante secundaria.

F’’’ Fuerza cortante terciaría.

M Momento causado por una fuerza alrededor de un eje determinando.

rx Radio desde x a un punto de referencia.

rn/m Radio desde un punto n hasta un punto m, ubicados en un mismo plano.

Fx, Fy, Fz Fuerza en el plano al que hace referencia el subíndice.

Fc Fuerza cortante resultante en los tornillos.

As Área transversal en la sección roscada del tornillo.

Τ Esfuerzo cortante real.

FS Factor de seguridad.

τ D Esfuerzo cortante de diseño.

Tabla 13. Variables relacionadas con el diseño de tornillos.

71

Figura 12. Distribución de los tornillos que sujetan la estructura y ubicación del centro de

masa.♣

La longitud de los segmentos mostrados en la figura, denominados como A, B, C son las

siguientes:

A = 376 mm

B = 285 mm

C = 143.80 mm

El punto P representa el centro de masa de la estructura que soportan los tornillos y en el

cual se ubica un peso de 24.78 Kg (243.02 N).

• Calculando la fuerza cortante primaria a la que están sometidos los tornillos, se dice

que:


72

Fuerza cortante primaria: F’

N28.30'F;

8N02.243'F;

8F'F ===

La fuerza secundaria, producto de los momentos que causa la fuerza principal se expresa de

la siguiente forma:

20.Ec

....rrrrM''F 2

C2

B2

A

n

++=

Donde el subíndice n se refiere al tornillo cuya carga particular se va a determinar.

• Para determinar los momentos a los que están sometidos cada pareja de tornillos se

realiza un análisis vectorial, para facilitar el proceso posterior.

En D En E

( ) ( kmN63.34imN68.45M

002.2430188.01438.01425.0kji

M

FzFyFxzyx

kjiM

FxrM

E

E

E/PE/PE/PE

E/PE

+=

−−=

=

=

)

( ) ( kmN63.34imN68.45M

002.2430188.01438.01425.0kji

M

FzFyFxzyx

kjiM

FxrM

D

D

D/PD/PD/PD

D/PD

−=

−=

=

=

)

73

En F En G

( ) ( kmN63.34imN68.45M

002.2430188.01438.01425.0

kjiM

FzFyFxzyx

kjiM

FxrM

F

F

F/PF/PF/PF

F/PF

+−=

−−−=

=

=

) ( ) ( kmN63.34imN68.45M

002.2430188.01438.01425.0

kjiM

FzFyFxzyx

kjiM

FxrM

G

G

G/PG/PG/PG

G/PG

−−=

−−=

=

=

)

Estos momentos están ejercidos en el centro de los dos tornillos, como se muestra en la

siguiente figura (pareja de tornillos ubicada en G).

Figura 13. Distancia entre tornillos.♣

Donde r = 8.33 mm / 2r = 16.66 mm


74

• Fuerza secundaria.

Para obtener la fuerza secundaria existente en cada tornillo, se hace uso de la Ec. 20 y con

la cual se obtiene lo siguiente:

En D

N63.2078''Fm01666.0mN63.34''F

r2M

r2r*M''F

:entonces ,rr que cuentaen teniendo;rrr*M''F

D

D

1D

DZ2

1D

1DDZD

2DD122D

21D

1DDZD

=

=

==

=+

=

Como la configuración en cada uno de los pares de tornillos es la misma, la fuerza

secundaria es la misma en todos ellos.

• Fuerza terciaria.

( ) ( )mm08.11r

mm33.8mm3.7r 22

=

+=

75

Figura 14. Fuerza terciaria causada por el momento alrededor del eje x.♣

N37.2061'''Fm02216.0mN68.45'''F

r2M

r2r*M'''F

:entonces ,rr que cuentaen teniendo;rrr*M'''F

D

D

1D

DX2

1D

1DDXD

2DD122D

21D

1DDXD

=

=

==

=+

=

Graficando las fuerzas primarias, secundarias y terciarias con el propósito de determinar

cual de los dos (2) tornillos (en el punto G, en este caso), esta sometido a mayor fuerza

cortante.


76

Se denominará como uno (1) el tornillo que está más alejado de la fuerza principal (243.02

N) y así en las cuatro (4) parejas de tornillos.

Realizando una sumatoria de fuerzas en y tenemos que:

N28.4170FN37.2061N63.2078N28.30F

'''F''F'FF

0Fy

1G

1G

1G1G1G1G

1G

−=−−−=

−+−=

=∑

N02.13FN37.2061N63.2078N28.30F

'''F''F'FF

0Fy

2G

2G

2G2G2G2G

2G

−=−+−=

−−−=

=∑

Figura 15. Diagrama de fuerzas en el punto G y sus respectivos tornillos. ♣

Se puede notar que el tornillo exterior es el encargado de soportar gran parte de la carga,

aunque por geometría los ocho (8) tornillos se seleccionan con la misma configuración.

La máxima fuerza cortante que se presenta en los tornillos, es de 4170.28 N.


77

Se ha asumido una longitud del tornillo de 20 mm, el ancho de la lámina intermedia es de

12.7 mm, por lo que el esfuerzo cortante se da sobre la parte roscada del tornillo.

Esfuerzo cortante real Factor de seguridad

( )

MPa44.212m10x63.19

N28.4170

m10x63.194

m005.0A

AF

26

262

s

s

C

=τ

=τ

=π

=

=τ

−

−

2FS =

Esfuerzo cortante de diseño

MPa88.424MPa44.212*2

*FS

D

D

D

=τ=τ

τ=τ

Nota: El factor de seguridad se ha seleccionado de dos (2), debido a que es lo considerado

correcto para el tipo de carga a la que esta sometida el tornillo, la cual es una carga

estática.35

Observando en la tabla siguiente para la clase de propiedad 9.8, se puede notar que la

resistencia mínima de fluencia, tiene valor de 720 Mpa, superando el valor del esfuerzo

cortante de diseño de 424.88 Mpa, por lo que la selección realizada inicialmente (tabla 12.)

es correcta.


78

Clase de

propiedad

Intervalo

de

tamaños,

inclusive

Resistencia

mínima de

prueba, †

MPa

Resistencia

de tensión

mínima, †

MPa

Resistencia

mínima de

fluencia, †

MPa

Material Marca

en la

cabeza

4.6 M5-M36 225 400 240 Acero al

bajo o

medio

carbono

4.8 M1.6-M16 340 420 340 Acero al

bajo o

medio

carbono

5.8 M5-M24 380 520 420 Acero al

bajo o

medio

carbono

8.8 M16-M36 600 830 660 Acero al

medio

carbono, T

y R

9.8 M1.6-M16 650 900 720 Acero al

medio

carbono, T

y R

79

10.9 M5-M36 830 1040 940 Acero

martensíti

co al bajo

carbono, T

y R

12.9 M1.6-M36 970 1220 1100 Acero de

aleación,

T y R

Tabla 14. Clases métricas de propiedad mecánica para pernos, tornillos y birlos de acero. 36

9.2.4 Selección de las bombas y su sistema de acople

Como se ha mencionado con anterioridad en el marco teórico, las bombas de engranes

externos son muy funcionales, porque no ocupan mucho espacio y a altas revoluciones

pueden desplazar gran cantidad de fluido.

La máquina actualmente posee bombas de engranes externos, que vienen originalmente con

esta.

Características de las bombas:

Caudal: 12 l / min.

Revoluciones: 1750 rpm.

Material de la camisa: Acero 316 L.

Material de los engranes: teflón.


80

Normas Características, técnicas y aplicaciones

USA/

SAE♦/AISI♦Alemania

W.St.N°

316L 4404

Código

Color

Acero inoxidable austenítico al Cr, Ni, Mo, del tipo

18/10. Estabilizado al carbono, insensibilidad a la

corrosión intercristalina en soldaduras, no necesita

tratamientos térmicos post-soldadura. Mejor aptitud a la

deformación en frío y obtención de altos grados de

pulimento, lo que permite una mayor resistencia a los

ácidos comúnmente empleados en la industria.

Tabla 15. Características, técnicas y aplicaciones del acero 316 L.37

Inicialmente se ha realizado una búsqueda en el mercado nacional y observando las ofertas

existentes de dichos dispositivos, para comparar costos y rendimientos, además de una

garantía nacional. Aunque existen ciertas empresas que venden o importan este tipo de

dispositivo, ninguna las ofrece con las especificaciones de material de las bombas

originales.

Figura 16. Bomba de engrane externo doble MANNESMANN REXROTH, con conexión

común de aspiración. 38

♦ Ver glosario. 37 http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/aceros/sabimet.html 38 MANNESMANN REXROTH. Catalogo: Bombas de engranajes con dentado externo tipo G2, serie 4X, 2001. p 1

81

Este tipo de bomba ofrece la posibilidad de reducción de espacio, pues presenta una

conexión común de aspiración, aunque a su vez esto representa una desventaja, porque

limita al proceso en cuanto a la cantidad de envases que se van a trabajar, siendo dos (2) la

cantidad mínima a trabajar y cuatro (4) la máxima, sin la posibilidad de poder alternar entre

uno (1) y tres (3) envases. Además el inconveniente del material antes mencionado,

también está presente en dichas bombas, por lo que se han descartado como opción viable

en el proyecto.

En tal caso, la opción que surge es asistir a un centro de mecanizado para obtenerlas en

dichos materiales, pero el costo es muy elevado como para justificar esta opción, por lo que

la primera es solicitar la importación con el fabricante original de la máquina.

En cuanto al sistema de acople, se ha decidido usar el existente. Dicho acople se denomina

acople dentado, el cual se emplea en situaciones de servicio ligero, relacionando esto con la

potencia a transmitir de dicho acople, que no alcanza siquiera ½ HP, en este caso en

particular. Este acople es muy sencillo en su concepción y no permite desalineación angular

(esta aplicación particular tampoco lo requiere).

Figura 17. Acoplamiento dentado para servicio ligero.39


82

Diseño de los elementos requeridos en el montaje de las bombas.

Para el montaje de las bombas se ha decidido optar por una configuración de cuadro como

se muestra en la siguiente figura.

Figura 18. Montaje de las bombas y distribución de los tornillos.♣

Las bombas traen consigo su propio sistema de ajuste, el cual viene especificado para

lámina, con la disposición como se ve en la figura anterior.

El punto O es el centroide de los tornillos. El punto E es el centro de masa de la estructura,

cuyo peso total es de 17.53 kg, teniendo en cuenta la fuerza que ejercen las mangueras de

entrada cuando se encuentran llenas de agua.

Teniendo en cuenta un factor de seguridad (1.05); factor contemplado para cuando la

empresa decida trabajar en la máquina, presentaciones que actualmente no se encuentran en

producción, las cuales siendo mas densas (como gel o bálsamos especiales) agregan dicha


83

diferencia de peso en las mangueras, las cuales están conectadas al sistema de soporte de

las bombas; tenemos un peso de diseño de 18.41 kg.

F = 18.41 kg = 180,54 N

En la figura 18. Podemos ver como están distribuidos los pernos a utilizar para sujetar la

estructura.

Referencia Cantidad Longitud

M6x1.75

4 60 mm

Tabla 16. Pernos preseleccionados para el sujetar la estructura de las bombas.

La metodología a seguir será la misma que la seguida en el cálculo de los tornillos de la

estructura principal, se calcula la fuerza cortante a la que están sometidos los pernos y

luego se compara con la fuerza cortante que soportan los pernos preseleccionados.

Calculando el momento que causa la fuerza principal en el centroide de los tornillos se

obtiene lo siguiente:

( ) kmN773.1M

054.180000144.00098.0kji

M

FzFyFxzyx

kjiM

FxrM

O

O

O/EO/EO/EO

O/EO

−=

−=

=

=

84

La longitud de los segmentos es la siguiente:

rmm110ODOCOBOA =====

• Hallando la fuerza cortante primaria a la que están sometidos los pernos, se dice que:

• Fuerza cortante primaria: F’

N14.45'F;4

N54,180'F;4F'F ===


Para obtener la fuerza secundaria existente en los pernos A,B,C y D se hace uso de la Ec.

20 y con la cual se obtiene lo siguiente:

DCBA

A

O2

OA

DCBAD

2C

2B

2A

2AO

A

''F''F''FN03.4''Fm44.0

mN773.1''F

r4M

r4r*M''F

:entonces ,rrrrr que cuentaen teniendo;rrrr

r*M''F

====

=

==

====+++

=

Graficando las fuerzas primarias y secundarias con el propósito de determinar cual de los

cuatro (4) pernos, esta sometido a mayor fuerza cortante.

85

Figura 19. Fuerzas primarias y secundarias a la que están sometidos los pernos.♣

• Realizando una sumatoria de fuerzas en y en los casos requeridos y hallando la

magnitud en los necesarios, se tiene:

N11.41FN03.4N14.45F

''F'FF

0Fy

A

A

AAA

A

−=+−=

+−=

=∑

( ) ( )( ) ( )

N32.45FN03.4N14.45F

''F'FF

B

22B

2B

2BB

=

+=

+=

N17.49FN03.4N14.45F

''F'FF

0Fy

C

C

CCC

C

−=−−=

−−=

=∑

( ) ( )( ) ( )

N32.45FN03.4N14.45F

''F'FF

D

22D

2D

2DD

=

+=

+=

El perno en C es el que soporta la mayor carga cortante, por lo que el análisis final se

trabaja con dicha carga.


86

Se ha asumido una longitud del perno de 60 mm y una longitud de la rosca de igual

dimensión para prever actualizaciones en las cuales sea necesario ajustar mas el acople o

realizar otro tipo de reforma, por lo que el esfuerzo cortante se da sobre la parte roscada del

perno.


( )

MPa74.1m10x27.28

N17.49

m10x27.284

m006.0A

AF

26

262

s

s

C

=τ

=τ

=π

=

=τ

−

−

FS = 240


MPa48.3MPa74.1*2

*FS

D

D

D

=τ=τ

τ=τ

Remitiéndose a la tabla 14, observando el intervalo de M5-M36, se puede notar que la

resistencia mínima de fluencia, tiene valor de 240 MPa, superando el valor del esfuerzo

cortante de diseño en exceso, lo cual arroja que el diseño se encuentra sobredimensionado,

se ha escogido este tipo de perno, debido a que son elementos que forman parte de la

máquina en su estado actual.

Sin embargo se realizará el diseño nuevamente teniendo en cuenta otro tipo de

configuración y la utilización de menos pernos.


87

Suponiendo que solo estuvieran los pernos A y C, se ve lo siguiente:

Figura 20. Distribución de fuerzas con dos pernos. ♣

• Fuerza primaria.

N27.90'F2

N54.180'F,2F'F ===


CA

A

O2

OA

CAC

2A

2AO

A

''FN06.8''Fm22.0

mN773.1''F

r2M

r2r*M''F

:entonces ,rrr que cuentaen teniendo;rrr*M''F

==

=

==

==+

=

• Fuerza total.


88

N21.82FN06.8N27.90F

''F'FF

A

A

AAA

−=+−=

+=

N33.98FN06.8N27.90F

''F'FF

C

C

CCC

=−−=

+=


FS = 2 41

( )

MPa47.3m10x27.28

N33.98

m10x27.284

m006.0A

AF

26

262

s

s

C

=τ

=τ

=π

=

=τ

−

−


MPa94.6MPa47.3*2

*FS

D

D

D

=τ=τ

τ=τ

Se nota que el valor aumentó solo el doble y la diferencia entre los valores tabulados y el de

diseño sigue siendo de más de 200 MPa, por lo que se usará la primera configuración

diseñada (cuatro (4) tornillos) y así se le sacará provecho a los materiales con los que ya se

cuenta en la máquina en su estado actual.


89

9.3 ANÁLISIS ESTRUCTURAL.

A continuación se llevará a cabo un análisis de esfuerzo y deformación para observar, como

se comporta la estructura que soporta el sistema mecánico y determinar que mejoras se

podrían realizar.

Figura 21. Estructura de soporte del sistema mecánico.♣

En gran parte la estructura esta compuesta por aleación de aluminio 6061, material dúctil,

estos cederán de forma local, en los concentradores de esfuerzos (como ángulos rectos).

Cuando un material, como al aluminio, cede localmente, su curva de esfuerzo-deformación

local se hace no lineal y de pendiente reducida, lo que impide un incremento significativo

adicional de esfuerzos en dicho punto.


90

9.3.1 Esfuerzo equivalente (von Mises)

Este esfuerzo, permite, representar los esfuerzos tridimensionales, en un solo valor positivo

de esfuerzo. Esto es usado generalmente para predecir el rendimiento de un material dúctil,

bajo una carga estática.

Figura 22. Esfuerzo equivalente (Esfuerzo von Mises)♣

Como se puede observar en la figura 22, el esfuerzo máximo se presenta en uno de los

tornillos (Parte 29, consultar ANEXO B), el valor que se registra con el análisis estructural

es de 958.10 MPa.


91

En la sección de cálculo de tornillos, al realizar el diseño de los mismos, se obtuvo que los

tornillos debido al esfuerzo cortante al que están sometidos, podrían ser de clase de

propiedad 9.8, pero con este análisis, vemos que el comportamiento de la estructura somete

a uno de ellos a un esfuerzo equivalente de 958.10 Mpa, por lo que se decide utilizar unos

tornillos, clase de propiedad 12.9.

Figura 23. Vista ampliada del punto de mayor concentración de esfuerzo en la estructura.♣

La figura 24 muestra como se comportará la estructura al someterla a una carga mayor,

siendo los tornillos los puntos primarios de falla, al ser estos, intensificadores de esfuerzos,

por su cambio de geometría tan brusco, en toda su extensión.


92

Figura 24. Esfuerzo equivalente (Escala aumentada)♣

9.3.2 Máximo y mínimo esfuerzo a cortante

Esto permitirá observar que elemento de la estructura esta sometido a mayor esfuerzo

cortante y determinar alguna acción respecto a esto en caso de ser necesario.

Como se puede ver en la figura 25, bajo el esfuerzo máximo cortante también se encuentra

el tornillo, ya antes mencionado (Parte 29, ver ANEXO B), ante tal situación, se decidió

cambiar la clase de propiedad de este elemento a 12.9.


93

Figura 25. Esfuerzo cortante, máximo y mínimo. ♣

9.3.3 Deformación total

La deformación total, ayuda a evaluar el comportamiento de la estructura y permite al

diseñador, ubicar puntos críticos en cuanto a deformaciones y definir las acciones

necesarias para corregirlas.

La deformación de la estructura, como es visible, presenta pocas áreas con deformaciones

críticas, con valores de deformación máxima de 0.15 mm y con regiones con ausencia de

deformaciones.


94

Figura 26. Deformación total en la estructura de soporte del sistema mecánico.♣

A pesar de ser una deformación de pocas fracciones de milímetro, un incremento en la

carga podría generar una deformación de varios milímetros, lo cual ya no seria permisible,

pues ciertos elementos de la estructura, contribuyen al buen funcionamiento del sistema

mecánico, como lo son las bases de los electro-embragues, las cuales deben ayudar a

conservar la alineación del sistema correa-polea y con esto también evitar cargas

adicionales al motor.


95

Figura 27. Deformación total en la estructura de soporte del sistema mecánico (Escala

aumentada)♣

Figura 28. Vista de apoyo de la deformación total de la estructura.♣


96

9.3.4 Factor de seguridad

En esta sección, se vera un resumen analítico de todo el proceso anterior, pues se determina

cual es el elemento o área más critica, teniendo en cuenta todos los criterios estudiados

anteriormente, esfuerzo equivalente, máximo y mínimo esfuerzo a cortante y deformación

total.

Nota: El análisis se realizó con el tornillo clase de propiedad 9.8, por esto el programa lo

muestra aun como el punto más crítico.

Sugerencia: Para poder observar mejor los valores de las leyendas, remitirse al ANEXO B.

Figura 29. Factor de seguridad a través de la estructura. ♣


97

La gran mayoría de la estructura, esta protegida por un factor de seguridad, entre cinco (5)

y diez (10), pero el punto, donde este factor es mínimo, es en el mismo punto mencionado

anteriormente, el tornillo que soporta el mayor esfuerzo equivalente, así como el mayor

esfuerzo cortante. En la siguiente figura esto se puede apreciar mejor.

Figura 30. Vista ampliada de la sección con menor factor de seguridad en la estructura.♣

9.4 DISEÑO NEUMÁTICO

El sistema neumático debe ser reajustado teniendo en cuenta la fuerza requerida para el

trabajo que se va a realizar, ya que se agregaran nuevos elementos neumáticos dentro del

proceso que entran a cumplir funciones inexistentes en el proceso actual; la labor del

sistema neumático tiene gran peso en el sistema de sujeción.


98

El diseño neumático se inicia a partir de los movimientos necesarios en el proceso, así

como de los elementos actuales, estos se muestran en la Tabla 17:

Cantidad Elemento Descripción

2 Actuador doble efecto Abre o cierra el sistema de boquillas

1 Actuador doble efecto Sube y baja las boquillas

1 Actuador doble efecto Detiene los envases en la banda

1 Válvula monoestable

220VAC

Controla el actuador de subida y bajada de

boquillas


220VAC

Controla el actuador de la banda


120VAC

Controla los actuadores de las boquillas

Tabla 17. Elementos neumáticos presentes en la máquina.

El sistema neumático inicia con una alimentación de seis (6) bar los cuales son

suministrados por la planta; a continuación se encuentra la unidad de mantenimiento (FRL)

con válvula de corte manual, posterior a esto se encuentra el bloque de válvulas sobre el

cual están situadas 8 electroválvulas 5/2 monoestables retorno por fuelle, las

electroválvulas son el elemento de control sobre los actuadores neumáticos.

Los actuadores faltantes son dos (2) de las boquillas nuevas y dos (2) del sistema de

sujeción; los de las boquillas hacen parten de un conjunto el cual se consigue de forma

comercial, los actuadores del sistema de sujeción deben tener una carrera 100 mm, con el

fin de detener los envases que circulan sobre la banda transportadora la cual tiene un ancho

de 135 mm.

99

La fuerza requerida por los actuadores de sujeción es baja, ya que estos solo detienen los

envases obstaculizando su paso.

La descripción de los elementos y sus características se muestran en la Tabla 18:

Etiqueta Elemento Características Descripción

1-1ª1 Actuador de doble efecto A ∅=50mm,L=200mm Subir y bajar boquillas

1-1ª2 Actuador de doble efecto B1 ∅=15mm,L=100mm Sujeción de envases

1-1ª3 Actuador de doble efecto B2 ∅=15mm,L=100mm Sujeción de envases

1-1ª4 Actuador de doble efecto C ∅=15mm,L=100mm Separador de envases

1-1ª5 Actuador de doble efecto D1 ∅=20mm,L=15mm Boquilla 1




1-1V1 Válvula 5/2 NC Solenoide /fuelle Activación Actuador A

1-1V2 Válvula 5/2 NC Solenoide / fuelle Activación Actuador B1

1-1V3 Válvula 5/2 NC Solenoide / fuelle Activación Actuador B2

1-1V4 Válvula 5/2 NC Solenoide / fuelle Activación Actuador C

1-1V5 Válvula 5/2 NC Solenoide / fuelle Activación Actuador D1




Z0 Unidad de mantenimiento (FRL)

Tabla 18. Elementos neumáticos

Las conexiones y distribución del sistema neumático se muestran en el Plano sistema

Neumático.

100

9.5 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR

Un aspecto revelante en esta fase es la selección del PLC♦, ya que este debe cumplir con

todas las funciones necesarias en el proceso además debe ser un controlador que brinde la

posibilidad de expansión, y comunicación a PC, esto con el fin de realizar trabajos futuros

en red y bases de datos.

La mejor opción, es utilizar un PLC♦ con HMI♦ integrada, lo cual facilita la programación,

ya que convencionalmente esta se realiza por separado para cada elemento, además el

precio de adquisición no es muy alto. Comercialmente existe el OPLC de Unitronics de

referencia M91-2-R1 (Ver Figura 31) junto con la expansión IO-DI8-R04 y IO-R08. De los

cuales se anexa la tabla de características técnicas y conexiones eléctricas del OPLC.

Figura 31. OPLC M91-2-R1♣

El lenguaje de programación utilizado es KOP (contactos), para algunos casos se utiliza

AWL (listado de instrucciones) para el manejo de las bases de datos. Las entradas y salidas

se especifican en las tablas 19 a 23 Conjunto de entradas y salidas y de conexiones del

PLC♦ y expansiones.

♦ Ver glosario ♣ Creada por los autores.

101

Tabla 19. Conjunto de entradas al PLC M91-2-R1

Conjunto Borne Caja de distribución PLC♦

No. Etiqueta Denominación 24V 0V XQ1 24V 0V XK1 Borne Dir.

1 1-1B4 HSC 1 XS1.1 XS2.1 XQ1.1 X1.10 X2.4 XK1.3 I0 I0

2 I1 I1


4 I3 I3


6 I5 I5

7 1-1S0 Paro Emergencia - - - - X2.6 XK1.0 I6 I6

8 1-1S1 Arranque - - - - X2.5 XK1.1 I7 I7

9 1-1S2 Paro - - - - X2.6 XK1.2 I8 I8

10 I9 I9

1L+ Alimentación 24V - - - X1.00 - X1.00 +V

M Puesta en Tierra - - - - X2.0 X2.0 0V

Conjunto Borne Caja de distribución Expansión 1No. Etiqueta Denominación

24V 0V XQ1 24V 0V XK1 Borne Dir.

11 1-1B1 Sensor de Separación - - - X1.11 X2.1 XK1.7 I0 I32

12 1-1B2 Sensor de Sujeción - - - X1.12 X2.2 XK1.8 I1 I33

13 1-1B3 Sensor de Saturación - - - X1.13 X2.3 XK1.9 I2 I34

14 I3 I35

15 I4 I36

16 I5 I37

17 I6 I38


1L+ Alimentación 24V - - - X1.00 - X1.02 +V

M Puesta en Tierra - - - - X2.0 X2.2 0V

Tabla 20. Conjunto de entradas a la expansión IO-DI8-RO4 ♦ Ver glosario

102

Caja de distribución PLC♦

No. Etiqueta Denominación 24V 0V XK2 Borne Dir.

1 1-1H2 Indicador de Paro - X2.7 XK2.0 O0 O0

2 1-1H1 Indicador de Arranque - X2.7 XK2.1 O1 O1

3 1-1Y0 Solenoide 1-1V1 - X2.9 XK2.2 O2 O2




3L+ Alimentación 24V Salidas X1.20 - X1.21 Out +V

Tabla 21. Conjunto de salidas del PLC M91-2-R1

Caja de distribución Expansión 1

No. Etiqueta Denominación 24V 0V XK1 Borne Dir.





3L+ Alimentación 24V Salidas X1.20 - X1.22 Out +V

Tabla 22. Conjunto de salidas de la expansión IO-DI8-RO4

Conjunto Borne Caja de distribución Expansión 2

No. Etiqueta Denominación 0V XQ2 24V 0V XK2 Borne Dir.

11 1-1KA1 Activa Elec-Emb 1 XS3.1 XQ2.1 - X2.8 XK2.10 O0 O48




♦ Ver glosario

103

15 O4 O52

16 O5 O53

17 O6 O54

18 O7 O55

1L+ Alimentación 24V - - X1.00 - +V

3L+ Alimentación 24V Salidas - - X1.20 - X1.22 Out +V

M Puesta en Tierra - - - X2.0 X2.3 0V

X1.03

Tabla 23. Conjunto de salidas de la expansión IO-RO8.

Los sensores denominados en la tabla 20, como sensor de separación, sensor de sujeción y

sensor de saturación, son sensores ópticos de reflexión directa, con configuración NPN.

Teniendo el listado de entradas y salidas se conocen todas las variables que interfieren en el

proceso, se realiza la programación del controlador; esta programación se divide en tres (3)

diferentes secuencias, la primera representa la máquina en etapa de ajuste, sobre la cual se

realiza el ajuste de los elementos mecánicos como el ancho de la banda transportadora, las

boquillas y sistema de sujeción; el segundo representa el funcionamiento de la máquina en

modo Automático con el cual la máquina trabaja en ciclo continuo; el ultimo es el

programa de Paros, en este se incluyen los paros de emergencia, finalización de producción,

paro por acumulación de producto.

En la siguiente figura se muestran los elementos actuadores y entradas del sistema:

104

Figura 32. Elementos Actuadores y entradas del sistema.♣

En primera instancia la máquina se debe ajustar en los elementos manuales como lo son la

distancia entre boquillas, estas deben quedar alineadas con los envases completamente

juntos (ver Figura 33); y los sensores, estos deben quedar enfrentados a los envases (ver

figura 34).

Figura 33. Ajuste de Boquillas.♣


105

Figura 34. Ajuste de Sensores.♣

Después de realizar los ajustes manuales se inicia los ajustes de control mediante la pantalla

del PLC♦, en este se visualizan mensajes que indican el proceso y etapas.

Figura 35. Mensaje “Etapa de Ajuste”♣

Figura 36. Tecla Enter.♣

Cuando se presiona la tecla Enter se accede a la etapa de ajuste.

♣ Creada por los autores. ♦ Ver glosario

106

Figura 37. Teclas de desplazamiento (Arriba, abajo, derecha, izquierda)♣

Cuando son presionadas las teclas de desplazamiento arriba o abajo, el mensaje de la

pantalla cambia a Modo Automático.

Figura 38. Mensaje “Modo Automático”♣

ETAPA DE AJUSTE:

En la etapa de Ajuste se muestra un mensaje mediante el cual se selecciona la presentación

en mililitros (ml.) que se desea trabajar en la máquina; después de esto y una vez estén en

posición todos los envases se procede a presionar la Tecla Enter para iniciar el llenado,

primero bajan las boquillas y después de un tiempo de dos (2) segundos se desactivan los

frenos y en el mismo instante se activan los embragues, de esta forma las bombas inician el

llenado de los envases, mientras tanto los contadores de alta velocidad (HSC) van

incrementando un contador interno del PLC♦ hasta llegar al numero correspondiente para la

presentación, deteniendo el proceso, de forma inversa a la mencionada anteriormente.

♣ Creada por los autores. ♦ Ver glosario.

107

Una vez se verifiquen las cantidades de los envases pesándolos, se inicia el modo

automático, en caso que la cantidad no corresponda con la indicada ya sea por ser menor o

mayor de la deseada se debe iniciar nuevamente la etapa de ajuste indicando nuevos valores

limites para los contadores.

Figura 39. Mensaje “Presentación”♣

MODO AUTOMÁTICO:

Una vez se halla realizado el ajuste de la máquina se puede iniciar el modo automático, esta

solo debe ser alimentada en la entrada de la banda transportadora y se deben tapar los

envases a la salida de esta; en el caso que no se alimente la banda transportadora el PLC♦

asume solo la cantidad de envases contados, de esta forma solo se activan el numero de

boquillas correspondiente al numero de envases presentes, es decir en caso que solo hallan

dos (2) envases en la banda solo se activan esas dos (2) boquillas evitando que se derrame

el producto.

Una vez se inicie el modo automático la banda transportadora se prende y se activa el

actuador de sujeción, cuando cada envase pasa frente al sensor de separación incrementa el

contador interno de envases C1, cuando este sea igual a cuatro (4) se activa el actuador de

separación deteniendo los envases posteriores, los cuatro (4) envases siguen por la banda y

son detectados por el sensor de sujeción el cual incrementa un contador interno de envases

C2, en el instante que este sea igual a cuatro (4) se activa el actuador de bajar boquillas,

♣ Creada por los autores. ♦ ver glosario.

108

después de dos (2) segundos se desactivan cuatro (4) los frenos y se activan los cuatro (4)

electro embragues, haciendo que las bombas llenen los envases, en ese mismo instante se

desactiva el actuador de bajar boquillas haciendo que este suba lentamente, mientras tanto

los contadores de alta velocidad (HSC) van incrementando un contador interno del PLC♦

hasta llegar al numero correspondiente para la presentación, después se activan los frenos y

se desactivan los embragues deteniendo el proceso de llenado; una vez llenados los envases

se desactiva el actuador de sujeción y el actuador de separación iniciando otro ciclo.

Figura 40. Paso Nº 1. ♣

♦ Ver glosario. ♣ Creada por los autores.

109

Figura 41. Paso Nº 2♣



110




111




112


PAROS:

Los paros presentes en la máquina son los de emergencia, finalización de producción, paro

por acumulación de producto; en el caso que se presente una emergencia en la máquina ya

sea por caída de un envase, perdida de producto, entre otros se tienen unos interruptores de

hongo con enclavamiento (Paros de emergencia); al presionar estos detienen el proceso de

forma inmediata, evitando lesiones en el personal o daños en la máquina, el primer

mecanismo que se detiene es el embrague y se activa el freno de forma inmediata, posterior

a esto se desactivan las salidas restantes del PLC♦.

♣ Creada por los autores. ♦ ver glosario.

113

Figura 48. Mensaje “Paro de Emergencia”♣

El paro por acumulación de producto a la salida de la banda depende de un sensor de

saturación, este indica que la banda esta llena en la salida por lo tanto el proceso se detiene

de forma autónoma evitando choques en los envases, cuando el operario evacua la salida de

la banda la máquina inicia de forma automática el proceso.

Figura 49. Mensaje “Paro Por Acumulación”♣

La finalización de producción se realiza en el caso que se desee cambiar de producto,

presentación o simplemente detener la máquina; este paro finaliza el proceso cuando esté

en el punto final del ciclo, dejando la máquina en posiciones iniciales.

9.6 DISEÑO ELÉCTRICO

El principal objetivo del diseño eléctrico es identificar y seleccionar los elementos que

serán implementados así como su conexión, estos son los solenoides♦ y los electro-

embragues.

♣ Creada por los autores. ♦ Ver glosario

114

Tabla 24. Características eléctricas electro embrague EP-25042

De acuerdo con las características del electro embrague y los solenoides♦ se realizan los

planos de conexiones, los cuales se encuentran en los planos eléctricos.

42 WARNER, op.cit. 11

115

10. CONCLUSIONES

• Un diseño eficaz y eficiente, basado en las necesidades reales del mercado, es la

combinación ideal para obtener la máxima satisfacción del cliente, así como su

confianza en los diseñadores para futuras labores.

• El ingeniero de hoy día, posee herramientas muy potentes como los programas de CAD

y los programas de análisis finito, las cuales son de gran apoyo en prácticamente todo

tipo de diseño, aunque la base de los mismo siempre serán el manejo, interpretación e

innovación de los ingenieros que hacen uso de estos.

• La detección de las fases del proceso, así como la selección de las más importantes, en

orden de criticidad en el sistema, es fundamental para lograr un diseño y desarrollo que

realmente aporte al desempeño del mismo.

• Plantear diferentes soluciones a un problema particular, ayuda al ingeniero a tener una

perspectiva global del diseño a realizar, con lo cual asegura que la solución final sea la

que mas se ajusta a las condiciones del proceso.

• Tras realizar un diseño, de cualquier tipo, ya bien sea eléctrico, mecánico o de

programación, es necesario tratar de validar el mismo con todas las herramientas y por

todos los medios posibles, para garantizar que el mismo cumple con los requisitos

establecidos para este.

• En el proceso de selección se debe tener en cuenta las necesidades del cliente, ya que si

este requiere un sistema o elemento en particular este se convierte en base para el

diseño.

116

• Uno de los principales inconvenientes que se presentan en el momento de realizar un

proyecto se encuentra en el presupuesto, ya que este es la base en la realización del

mismo; una buena opción para disminuir el costo de montaje sin disminuir la calidad de

los materiales y elementos es contactar al distribuidor directo de estos.

• El cuadro eléctrico conformado por entradas y salidas, elementos de control y

elementos últimos de control, debe ser diseñado teniendo especial cuidado en las

conexiones y características propias de cada una, en el caso de este proyecto en el

diseño se utilizaron sensores tipo NPN, ya que estos son los que se encuentran presentes

en la máquina, por lo tanto el PLC debía estar en condiciones de ser utilizado con estas

entradas.

• La numeración y señalización del cableado eléctrico se hace realmente importante en el

proyecto, ya que facilita el mantenimiento de la máquina y brinda una vida útil mayor

de la misma.

• La interfase hombre máquina brinda la oportunidad de realizar un mejor control y

monitoreo de la máquina tanto en el proceso de producción como en el de

programación, ya que en esta se pueden mostrar mensajes y estados de entradas y

salidas localizando fácilmente los errores o inconvenientes que se presentan durante el

funcionamiento de la máquina.

117

BIBLIOGRAFÍA

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optimizaciÓn del funcionamiento y producciÓn de …

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