universidad tecnolÓgica equinoccial facultad de...
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I
II
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA EL SELLADO DE
CAFÉ CON AZÚCAR EN FUNDAS DE PAPEL FILTRO”
TESIS PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
AUTOR: DARÍO FRANCISCO MENA POLO
DIRECTOR DE TESIS: ING. VLADIMIR BONILLA
QUITO - ECUADOR
JUNIO, 2011
III
DECLARACIÓN
Del contenido del presente trabajo se responsabiliza
Darío Francisco Mena Polo
_____________________________
C.I. 100260163-9
IV
CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS
Este trabajo fue supervisado y dirigido por
Ing. Vladimir Bonilla
_____________________________
V
AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida y unos padres incondicionales quienes me han permitido estudiar
y seguir una carrera para ser un buen profesional y una persona de bien.
A mi director de tesis Ing. Vladimir Bonilla quien siempre ha sido un amigo guiándome por
el camino correcto para la culminación de este trabajo.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial y a sus profesores por compartir sus
conocimientos a lo largo de la carrera y por ser amigos incondicionales, pues siempre
estuvieron prestos a responder cada inquietud reforzando lo aprendido.
Agradezco de manera especial al colegio San Francisco donde realicé mi educación
secundaria, por brindarme todo el conocimiento necesario y tener las bases muy bien
cimentadas para emprender una carrera de nivel superior.
VI
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado a mis padres Iván y Nancy, por apoyarme a lo largo de mi vida y
sobre todo en mi carrera, quienes han sido un pilar fundamental para la culminación exitosa
en mi vida profesional, sin ellos esto no hubiera sido posible.
Dedico de manera especial a mi familia, Alejandra por estar junto a mí y apoyarme en todo
y a mis hijos Francisco y Alejandro ya que son mi inspiración y la razón de luchar cada día.
A mis hermanos Wladimir y Xavier, por ayudarme en momentos difíciles durante mi
carrera y en el desarrollo de este trabajo, quienes son un ejemplo a seguir. Y demás
familiares y amigos quienes estuvieron a mi lado dándome palabras de aliento, las mismas
que fueron de gran importancia.
VII
ÍNDICE GENERAL
CARÁTULA……………………………………………………………………………….II
DECLARACIÓN…………………………………………………………………………III
CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS………………………………………………….IV
AGRADECIMIENTO....………………………………………………...……………......V
DEDICATORIA……..………….………………………………………..……………....VI
ÍNDICE GENERAL…….……………………………………………………………....VII
ÍNDICE DE CUADROS…………………………………………………………….....XIII
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………...XIV
ÍNDICE DE FOTOS………………………………………………………………….....XV
ÍNDICE DE GRÁFICOS………………………………………….…………………...XVI
ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………….…………………...XVII
ÍNDICE DE ANEXOS………………………………………………………………….XIX
RESUMEN…………………………………………………………………………….....XX
SUMMARY………………………………………………………….………………….XXI
VIII
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CAPÍTULO I .......................................................................................................................... 1
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
1.1 ANTECEDENTES ....................................................................................................... 1
1.2. SISTEMATIZACIÓN ................................................................................................. 2
1.2.1. Diagnóstico ........................................................................................................... 2
1.2.2. Pronóstico ............................................................................................................. 3
1.2.3. Control Del Pronóstico ......................................................................................... 4
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................... 5
1.4. OBJETIVOS ................................................................................................................ 5
1.4.1. Objetivo General ................................................................................................... 5
1.4.2. Objetivos Específicos ........................................................................................... 6
1.5. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 6
1.6. ALCANCE .................................................................................................................. 7
1.7. FACTIBILIDAD ......................................................................................................... 9
1.7.1. Factibilidad Técnica .............................................................................................. 9
1.7.2. Viabilidad............................................................................................................ 12
CAPÍTULO II ...................................................................................................................... 16
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 16
2.1 MATERIA PRIMA ..................................................................................................... 16
2.2 MÁQUINAS EMPACADORAS ................................................................................ 19
IX
2.2.1 Máquinas Dosificadoras ...................................................................................... 20
2.2.1.1 Dosificador Por Peso ..................................................................................... 21
2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín .................................................................... 22
2.2.1.3 Dosificador Por Pistón .................................................................................. 22
2.2.1.4 Dosificador Por Volumen ............................................................................. 23
2.2.2 Máquinas Selladoras ............................................................................................ 24
2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales ..................................................................... 24
2.2.2.2 Técnicas De Sellado ...................................................................................... 25
2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión .................................................................................. 26
2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente ....................................................................... 27
2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido ................................................................................. 27
2.3 MATERIALES INDICADOS PARA EL CONTACTO CON ALIMENTOS ........... 28
2.3.1 Aceros Inoxidables .............................................................................................. 28
2.3.2 Papel Filtro ........................................................................................................... 30
2.4 CONTROL DE LAS MÁQUINAS............................................................................. 31
2.4.1 Microcontrolador ................................................................................................. 31
CAPÍTULO III ..................................................................................................................... 34
3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA .............................................................................. 34
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO .......................................... 34
3.1.1 Análisis De La Máquina ...................................................................................... 35
3.1.2 Estructura De La Empacadora ............................................................................. 36
3.1.2.1 Material De La Máquina ............................................................................... 37
X
3.1.2.2 Sistema Dosificador ...................................................................................... 38
3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador ........................................................... 38
3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador
............................................................................................................................... 39
3.1.2.2.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Dosificador ............................ 45
3.1.2.3 Sistema Sellador ............................................................................................ 47
3.1.2.3.1 Módulo Del Sistema Sellador ................................................................. 47
3.1.2.3.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Sellador ... 48
3.1.2.3.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Sellador.................................. 54
3.1.2.4 Control De La Máquina ................................................................................ 56
3.1.2.5 Fuentes De Alimentación .............................................................................. 56
3.2 DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS DEL
PROYECTO ..................................................................................................................... 57
3.2.1 Sistema Mecánico ................................................................................................ 57
3.2.2 Sistema Dosificador ............................................................................................. 58
3.2.2.1 Hardware Del Sistema Dosificador ............................................................... 58
3.2.2.2 Software Del Sistema Dosificador ................................................................ 60
3.2.3 Sistema Sellador .................................................................................................. 61
3.2.3.1 Hardware Del Sistema Sellador .................................................................... 61
3.2.3.2 Software Del Sistema Sellador ..................................................................... 64
3.2.4 Simulación ........................................................................................................... 65
3.2.4.1 Simulación Del Sistema Dosificador Y Sellador .......................................... 65
XI
3.2.4.1.1 Simulación De Sistema Dosificador ....................................................... 66
3.2.4.1.2 Simulación De Sistema Sellador ............................................................ 68
3.2.5 Sistema Eléctrico ................................................................................................. 71
3.2.5.1 Panel De Control ....................................................................................... 71
CAPÍTULO IV ..................................................................................................................... 73
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO .................................................. 73
4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ...................................................................... 73
4.2 PRUEBAS Y RENDIMIENTO DEL PROTOTIPO ................................................... 76
4.2.1 Verificación Del Peso Y Tiempo Del Producto Dosificado ................................ 77
4.3 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................ 83
4.3.1 Descripción De La Máquina ................................................................................ 83
4.3.2 Identificación De Los Componentes De La Máquina ......................................... 84
4.3.3 Condiciones Generales De Operación ................................................................. 84
4.3.4 Instrucciones De Seguridad De La Máquina ....................................................... 86
4.3.5 Funciones De Los Componentes Principales De La Máquina. ........................... 87
4.3.5.1 Componentes Del Sistema Dosificador ........................................................ 87
4.3.5.2 Componentes Del Sistema Sellador .............................................................. 88
4.3.6 Panel De Control .................................................................................................. 88
4.3.6.1 Distribución Del Panel De Control ............................................................... 88
4.3.6.2 Descripción Y Funcionamiento De Los Componentes Del Panel De Control
................................................................................................................................... 89
XII
CAPÍTULO V ...................................................................................................................... 92
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 92
5.1 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 92
5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................................ 93
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 96
XIII
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas de
aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos..................................... 30
Cuadro No. 2. Pesos dosificados en las cinco fundas .......................................................... 78
Cuadro No. 3. Pesos dosificados en las cinco fundas (proceso manual) ............................. 81
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura No. 1. Café ................................................................................................................ 16
Figura No. 2. Azúcar ............................................................................................................ 17
Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza ........................................ 21
Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín .............................. 22
Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón........................................... 23
Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica ........................................ 24
Figura No. 7. Selladora manual............................................................................................ 25
Figura No. 8. Selladora por fusión ....................................................................................... 26
Figura No. 9. Selladora por aire caliente.............................................................................. 27
Figura No. 10. Selladora por cosido..................................................................................... 28
Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable ........................................................................ 29
Figura No. 12. Funda de papel filtro .................................................................................... 31
Figura No. 13. Diagrama de bloques general de un microcontrolador ................................ 32
XV
ÍNDICE DE FOTOS
Foto No. 1. Módulo general del sistema .............................................................................. 37
Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador ........................................................................ 39
Foto No. 3. Módulo del sistema sellador ............................................................................. 48
Foto No. 4. Silo de almacenamiento .................................................................................... 57
Foto No. 5. Palanca de sellado ............................................................................................. 58
Foto No 6. Panel de control interior ..................................................................................... 72
Foto No 7. Panel de control exterior .................................................................................... 72
XVI
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema.......................... 36
Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina ............................ 36
Gráfico No. 3. Secciones del silo ......................................................................................... 41
Gráfico No. 4. Diagrama de flujo de lógica de funcionamiento de sistema dosificador ..... 45
Gráfico No. 5. Diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema sellador ...... 54
Gráfico No. 6. Esquema de hardware del sistema dosificador ............................................ 60
Gráfico No. 7. Esquema de hardware del sistema sellador .................................................. 64
Gráfico No. 8. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema dosificador .. 66
Gráfico No. 9. Simulación en condiciones iniciales de falta de producto en el silo ............ 67
Gráfico No. 10. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema dosificador .... 67
Gráfico No. 11. Simulación de aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento ... 68
Gráfico No. 12. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema sellador ..... 69
Gráfico. No 13. Simulación de la niquelina en condiciones iniciales .................................. 69
Gráfico No. 14. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema sellador .......... 70
Gráfico No. 15. Simulación de la niquelina al sellar la funda ............................................. 70
Gráfico No. 16. Componentes principales de la máquina .................................................... 84
Gráfico No. 17. Componentes principales del panel de control de la máquina ................... 89
XVII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores ........................................................... 9
Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado ............................................................... 10
Tabla No. 3. Comparación de motores ................................................................................ 10
Tabla No. 4. Comparación de sensores ................................................................................ 11
Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual ................... 11
Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación .................................................. 12
Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina .................. 12
Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor. ......................................... 13
Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo. ................... 14
Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina ....................................... 15
Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina .................................................... 34
Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador ........... 44
Tabla No. 13. Tamaño de la funda de papel filtro en centímetros ....................................... 52
Tabla No. 14. Características técnicas de los componentes del sistema sellador ................ 52
Tabla No. 15. Componentes de hardware del sistema dosificador ...................................... 58
Tabla No. 16. Componentes de hardware del sistema sellador............................................ 62
Tabla No. 17. Materiales para la construcción de la máquina. ............................................ 73
Tabla No. 18. Datos del peso dosificado en diez fundas con un peso de 11 gramos ........... 77
Tabla No. 19. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto ..................................... 77
Tabla No. 20. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por el prototipo . 79
XVIII
Tabla No. 21. Datos del peso dosificado en cinco fundas con un peso de 11 gramos
(proceso manual) .................................................................................................................. 80
Tabla No. 22. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto (proceso manual) ........ 81
Tabla No. 23. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por un proceso
manual .................................................................................................................................. 82
Tabla No. 24. Condiciones y especificaciones generales de la máquina ............................. 85
XIX
ANEXOS
Anexo 1: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 311 Estándar
Anexo 2: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 755HB
Anexo 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114
Anexo 4: Información general del Pic 16F877A
Anexo 5: Fotos de construcción del prototipo
Anexo 6: Planos de diseño del prototipo
Anexo 7: Programas del microcontrolador de sistemas dosificador y sellador
XX
RESUMEN
El café y el azúcar son alimentos que se consumen habitualmente, los cuales son
procesados para obtener diferentes productos, por lo tanto, se necesita de maquinaria para
la elaboración de éstos.
Ésta tesis se basa en el diseño y construcción de un prototipo de una máquina semi-
automática para dosificar café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El objetivo es
llegar a implementar ésta máquina en una empresa relacionada con este tipo de producción,
cuyos procesos sean realizados de forma manual para disminuir costos de producción.
Éste prototipo fue diseñado de tal manera que un operador sea capaz de manejarlo. Consta
de dos módulos, uno es el sistema dosificador y el otro es el sistema sellador. Se construyó
por medio de un análisis de cada uno de sus componentes, dependiendo de su
funcionamiento y su costo, para que llegue a ser competitivo en el mercado de éste tipo de
empacadoras.
El prototipo ha sido sometido a pruebas, tomando en cuenta su rendimiento en comparación
del rendimiento de un proceso manual, realizando un análisis con excelentes resultados.
XXI
SUMMARY
Coffee and sugar are commonly consumed foods, which are processed for different
products, therefore, is required machinery for the production of them.
This thesis is about the design and construction of a machine as prototype for dispensing
coffee with sugar in filter paper bags and seal them. It´s objective is to implement this
machine in a company connected with this production, whose processes are carried out
manually to reduce production costs.
This prototype was designed so that an operator could be able to handle it. It consists in two
modules, one is the feeder system and the other is the sealant system. It was constructed
through an analysis of each of its components, depending on their performance and cost to
become competitive in the market for this type of packing.
The prototype has been tested, taking into account its performance against the performance
of a manual process, with an analysis with excellent results.
CAPÍTULO I
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
A continuación se presenta un breve análisis de la maquinaria necesaria para obtener un
producto final, relacionado con alimentos de consumo humano dentro del Ecuador.
1.1 ANTECEDENTES
Debido a la ubicación geográfica del Ecuador, su café es de los mejores producidos en
América del Sur y de los más demandados en Europa, al igual que el Cacao. Por otro lado,
la mayor parte de la demanda del café se encuentra desde hace tiempo concentrada en
pocas empresas estadounidenses y europeas que compran café verde para luego procesarlo,
mezclarlo y venderlo con mayores precios. Ecuador al ser un país altamente productivo, se
plantea la industrialización del café producido por los ecuatorianos, para eliminar la
importación de este producto ya procesado, consumiendo y apoyando lo nuestro. En un
futuro se podría exportar el café procesado, ya no solo como materia prima, sino con un
valor agregado para el resto del mundo.
Actualmente en el Ecuador solo las grandes empresas tiene la posibilidad de acceder a la
tecnología necesaria para producir el café en fundas de papel filtro por sus altos costos de
inversión, y las empresas pequeñas tienen una desventaja tecnológica para lanzar nuevos
productos al mercado, por lo que es importante la implementación de maquinaria de fácil
adquisición y a bajo costo.
2
1.2. SISTEMATIZACIÓN
A continuación se presenta un diagnóstico, pronóstico y control del pronóstico de la
situación actual de las empresas ecuatorianas que trabajan con maquinaria para la
elaboración de un producto.
1.2.1. Diagnóstico
En la actualidad existen empresas dedicadas a la manufactura de productos alimenticios, y
Ecuador al ser un país rico en materia prima es fundamental poder implementar procesos
que transformen a dicha esta en productos elaborados.
La industria cafetera en el Ecuador es poco reconocida a pesar de que este sea uno de los
pocos países que posee café de alta calidad, pero los procesos de transformación del mismo
han dado lugar a que este tenga propiedades organolépticas inferiores, pues en otros países
los procesos productivos son más eficientes y cada día los están renovando, por lo tanto es
imprescindible crear máquinas innovadoras las cuales puedan ayudar a que las empresas de
nuestro país sobresalgan en la industria cafetera, especialmente aquellas que ya tiene un
mercado establecido para poder aumentar su producción logrando satisfacer las necesidades
requeridas, y no solo exportar materia prima, sino que también se pueda brindar al resto del
mundo un producto procesado de alta calidad.
Las máquinas que se usan para la elaboración de un producto son muy costosas ya que la
mayoría son fabricadas en países desarrollados y su costo de importación es muy elevado,
pues con el tema propuesto de crear una máquina para una empresa cafetera, reduciría
3
dichos costos y tendrían la facilidad de adquirirla, beneficiando al aumento de volumen de
producción.
1.2.2. Pronóstico
Las pequeñas empresas cafeteras continuarían con procesos manuales, por lo que sus costos
de producción serían muy altos obteniendo productos con limitaciones de competencia en
el mercado, por lo que se plantea la implementación de esta máquina para tratar de reducir
sus costos de producción.
Si la empresa, con procesos manuales produce un volumen de 4 unidades por minuto, se
espera que al implementar la máquina, aumente su volumen a 8 fundas por minuto, lo cual
representa un 50% aproximadamente de aumento en la producción.
Al no implementar este sistema, las empresas seguirían pagando a 2 o más operadores por
realizar el mismo proceso, obteniendo un volumen limitado de producción, por lo que se
plantea que 1 solo operario lo puede realizar.
La empresa se limita al crecimiento de su producción por tener procesos manuales,
especialmente cuando se tiene un mercado estable y en aumento.
La calidad del producto puede variar cuando se lo elabora manualmente, en cambio con
esta máquina siempre elaborará un mismo producto.
Al implementar esta máquina se puede disminuir factores de contaminación cruzada con
una adecuada desinfección de esta, en cambio cuando se trabaja con varios operadores el
producto tiene más riesgo de ser contaminado.
4
1.2.3. Control Del Pronóstico
Actualmente los procesos en varias pequeñas empresas cafeteras se los realiza
manualmente, a pesar de que tienen un mercado establecido pero con una limitada
producción, en la cual se puede implementar una máquina que dosifique y selle café con
azúcar en fundas de papel filtro, ya que dentro de dicha empresa existen varias desventajas
por no implementar ningún tipo de máquina. Para llegar a obtener el producto sellado y
dosificado se necesitan algunos pasos:
En un proceso manual, el primer paso a seguir es coger el producto con un recipiente que
tenga aproximadamente la cantidad requerida y colocarlo dentro de una funda de papel
filtro, lo cual se demora 5 segundos, el que puede ser reemplazado por un dosificador el que
consiste en almacenar el producto en un silo, el cual deja caer automáticamente la cantidad
exacta al momento que una funda de papel filtro se la coloca en la parte inferior. Por lo
tanto, al implementar un dosificador se puede ahorrar 4 segundos aproximadamente, y
además en el proceso manual, la cantidad llenada con el recipiente no es siempre igual a
cantidad requerida, por lo que es necesario quitar o aumentar café hasta lograr la cantidad
exacta.
En el proceso manual, el segundo paso a seguir es colocar la funda papel filtro en un
sellador y presionar la palanca para sellarla, lo cual se demora 4 segundos
aproximadamente, el que se puede reemplazar por un sellador automático el que consiste en
colocar la funda de papel filtro bajo el sellador donde se encuentra un sensor de presencia,
para que la palanca baje automáticamente en 1 segundo, para lograr un buen sellado. Por lo
5
tanto, al implementar un sellador automático se puede obtener un buen sellado ya que se
mantiene presionada la palanca 0,8 segundos, el que se puede regular dependiendo del tipo
de material de la funda, ya sea un plástico delgado, plástico grueso, papel filtro, etc.
Con la implementación una máquina que dosifique y selle café con azúcar en fundas de
papel filtro las empresas procesadoras de café obtendrán grandes beneficios. Pues esta
máquina será de gran ayuda para poder aumentar la productividad de la empresa ya que 1
sola persona capacitada puede manejarla, lo cual hace que en la empresa se disminuya la
mano de obra y por lo tanto los costos de producción bajarían y las utilidades crecerían.
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Es posible aumentar el volumen de producción en un 50% reemplazando los procesos
manuales por un prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro en
una empresa cafetera manufacturera?
¿Es posible disminuir costos de producción al implementar un prototipo para el sellado de
café con azúcar en fundas de papel filtro en una empresa cafetera manufacturera?
1.4. OBJETIVOS
A continuación se presentan los objetivos del presente trabajo:
1.4.1. Objetivo General
Construir un prototipo de una máquina dosificadora y selladora de café con azúcar
en fundas de papel filtro.
6
1.4.2. Objetivos Específicos
Recopilar información acerca del diseño y construcción de máquinas dispensadoras
y selladoras de un producto.
Diseñar y construir el sistema de dispensado en las fundas pequeñas de papel filtro.
Diseñar y construir el sistema de sellado de las fundas pequeñas de papel filtro.
Implementar los sistemas de dosificado y sellado en la estructura metálica.
1.5. JUSTIFICACIÓN
Para las empresas ecuatorianas manufactureras que se encuentran en la producción continua
de un producto, es indispensable poseer maquinaria que ayude a la fabricación del mismo,
ya que con procesos manuales la calidad el producto puede variar y su producción podría
ser muy costosa.
Las pequeñas empresas cafeteras que poseen un mercado definido, se encuentran en la
necesidad de mejorar y aumentar su producción con productos ya establecidos en el
mercado y ofreciendo productos innovadores, por lo que se ha resuelto construir un
prototipo semiautomático que dosifique y selle café con azúcar en una funda de papel filtro,
el cual ayuda a obtener una producción de mejor calidad, mayor volumen y con bajos
costos.
Actualmente existen empresas grandes que han surgido a lo largo de su trayectoria, y se han
convertido en empresas exitosas, que a un principio sus procesos eran de forma manual y
7
con el tiempo han crecido y han adquirido maquinaria que sirva como ayuda para su
producción, logrando colocarse en una posición de alta competencia en el mercado actual.
Además existen empresas que han tratado de crecer con procesos manuales, pero su
mercado es limitado debido a la cantidad de productos fabricados, por lo que deberían
implementar maquinaria que les ayude a satisfacer a la mayor parte del mismo
incrementando su volumen de producción, para lo cual no se necesita de manera obligatoria
una máquina de alta tecnología, sino un sistema que sea de fácil adquisición por su costo y
sea capaz de producir lo suficiente para la satisfacer las necesidades requeridas.
Finalmente, la implementación de un prototipo semiautomático que dosifique y selle café
con azúcar en una funda de papel filtro, en cualquier empresa manufacturera cafetera podría
ser muy importante por las ventajas de dosificado y sellado automáticos, siendo un sistema
más económico en comparación con maquinaria extranjera que realiza el mismo trabajo, la
cual únicamente cuenta con la supervisión de un operador capacitado para su manejo, sin la
necesidad de tener a varias personas en procesos diferentes, ya que de esta manera la
empresa se puede ahorrar el pago a cada uno de ellos, logrado un beneficio al implementar
el sistema propuesto.
1.6. ALCANCE
El prototipo planteado consiste en un sistema semiautomático cuyo objetivo es dispensar
café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El prototipo tendrá una estructura
metálica de 52 cm de alto, 50 cm de ancho y 30 cm de profundidad, la cual se encontrará
dividida en dos partes, la primera para el sistema de dosificado y la segunda para el sistema
8
de sellado, las mismas que tienen un funcionamiento independiente. El sistema de
dosificado tendrá un silo de acero inoxidable para almacenamiento del producto, en el cual
se colocará un sensor de presencia QRD1114 en la salida para detectar la funda de papel
filtro y activar al servomotor Hitec HS-311 permitiendo la apertura de la compuerta del
silo. El llenado del silo con producto se lo realiza manualmente. La funda a dosificar debe
llegar a una distancia de 1 centímetro del sensor para que pueda ser detectada. Una vez que
la funda sea dosificada, debe ser retirada inmediatamente, ya que el sistema puede llegar a
sensar y dosificar la misma funda. El sistema de sellado tendrá un sensor de presencia
QRD1114, el cual detectará la funda de papel filtro con café y azúcar, para activar a dos
servomotores Hitec HS-755HB, y colocar sus ejes en una determinada posición por medio
de software para unir la palanca de sellado con la niquelina fija en la estructura. La
niquelina se activa cuando el fin de carrera es presionado por uno de los brazos de la
palanca de sellado. El tiempo de encendido de la niquelina depende del tiempo que el fin de
carrera se encuentra presionado, el cual es controlado por medio de la programación al
momento de girar los ejes de los servomotores. La parte superior de la funda de papel filtro
debe llegar al tope máximo de sellado para que sea detectada por el sensor y ser sellada con
la respectiva palanca. Los sistemas dosificador y sellador utilizan dos microcontroladores
que son pic 16F877A en los que se encuentran los programas respectivos, realizados en
programa Protón. El panel de control contará con un interruptor ON/OFF para encender o
apagar la máquina al igual que tendrá luces piloto para que el operador verifique el
funcionamiento del proceso de dosificado y sellado y un paro de emergencia general del
prototipo. El prototipo será portable para colocarlo en cualquier lugar que sea considerado
9
apropiado para la comodidad del operador. El prototipo funciona con 110 voltios de
corriente alterna.
1.7. FACTIBILIDAD
A continuación se presenta las factibilidades del presente trabajo:
1.7.1. Factibilidad Técnica
Los elementos utilizados en el prototipo son escogidos por su funcionamiento y por su
beneficio al momento de la producción de un producto. Para cada elemento se da un valor
de ponderación dependiendo de su descripción, como se muestra en las siguientes tablas:
Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores
CARACTERÍSTICA PLC MICROCONTROLADOR
Número de pines de entradas y salidas 10 8
Costo 7 10
Total 17 18
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Siemens y Microchip
Para realizar el control del sistema se escoge un microcontrolador, como resultado de la
tabla comparativa, especialmente por su costo y además es capaz de realizar todas las
acciones requeridas para ésta máquina.
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Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado
CARACTERÍSTICA CALOR COSIDO SOPLETE
Costo 10 9 8
Fuente de energía 10 8 7
Seguridad en sellado 9 8 9
Total 29 25 24
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: (INGESIR, 2010)
Para realizar el sellado de las fundas se escoge el sistema de calor, como resultado de la
tabla comparativa, ya que este sistema es el más utilizado en máquinas industriales, por
tener una buena seguridad en el sellado.
Tabla No. 3. Comparación de motores
CARACTERÍSTICA SERVOMOTOR MOTOR AC MOTOR DC
Control de posición 10 6 8
Costo 9 8 10
Consumo de corriente 9 7 10
Torque 9 10 8
Total 37 31 36
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: All power microcontroller
Para realizar los movimientos de la palanca de sellado y abrir la compuerta de salida del
silo de almacenamiento, se escoge al servomotor, ya que es el más indicado para obtener un
mejor control, especialmente en la posición del eje con su respectivo torque.
11
Tabla No. 4. Comparación de sensores
CARACTERÍSTICA CAPACITIVO PRESENCIA
Fuente de energía 9 10
Distancia de sensado 10 7
Costo 9 10
Total 28 27
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: All power microcontroller
Para detectar la presencia de las fundas de papel filtro se escoge el sensor capacitivo por ser
un sensor industrial, indicado para esta máquina.
Para el caso del prototipo se escogerá el sensor de presencia, ya que su costo es más
económico, con características similares al otro sensor, teniendo el mismo funcionamiento
del requerido.
Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual
CARACTERÍSTICA AUTOCAD SOLID WORKS
Moldeados en 3D 9 10
Costo licencia 10 7
Simulación 8 9
Total 27 26
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Autocad y Solid Works
Para realizar el prototipo virtual en un computador se escoge el programa de autocad, ya
que es un programa en el que se pueden fabricar piezas en tres dimensiones con
coordenadas en x, y, z, y es apropiado para fabricar las piezas de ésta máquina.
12
Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación
CARACTERÍSTICA ASSEMBLER BASIC
Rapidez de respuesta 9 8
Costo de licencia 8 10
Memoria de código limitada 9 10
Total 26 28
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Assembler y Pic Basic
Para los diseños de programación para los diferentes sistemas de la máquina, se escoge el
lenguaje Basic, el cual es apropiado y capaz de cumplir con los requerimientos de la
activación y funcionamiento de los dispositivos electrónicos.
1.7.2. Viabilidad
A continuación se presenta la lista de materiales y costos para la fabricación de la máquina.
Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina
MÓDULO CANT. UNIDADES MATERIALES
COSTO
UNIT.
COSTO
TOTAL
(DÓLARES) (DÓLARES)
ESTRUCTURA 9,2 metro lineal Tubo cuadrado 3/4 pulgadas 2,00 18,40
4 m2 Tol galvanizado 7,00 28,00
0,5 m2 Lámina de acero 2mm espesor 0,80 0,40
50 unidades Tornillo 0,03 1,50
20 unidades Perno 0,08 1,60
1 unidad Soldar acero inoxidable 40,00 40,00
1 unidad Pintura electrostática 100,00 100,00
PANEL DE 1 unidades Interruptor ON/OFF 1,00 1,00
CONTROL 7 unidades Luz piloto 0,75 5,25
1 unidad Paro de emergencia 5,00 5,00
1 unidad Fuente de computador 25,00 25,00
4 m Cable UTP categoría 5 0,50 2,00
3 m Cable gemelo #20 0,30 0,90
1 unidad Pulsador redondo 1,50 1,50
13
SISTEMAS: 2 unidades Servomotor industrial 11 kg/cm 600,00 1200,00
SELLADOR 1 unidad Transformador 110VAC-24VAC 30,00 30,00
Y 2 unidad Fin de carrera industrial 5,00 10,00
DOSIFICADOR 1 unidad Niquelina 5,00 5,00
1 unidad Tela térmica 3,00 3,00
1 unidad Silicona térmica 3,00 3,00
2 unidades Baquelita 2,00 4,00
2 unidades Resistencia 220 ohmios 0,02 0,04
2 unidades Resistencia 1k ohmios 0,02 0,04
2 unidades Resistencia 10k ohmios 0,02 0,04
2 unidades Cristal de 4 MHz 1,50 3,00
4 unidades Borneras de 2 pines 0,75 3,00
2 unidades Bornera de 3 pines 0,90 1,80
2 unidades Zócalo de 40 pines 0,50 1,00
9 unidades Espadines macho 0,02 0,18
2 unidades Pic 16F877A 8,00 16,00
2 unidades Sensor capacitivo 75,00 150,00
1 unidad Servomotor industrial 3 kg/cm 250,00 250,00
2 m2 Acero inoxidable 45,00 90,00
TOTAL 2000,65
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Ferroindustrial, ubicada en Ibarra y All Power Microcontroller (APM)
Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor
CANT. DESCRIPCIÓN PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL
DÓLARES DÓLARES
1 Licencia programa PROTON PICBASIC LITE 150 150
200 Horas de desarrollo del autor 10 2000
TOTAL 2150
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Para la elaboración del diseño de software de cada uno de los programas, tanto del sistema
dosificado como del sistema sellador, es necesaria la licencia del programa Proton Pic
Basic.
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Para la construcción física de la máquina se necesitan los materiales de la tabla No. 7 y los
elementos de la tabla No. 8, por lo que el costo de la máquina sería de 4150,65 dólares.
El prototipo de la máquina contiene otros componentes no industriales, pero tienen un
funcionamiento similar que los de la máquina y son los siguientes:
Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo
CANT. COMPONENTE PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL
(DÓLARES) (DÓLARES)
2 Servomotor Hitec-HS 755HB 65 130
1 Servomotor Hitec-HS 311 Estándar 17 17
2 Sensor de presencia QRD1114 2.5 5 Elaborado por: Darío Mena
Fuente: All Power Microcontroller (APM)
Para la construcción física del prototipo, los servomotores y sensores de la Tabla No. 9, son
reemplazados en la tabla No. 8 por los respectivos componentes, además se toma en cuenta
el desarrollo del autor, por lo que se necesitan 2650,65 dólares.
El costo de la licencia no se toma en cuenta en la construcción del prototipo por ser una
licencia académica.
A continuación se presenta una tabla comparativa entre el prototipo y la máquina, a cerca
de los componentes que van a ser reemplazados, como se indicó anteriormente.
15
Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina
COMPONENTE CARACTERÍSTICA PROTOTIPO MÁQUINA
Servomotor Número de operaciones por hora 414 unidades 414 unidades
Velocidad servomotor 1 0,19 seg 0,17 seg
Velocidad servomotor 2 0,28 seg 0,25 seg
Torque servomotor 1 3 kg/cm 3 kg/cm
Torque servomotor 2 11 kg/cm 11 kg/cm
Tiempo de vida útil 5 años 12 años
Mantenimiento Cada 6 meses Cada 1 año
Control de posición 1° 0,5°
Robustez Plástico Hierro
Material de engranes internos Plástico Hierro
Sensor Rapidez de respuesta Normal Mayor
Tiempo de vida útil 10 años 25 años
Mantenimiento Cada 1 año Cada 3 años
Distancia de sensado 1.5 cm máx. 8 cm máx.
Precisión de sensado Normal Mayor
Eficiencia Dosificado 85% 95%
Sellado 89% 97%
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Hoja de datos de servomotores, sensores y prototipo para el sellado de café con
azúcar en fundas de papel filtro
CAPÍTULO II
16
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
A continuación se describe la teoría necesaria para el desarrollo del presente tema.
2.1 MATERIA PRIMA
La materia prima a utilizar en el presente trabajo se describe a continuación:
Café
La especie de café más antiguamente conocida y difundida a nivel mundial es la coffea
arábiga, originaria de Etiopía, África. Se puede decir, que la producción mundial del café
descansa en un 90% sobre esta especia, la cual tiene como patrón representativo la variedad
Typica o Arábigo que presenta las características específicas de poseer hojas elípticas.
(Instituto salvadoreño de investigación del café, 1999)
Figura No. 1. Café
Fuente: www.plantasparacurar.com
17
Producción
Se prevé que la producción mundial del café tendrá un crecimiento de 2,7 % anual entre
1995 y 2005, es decir, una tasa de crecimiento algo superior a la del decenio anterior. En
2005 la producción mundial ascenderá a 7,31 millones de toneladas.
Consumo
Se estima que el consumo mundial de café aumentará anualmente en 1,7 % de 5,63
millones de toneladas en 1995 a 6,74 millones de toneladas en 2005. (Instituto salvadoreño
de investigación del café, 1999)
Azúcar
El azúcar es un edulcorante natural, conocido normalmente en forma de cristales
solidificados de sacarosa, y se puede ser producido utilizando la materia prima como es la
caña de azúcar.
Figura No. 2. Azúcar
Fuente: www.es.wikipedia.org
18
Se cree que la caña de azúcar, de la cual se derivan sus variedades modernas, es originaria
de Nueva Guinea. Existen registros en los que es posible determinar que allí se desarrollo y
cultivó por más de 9 mil años.
La caña de azúcar es producida principalmente en regiones de clima tropical, pues necesita
de una exposición solar intensa y requiere de gran cantidad de agua para su desarrollo. Se
trata de una planta de la familia de las gramíneas, por lo que, después de cosechada, el brote
vuelve a crecer de la misma planta son tener que volver a sembrar. Por esta característica, la
producción de caña tiene mejor rendimiento en los primeros cortes. A través de los años se
han desarrollado infinidad de variedades de caña de azúcar, y hoy existen algunas que
ofrecen rendimientos aceptables comercialmente después de siete u ocho cortes. Sus
rendimientos son de entre 60 a 120 toneladas por hectárea y sui rendimiento en contenido
de azúcar puede fluctuar entre el 10% y 12,5% base azúcar cruda.
Producción
En la actualidad, el azúcar se produce en más de 120 países, con una producción total
cercana a los 145 millones de toneladas y con una tendencia creciente de la producción para
hacer frente a la demanda mundial.
Consumo
El azúcar es un producto de consumo básico y cumple dos roles fundamentales en la dieta
alimenticia de las personas: actúa como endulzante y es un alimento que proporciona
energía.
19
El sabor dulce es una sensación básica para el paladar humano, con una gran carga
emocional. Lo dulce es placentero y se obtiene en los primeros días a través de la leche
materna. Antes de 1650 los principales endulzantes eran la miel y las frutas.
El comportamiento del consumo en el mundo es similar al de la producción; es decir,
presenta una tendencia creciente. (Bolívar, Galetovic, & Jana, 2005)
2.2 MÁQUINAS EMPACADORAS
Una máquina empacadora es un sistema que tiene como objetivo controlar la concentración
de la materia prima y realizar el sellado dentro de un empaque. Tiene dos sistemas
principales como es el de dosificación y de sellado. Existen máquinas manuales,
semiautomáticas y automáticas. Usualmente en este tipo de máquinas se utilizan sistemas
como la neumática y la hidráulica porque los actuadores realizan desplazamientos rápidos y
precisos, pero cuando se realiza el diseño de una máquina se debe tomar en cuenta la
energía con la que trabaja, elementos de mando, sistemas de control, etc., por lo que este
prototipo trabajará con elementos mecánicos, electromecánicos y electrónicos, los cuales
permiten un control eficiente.
Las máquinas empacadoras semiautomáticas son diseñadas para realizar el empaquetado de
productos, ya sean sólidos, líquidos o en polvo, las cuales tienen una combinación de
procesos automáticos y procesos manuales. Cada máquina puede tener diferentes elementos
mecánicos o electrónicos y pueden ser unas más sofisticadas que otras pero con la misma
finalidad. La gran mayoría de estas máquinas poseen un sistema metálico por donde pasa el
plástico, tomando la forma de una bolsa realizando un sellado vertical con niquelinas a una
20
determinada temperatura, para que el producto pase por el interior del tubo de plástico para
ser sellado en la parte inferior y cortar los empaques individuales y así obtener el producto
final. Además existen máquinas empacadoras divididas en dos partes en una sola estructura,
la primera es un sistema de dosificado y la segunda es el sistema de sellado. La mayoría de
las máquinas poseen una estructura de forma vertical, ya que el producto granulado se
encuentra almacenado en una tolva en la parte superior y con la ayuda de la gravedad baja
al proceso de dosificado.
2.2.1 Máquinas Dosificadoras
El sistema dosificador es un mecanismo que se utiliza para regular la salida del producto, el
mismo que está compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores,
electroimanes y actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es
diferente y depende del tipo de producto a dosificar.
Existen varios tipos de dosificadores, los cuales dependen de su producto como
dosificadores de líquidos, de gas y de sólidos.
El tema de máquinas dosificadoras es muy extenso, por lo que vamos a considerar a los
dosificadores de sólidos como principales, ya que son los más apropiados para el desarrollo
de este proyecto. Además el dosificado del producto se lo realizará en forma vertical, ya
que se aprovecha a la gravedad para dejar caer el producto en su empaque.
Las dosificadoras de sólidos pueden tener diferentes sistemas, por lo que se dividen en:
Dosificador por peso
21
Dosificador por tornillo sinfín
Dosificador por pistón
Dosificador por volumen
2.2.1.1 Dosificador Por Peso
La dosificación por peso se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento, siendo llevado hacia dos canales transportadores vibratorios, uno fino y
otro grueso, los mismos que son controlados desde el panel de control para que se detengan
(primero el grueso y después el fino) cuando el producto haya sido pesado por una balanza
que se encuentra a continuación de dichos canales y haya completado el peso deseado. La
descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su
empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es
necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)
Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza
Fuente: www.ingesir.com.ar
22
2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín
La dosificación por tornillo sinfín se realiza por medio del producto despachado desde la
tolva de almacenamiento, llevándolo directamente hacia el tornillo sinfín diseñado
especialmente para ajustar diferentes dosis que se requiera, de esta manera cuando el
tornillo sinfín gire un determinado tiempo, el producto caerá por la boquilla de descarga en
su empaque. Para su manejo solo es necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)
Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.1.3 Dosificador Por Pistón
La dosificación por pistón se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento, llevándolo directamente hacia el pistón dosificador de carrera, el mismo
que se activa abriendo espacio dentro de la boquilla de descarga para que el producto caiga
en el empaque y cuando no se encuentra activado, el paso del producto permanecerá
sellado. La regulación de la dosis dependerá de la distancia de apertura dentro de la
boquilla de descarga. (INGESIR, 2011)
23
Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.1.4 Dosificador Por Volumen
La dosificación volumétrica se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento llenando recipientes con la dosis deseada, los mismos que son colocados
sobre una bandeja central que gira con velocidad controlada desde el panel de control. La
descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su
empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es
necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)
24
Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.2 Máquinas Selladoras
El sistema sellador es un mecanismo que se utiliza para unir las partes abiertas de un
empaque logrando que el producto dosificado quede protegido, el mismo que está
compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores, electroimanes y
actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es diferente y
depende del tipo de producto a sellar. (INGESIR, 2011)
2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales
Las máquinas selladoras manuales generalmente son utilizadas para unir fundas de
polietileno, poliéster, polipropileno, papel filtro, etc. Usualmente son utilizadas para una
producción de bajo volumen de un determinado producto. Para realizar el sellado es
necesario que el empaque sea pre fabricado y el tamaño depende del producto a sellar.
25
Figura No. 7. Selladora manual
Fuente: www.bonomi-resistencias.com.ar
Descripción:
1. Agarradera
2. Palanca
3. Silicona térmica
4. Estructura metálica
5. Tela térmica
6. Lámina metálica
7. Luz indicador
8. Control temperatura
2.2.2.2 Técnicas De Sellado
El sistema de sellado consiste en unir los extremos de las fundas de papel filtro para que se
queden totalmente cerradas con café y azúcar.
26
Entre los principales tipos de sellado tenemos:
Sellado por fusión
Sellado por gas calentado
Sellado por cosido
2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión
Las superficies del material a sellar se funden y se deben comprimir con una pequeña
presión una contra otra durante el tiempo programado para lograr el sellado. Para conseguir
el calentamiento de las superficies se utilizan elementos de conducción de calor, que se
calientan por medio de corriente eléctrica, transformándola en calor, como una niquelina El
tiempo y la cantidad de calor ejercida sobre las superficies dependen del material a sellar.
Figura No. 8. Selladora por fusión
Fuente: www.empaqueysellado.com
27
2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente
Es un sistema combinado con varios elementos que consiste en un soplete interno de sellar
por aire caliente, que funciona eléctricamente. La punta del soplete es similar a la de un
soplete para soldar metal, por la que sale aire caliente comprimido. El aire sale a una
determinada presión producida por un ventilador que se encuentra en el interior del soplete.
Figura No. 9. Selladora por aire caliente
Fuente: www.logismarket.es
2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido
Las superficies a sellar son unidas con hilo de manera que el producto interno no salga por
ningún orifico ya que el sistema cuenta con un sellado seguro por pasar dos veces el hilo
por el mismo lugar, reforzando la unión. El sistema cuenta con un riel fijo por el que un
motor recorre de un lado al otro realizando el sellado y regresando a su inicio. El motor
puede activarse por medio de un pulsador o por medio de un sensor cuando detecte la
presencia de la funda lista a sellar.
28
Figura No. 10. Selladora por cosido
Fuente: www.agroterra.com
2.3 MATERIALES INDICADOS PARA EL CONTACTO CON ALIMENTOS
Los materiales que se encuentren en contacto con los alimentos deben estar en condiciones
normales y libres de corrosión. Los materiales correctos para el contacto con los alimentos
pueden ser los aceros inoxidables, plásticos, fundas de papel filtro, enlatados, entre otros.
Al fabricar o comprar una máquina para producción de alimentos, se debe tomar en cuenta
el material que se encuentra en contacto con estos, ya que deben ser los correctos para
obtener una producción libre de contaminación del producto.
2.3.1 Aceros Inoxidables
Son elementos de aleaciones combinadas donde el cromo forma una capa sobre la
superficie con resistencia a la corrosión, elevada resistencia y ductilidad. Las propiedades
de los aceros inoxidables son importantes ya que aportan al ámbito higiénico, son
29
reciclables y ayudan a no contaminar el medio ambiente. Poseen una alta resistencia
mecánica, además soportan altas y bajas temperaturas; al igual que tienen un buen acabado
estético, al cual se lo puede someter a diferentes procesos para obtener terminados de
espejo, coloreados, satinado, entre otros.
Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable
Fuente: www.equipcenter.com.ar
La mayoría del equipo para el procesamiento de alimentos, en cocinas, áreas de servicio de
alimentos, máquinas y herramientas, está construido de acero inoxidable (tipo 304). El
acero inoxidable no se corroe fácilmente, es de fácil limpieza, no reacciona con los
alimentos ni es tóxico. Para que el acero inoxidable dure por tiempo largo, debe limpiarse
en forma adecuada y luego secarse totalmente, no debiendo sufrir rayones, golpes o
impactos que alteren el pulido de la superficie. No es aconsejable colocar sobre el acero
inoxidable concentraciones elevadas de sal por tiempos largos. (Kalpakjian, 2002)
Los aceros inoxidables son utilizados en amplios campos como en la alimentación,
transporte, salud construcción, energía, etc. Se llaman inoxidables porque en presencia de
oxígeno forman una película delgada y dura muy adherente de óxido de cromo, que protege
al metal contra la corrosión. Esta película protectora se vuelve a formar en caso que se raye
la superficie. (Fauquié, 2000)
30
Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas
de aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos
AISI Resistencia Resistencia Elongación Características y aplicaciones típicas
Tensil a cedencia en
(UNS)
máx.
(MPa) (MPa) 50mm (%)
303 550-620 240-260 53-50 Productos de máquinas de roscar , flechas, válvulas, pernos,
(S30300) bujes y tuercas; acoplamientos para aeronaves; pernos;
tuercas; remaches; tornillos; prisioneros.
304 565-620 240-290 60-55 Equipo químico y de procesamiento de alimentos, equipo
(S30400) para cervecerías, recipientes criogénicos, canalones,
tubos de descenso, botaguas.
316 550-590 210-290 60-55
Elevada resistencia a la corrosión y alta resistencia a la
cedencia
(S31600) Equipo para manejar productos químicos y pulpas, equipo
fotográfico, cubas para brandy, piezas de fertilizantes,
marmitas
de cocción de salsa de tomate y tinas de fermentación.
410 480-520 240-310 35-25 Piezas para maquinaria, flechas de bombas, pernos, bujes,
(S41000)
rampas para carbón, cuchillería, implementos de pesca,
herrajes,
piezas de motor a chorro, maquinaria para la industria
minera,
cañones para rifles, tornillos y válvulas.
416 480-520 275 30-20 Acoplamientos para aeronaves, pernos, tuercas, insertos
(S41600) para extintores de incendio, remaches y tornillos.
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: (Fauquié, 2000)
2.3.2 Papel Filtro
Un papel filtro es lo mismo que un tamiz: tiene orificios finos de cierto tamaño que
permiten que algunas partículas lo atraviesen, mientras que otras quedan retenidas, según su
tamaño. La mayoría de los filtros de papel tienen orificios, o poros, de 1/100000 cm de
31
diámetro. Algunas partículas mayores son retenidas por el papel filtro; se pueden fabricar
filtros de papel con diferentes tamaños de los poros, según los empleos a que estén
destinados.
Figura No. 12. Funda de papel filtro
Fuente: www.cecomex.com.ec
En general las partículas sólidas son mucho más grandes que las líquidas, y cuando se
intenta que una mezcla de sólidas y líquidas pase a través de un filtro de papel, las sólidas
son retenidas en el filtro mientras que las líquidas pasan a través del mismo. Las partículas
sólidas han sido filtradas de las partículas líquidas. (Sellwood, 1995)
2.4 CONTROL DE LAS MÁQUINAS
El control de las máquinas puede ser por medio de microcontroladores.
2.4.1 Microcontrolador
Un microcontrolador combina los recursos fundamentales disponibles en un
microcomputador, es decir, la unidad central de procesamiento CPU, la memoria de los
recursos de entrada y salida, en un único circuito integrado. La siguiente figura muestra en
diagrama de bloques general de un microcontrolador.
32
Figura No. 13. Diagrama de bloques general de un microcontrolador
Elaborado por: Valdés & Pallas, 2007
Fuente: Valdés & Pallas, 2007
Igual que en un microcomputador, la CPU es el “cerebro” del microcontrolador. Esta
unidad trae las instrucciones del programa una a una, desde la memoria donde están
almacenadas, las interpreta (descodifica) y hace que se ejecuten. En la CPU se incluyen los
circuitos de la ALU para realizar operaciones aritméticas y lógicas elementales con los
datos binarios.
La CPU de un microcontrolador dispone de diferentes registros, algunos de propósito
general y otros para propósitos específicos, entre estos últimos están el registro de
instrucción, el acumulador, el registro de estado, el contador de programa, el registro de
direcciones de datos y el puntero de la pila.
La memoria del microcontrolador el es lugar donde son almacenadas las instrucciones del
programa y los datos que manipulan. En un microcontrolador siempre hay dos tipos de
memoria, la memoria RAM (Random Access Memory) y la memoria ROM (Ready Only
Memory). La memoria RAM es una memoria de lectura y escritura que además es volátil,
33
es decir, pierde la información almacenada cuando falta la energía que alimenta a la
memoria. La memoria ROM es una memoria de sólo lectura y no volátil.
La entrada y salida es particularmente importante en los microcontroladores, pues a través
de ella el microcontrolador interacciona con el exterior. Forman parte de la entrada y salida
los puertos paralelo y serie, los temporizadores y la gestión de las interrupciones. El
microcontrolador puede incluir también entradas y salidas analógicas asociadas a
convertidores A/D y D/A. (Valdés & Pallas, 2007)
CAPÍTULO III
34
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA
A continuación se presenta el análisis de requerimientos del proyecto:
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
A continuación se realiza una tabla con datos del análisis de requerimientos de la máquina.
Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina
REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN
ESTRUCTURA
Tipo de estructura Metálica, por su consistencia y resistencia
Tipo de material Tol galvanizado y acero inoxidable en las partes que
tenga contacto físico con el alimento
Tipo de pintura Electrostática, para evitar descargas eléctricas
DOSIFICADO Y SELLADO
Dosificación Desde 7 hasta 1000 gramos
Rendimiento 8 fundas en 1 minuto aproximadamente
Sellado Niquelina a alta temperatura
Modificar cantidad de dosificado Por medio de tiempo, volumen o peso
Modificar tiempo de sellado Depende del material a sellar
Capacidad de detectar cualquier
tipo de empaque
Para dosificar y sellar en plástico grueso, delgado,
papel filtro, etc.
Control Por medio de microcontrolador o plc
35
PRODUCTO Y EMPAQUE
Material de empaques Plástico grueso, delgado, papel filtro.
Tipos de productos Grano fino(azúcar), mediano (arroz) y grueso (fréjol)
Tamaño empaque Mínimo 5cm x 5cm, hasta 15 cm x 15cm
VARIOS
Tensión de funcionamiento 110 voltios y/o 220 voltios
Protección tarjetas electrónicas Dentro de un panel de control
Tipos de motores Servomotores para control de posición
Dimensiones 1m largo x 1m ancho x 1m profundidad
Temperatura ambiente Mínimo 10oC y máximo 30
oC
Peso aproximado 40 kilos
Movilidad Capaz de ser llevado con facilidad
Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana
Interfaz amigable al usuario Por medio de un panel de control
Elaborado por: Darío Mena
3.1.1 Análisis De La Máquina
Las condiciones iniciales de la máquina para iniciar son: llenar el silo con producto y
energizar el sistema.
La máquina realiza cuatro funciones principales que son:
Detectar la funda a dosificar, cuyo tiempo es de 0,01 segundos; llenar la funda con
producto, cuyo tiempo es de 0,5 segundos; detectar la funda a sellar, cuyo tiempo es de 0,01
36
segundos y sellar la funda, cuyo tiempo es de 1,2 segundos, los cuales tiene como finalidad
conseguir un producto empacado que cumpla los requerimientos de fabricación.
Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2 Estructura De La Empacadora
Para realizar el estudio de la empacadora se la divide en dos sistemas:
Sistema de Dosificado
Sistema de Sellado
DETECTAR LA
FUNDA A
DOSIFICAR
DETECTAR LA
FUNDA A
SELLAR
SELLAR LA
FUNDA
LLENAR LA
FUNDA CON
PRODUCTO
LLENAR EL
SILO CON
PRODUCTO
ENERGIZAR
EL SISTEMA
37
Foto No. 1. Módulo general del sistema
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.1 Material De La Máquina
La máquina estará compuesta por tres tipos de materiales que son:
Tol galvanizado
Acero inoxidable
Hierro
El tol galvanizado es un material que pertenece al conjunto de materiales que son sometidos
a procesos electroquímicos, el cual es formado por el recubrimiento de un metal con otro.
La mayor parte de la máquina irá cubierta con tol galvanizado ya que es un material de fácil
maleabilidad y se pueden fabricar piezas específicas sin tener problemas en el
funcionamiento. La protección de la estructura y de todos los componentes internos irán
cubiertos por este material.
38
El silo de almacenamiento del producto será de acero inoxidable por sus propiedades frente
a los alimentos. Existen varios tipos de aceros inoxidables, de los cuales, el más indicado
para esta máquina es el A.I.S.I. 304 ya que estará en contacto con el alimento a empacar.
El A.I.S.I. 304 tiene una gran resistencia a la corrosión en todos los estados que este pueda
estar, soportando a los ácidos inorgánicos y orgánicos, productos alimenticios etc. Es
utilizado en industria química, alimenticia, automotriz, estanterías, etc.
El soporte de la estructura metálica es de tubo de hierro cuadrado de ¾ pulgadas, el cual
forma una estructura sólida donde se asientan todos los componentes del sistema,
manteniéndose fijos a ésta.
3.1.2.2 Sistema Dosificador
La función de este sistema es llenar la funda con producto, que en este caso es café con
azúcar. Para realizar este proceso hay que detectar la funda a dosificar, activar el
servomotor y llenar la funda.
3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador
En la parte inferior del silo de almacenamiento se ha colocado un tope de forma cilíndrica
alrededor del tubo más pequeño a una cierta altura, de tal manera que la funda ingresa por
este, hasta llegar al tope cilíndrico para que el producto pueda caer libremente por el
orificio de 1 centímetro de diámetro. La funda debe llegar hasta el tope cilíndrico para que
el sensor pueda detectarla.
39
Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador
A continuación se describen los componentes principales del sistema dosificador:
Sensor
El sensor de presencia QRD1114, es un sensor óptico compuesto por un diodo infrarrojo y
un fototransistor para detectar el reflejo de luz infrarroja y así poder detectar cualquier
objeto a una distancia de 1 centímetro, la cual puede alcanzar a detectar la funda de papel
filtro, dependiendo en la posición que este se encuentre en el silo.
Se ha escogido este tipo de sensor por su funcionamiento especialmente en ésta máquina,
ya que se requiere detectar a una funda de papel filtro a una distancia de 1 centímetro y
debe ser pequeño para ser colocado en cualquier lugar de la máquina, por lo que es
adecuado para lo requerido.
40
Servomotor
Los servomotores de corriente continua son pequeñas máquinas especialmente diseñadas
para el control de posicionamiento de su eje. Aunque el principio de funcionamiento es el
de una máquina de continua convencional con excitación independiente, su forma
constructiva está adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par
de arranque importante. (Balcells & Romeral, 1997)
El servomotor Hitec HS-311 Estándar se encuentra fijo en la estructura, cuyo eje realiza la
acción de abrir y cerrar la compuerta del silo de almacenamiento. Se ha escogido este
servomotor por tener el torque adecuado de 3.7 kg.cm para la acción requerida y es
activado cuando el sensor detecta la presencia de la funda de papel filtro. (HITECRCD,
2008)
Al momento de dosificar la funda de papel filtro, la compuerta se queda abierta durante 225
milisegundos con el torque respectivo del servomotor, cuyo tiempo es adecuado para
dosificar la cantidad de 11 gramos con producto.
Silo
El silo consiste en una tolva para almacenar el café con azúcar. El silo es de acero
inoxidable por sus características propias frente a los alimentos de consumo humano, y
tiene la forma de un cono cilíndrico para que el producto no se quede atascado en uniones o
esquinas con un mejor flujo en la salida y posee una tapa en la parte superior para evitar el
ingreso a elementos extraños.
41
Cálculos del volumen del silo
Para calcular el volumen de producto que debe haber en el silo, se lo divide en tres partes
por estar compuesto de diferentes secciones, y se realizan las siguientes operaciones:
Gráfico No. 3. Secciones del silo
3
2
1
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Autocad
Volumen sección 1: Prisma cilíndrico
Se aplica la fórmula 1 para obtener el volumen de la sección 1 del silo.
[1]
Donde: r es el radio del cono,
h es la altura del cono.
Volumen sección 2: Prisma cónico truncado
Se aplica la fórmula 2 para obtener el volumen de la sección 2 del silo.
42
[2]
Donde: h es la altura del cono truncado,
R es el radio mayor del cono truncado,
R es el radio menor del cono truncado.
Volumen sección 3: Prisma cilíndrico
Se aplica la fórmula 1 para obtener el volumen de la sección 3 del silo.
Volumen Total del Silo
Se aplica la fórmula 3 para obtener el volumen total del silo.
[3]
Donde: volumen1 es el volumen de la sección 1 del silo,
volumen2 es el volumen de la sección 2 del silo,
volumen3 es el volumen de la sección 3 del silo.
43
Se necesitará de 1778 gramos aproximadamente del producto para que el silo se haya
llenado hasta su tope máximo requerido.
Acople de sujeción
El acople de sujeción es una pieza fija en la estructura en la que se ajusta el servomotor
Hitec-HS 311 estándar, el que realiza la apertura o cierre de la compuerta del silo
dosificador. Su material es de acero de 3mm de espesor, ya que es una lámina robusta
manteniéndose firme sin tendencia a doblarse cumpliendo su requerimiento.
Compuerta
La compuerta de salida del producto consiste en una lámina de acero inoxidable sujetada al
eje del servomotor por medio de un acople. Ésta lámina gira conjuntamente con el eje del
servomotor cuando es activado. Permite la apertura del dosificador al coincidir el centro de
la salida del silo de almacenamiento con el orificio en la compuerta, dejando caer el
producto hacia la funda.
Funda de papel filtro
Los granos a dosificar tienen un diámetro aproximado de 1 milímetro por lo que la funda de
papel filtro es adecuada para este prototipo.
A continuación se presentan las características de los componentes del sistema dosificador:
44
Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador
COMPONENTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
SILO Material: A.I.S.I. 304
Espesor: 1 mm
Volumen: 1778 cm3 aproximadamente
Fuente: www.salonemprendedor.com
SENSOR Tipo: Sensor de presencia
Dimensiones cabeza (mm): 6.1 x 4.39 x 4.65
Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC
Rango: 1 centímetro
Fuente: www.me.ucsb.edu
SERVOMOTOR Tipo: Hitec-HS311 Estándar
Dimensiones (mm): 40 x 20 x 37
Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC
Torque: 3.7 kg.cm
Rango de giro: 0° a 180°.
Fuente: www.hitecrcd.com
ACOPLE DE SUJECIÓN Tipo: Lámina
Material: Acero de 3 mm
Fuente: AutoCad
COMPUERTA Tipo: Lámina
Material: Acero de 3 mm
Fuente: AutoCad
Elaborado por: Darío Mena
45
3.1.2.2.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Dosificador
Una vez que el café con azúcar hayan sido homogenizados y listos para ser empacados, son
vaciados dentro del silo de modo manual por un operador. Este producto es retenido hasta
iniciar el proceso de dosificado.
Para realizar el dosificado automático utilizamos un servomotor, el que se activará después
de que el sensor colocado en la salida del silo haya detectado la presencia de la funda de
papel filtro. El eje del servomotor gira a una posición específica durante un tiempo
programado para la apertura del silo, esto quiere decir que cuando el servomotor se active,
la salida del silo se abrirá y el producto caerá a la funda de papel filtro durante el tiempo
programado y se desactivará enseguida, para detectar una nueva funda.
Gráfico No. 4. Diagrama de flujo de lógica de funcionamiento de sistema dosificador
NO
SI
SI
INICIO
ENCENDER
APAGAR
DESABILITA Y APAGA
TODOS LOS COMPONEENTES
DEL SISTEMA
A
46
NO
NO
SI
NO
SI
NO
SI
NO
SENSAR
FUNDA
ACTIVAR
MOTOR
POSICIONAR
EL EJE DEL
MOTOR
A
ABRIR LA
COMPUERTA DEL
SILO
ESPERAR TIEMPO
PROGRAMADO
LENAR LA FUNDA
CON PRODUCTO
ACTIVAR
MOTOR B
C
47
SI
NO
SI
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.3 Sistema Sellador
La función de este sistema es unir las superficies de la funda por donde el producto fue
dosificado. Para realizar este proceso hay que detectar la funda a sellar, activar los
servomotores, activar el fin de carrera, calentar la niquelina y retirar la funda sellada.
3.1.2.3.1 Módulo Del Sistema Sellador
Se presenta a continuación el módulo del sistema sellador del prototipo real.
B C
FIN
CERRAR LA
COMPUERTA DEL
SILO
POSICIONAR
EL EJE DEL
MOTOR
48
Foto No. 3. Módulo del sistema sellador
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.3.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Sellador
A continuación se describen los componentes principales del sistema dosificador:
Sensor
El sensor de presencia QRD1114, es un sensor óptico compuesto por un diodo infrarrojo y
un fototransistor para detectar el reflejo de luz infrarroja y así poder detectar cualquier
objeto a una distancia de 1.5 centímetros, la cual puede alcanzar a detectar la funda de
papel filtro, dependiendo en la posición que este se encuentre.
Se ha escogido este tipo de sensor por su funcionamiento especialmente en ésta máquina,
ya que se requiere detectar a una funda de papel filtro a una distancia de 1 centímetro y
debe ser pequeño para ser colocado en cualquier lugar de la máquina, por lo que es
adecuado para lo requerido.
Servomotor
Los servomotores Hitec HS-755HB tienen el torque con capacidad de mover a la palanca
para realizar el sellado. Estos se encuentran fijos en la estructura.
49
Se ha escogido este tipo de servomotor por tener un torque de 11 kg.cm, el cual es
adecuado para la acción requerida y son activados cuando el sensor detecta la presencia de
la funda de papel filtro para mover la palanca de sellado. (HITECRCD, 2008)
Al momento de sellar la funda de papel filtro, la palanca se queda presionada durante 800
milisegundos con el torque respectivo del servomotor, cuyo tiempo es adecuado para lograr
un buen sellado.
Fin de carrera
Interruptores de posición o también llamados finales de carrera, se utilizan parea detectar,
por contacto físico el final de recorrido de un elemento móvil de una máquina o dispositivo
automático. Permiten abrir y/o cerrar circuitos cuando se ejerce presión sobre él, volviendo
estos a su posición de reposo cuando cesa la acción. Dependiendo de las necesidades de
detección existen numerosos tipos de cabezas de accionamiento (rodana, palanca, rueda,
varilla, etc.) intercambiables entre sí para un mismo modelo de final de carrera.
Algunos modelos se fabrican de material altamente robusto para trabajar en ambientes
industriales muy agresivos. (Martín & García, 2009)
El fin de carrera del prototipo se encuentra fijo en la estructura junto a la niquelina, el que
es presionado por la palanca de sellado cuando los servomotores son activados.
Se ha escogido este elemento electromecánico para cambiar una señal física a una señal
eléctrica al momento de presionar su pulsador, en este caso cuando la palanca presiona el
fin de carrera
50
Niquelina
La función de la niquelina es calentarse para que selle la funda. La niquelina es de tipo
plana y se activa por medio de un transformador. Se calienta por medio de un pulsador, al
presionar el fin de carrera, se cierra el circuito que se encuentra en normalmente abierto
haciéndola calentar de forma instantánea sellando la funda.
El sistema eléctrico de la niquelina es independiente a los demás sistemas de la
empacadora, ya que el fin de carrera funciona como un pulsador para cerrar el circuito y
activar la niquelina.
Se ha escogido este tipo de niquelina ya que es el más común en este tipo de máquinas y es
adecuada para realizar el sellado de las fundas de papel filtro.
Cuando la niquelina es activada, se enciende durante 800 milisegundos para sellar la funda
de papel filtro. Este tiempo es adecuando para mantener un buen sellado y apropiado para
evitar la quemadura total de la tela térmica que cubre a la niquelina.
La niquelina no debe estar encendida por largo tiempo ya que el transformador puede sufrir
daños.
Tela térmica
La tela térmica es la unión de tejidos de material resistente a altas temperaturas. La
niquelina es protegida por la tela térmica para que la funda de papel filtro no tenga contacto
directo con el material incandescente evitando quemarla.
51
Silicona térmica
La silicona térmica se encuentra colocada en la palanca de sellado en posición horizontal,
de tal manera que llega a toparse con la niquelina, soportando altas temperaturas y haciendo
presión para sellar la funda.
Palanca de sellado
Consiste en dos brazos de lámina de acero de 3mm separados por medio de una barra
rectangular de tol galvanizado en sus extremos. Los otros extremos sueltos son conectados
a los ejes de los servomotores Hitec-HS 755HB por medio de un acople. En la parte
posterior de la barra metálica se encuentra colocada una barra de silicona térmica, la que
hace presión con la niquelina al momento que la palanca realiza el sellado.
Acoples de sujeción
Los acoples de sujeción son dos piezas fijas en la estructura en la que se ajusta el
servomotor Hitec-HS 755HB, cuyos ejes son conectados a cada brazo de la palanca. Su
material es de acero de 3mm de espesor, ya que es una lámina robusta manteniéndose firme
sin tendencia a doblarse al realizar el sellado.
Funda de papel filtro
El prototipo puede dosificar fundas de varias dimensiones y puede sellar fundas de hasta 15
centímetros de ancho.
52
Tabla No. 13. Tamaño de la funda de papel filtro en centímetros
RANGO DE PESO
(gramos)
ALTO DE LA FUNDA
(cm)
ANCHO DE LA FUNDA
(cm)
11 5 5
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Darío Mena
El rango de peso de la funda con el producto dosificado tiene una tolerancia de 0,5
gramos, lo que quiere decir que el peso total puede variar entre 10,5 y 11,5 gramos.
A continuación se presentan las características de los componentes del sistema sellador:
Tabla No. 14. Características técnicas de los componentes del sistema sellador
COMPONENTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
SENSOR Tipo: Sensor de presencia
Dimensiones cabeza (mm): 6.1 x 4.39 x 4.65
Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC
Rango: 1 centímetro
Fuente: www.me.ucsb.edu
SERVOMOTOR Tipo: Hitec HS-755HB
Dimensiones (mm): 59 x 29 x 50
Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC
Torque: 11 kg.cm
Grados de giro: 0° a 180°
Fuente: www.hitecrcd.com
NIQUELINA
Tipo: Plana
Dimensiones (cm): 0.4 x 18
Voltaje de funcionamiento: 24 voltios AC
53
FIN DE CARRERA Tipo: Industrial
Voltaje máx.: 500/660 voltios AC/DC
Corriente máx.: 10 amperios
TELA TÉRMICA
Tipo: Común
Dimensiones (cm): 2.5 x 18
SILICONA TÉRMICA
Tipo: Común
Dimensiones (cm): 1 x 19 x 1
Fuente: www.tritonpackaging.com
PALANCA DE SELLADO Tipo: Lámina
Material: Acero de 3mm
Fuente: AutoCad
ACOPLES DE SUJECIÓN Tipo: Lámina
Material: Acero de 3mm
Fuente: AutoCad
Elaborado por: Darío Mena
54
3.1.2.3.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Sellador
Para sellar las fundas de papel filtro es necesario calentar sus dos superficies y
comprimirlas una contra otra con una pequeña presión durante un tiempo programado para
lograr el sellado. Para esto, el filo de la funda se debe colocar junto a la niquelina, que se
encuentra en la estructura.Una vez que se encuentre lista en esta posición, el sensor
detectará la presencia de la funda, haciendo activar a dos servomotores, para que sus ejes
conectados a dos brazos, giren a una determinada posición, logrando activar el fin de
carrera con uno de ellos, para calentar la niquelina, obteniendo el sellado de la funda. El
proceso se repite cuando el sensor detecta una nueva funda.
Cuando uno de los brazos hace contacto con el fin de carrera, este se mantiene presionado,
activando la niquelina durante un determinado tiempo para lograr el sellado de la funda.
Una vez terminado el sellado, los ejes de los servomotores conectados a los brazos, son
ubicados en la posición inicial, hasta detectar una nueva funda para repetir el proceso.
Gráfico No. 5. Diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema sellador
NO
SI
INICIO
ENCENDER DESABILITA Y APAGA
TODOS LOS COMPONEENTES
DEL SISTEMA
B A
55
SI
NO
NO
SI
NO
SI
NO
SI
NO
SI
APAGAR
SENSAR
FUNDA CON
PRODUCTO
ACTIVAR
MOTOR
PULSAR FIN
DE CARRERA
CALENTAR
NIQUELINA
A B
C
56
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.4 Control De La Máquina
Para el control de ésta máquina se requiere que todos los componentes electrónicos,
mecánicos, electromecánicos y demás elementos que conforman todo el sistema, estén
relacionados y conectados a un solo controlador o cerebro que sea capaz de recibir y enviar
información que son transmitidos por dichos elementos. Por lo que se ha escogido a un
microcontrolador como el cerebro que controla a todos los componentes por medio de la
programación respectiva.
3.1.2.5 Fuentes De Alimentación
La alimentación general de la máquina es de 110 voltios de corriente alterna, la que pasa
por un regulador de voltaje para obtener 5 voltios de corriente continua para alimentación
del microcontrolador y demás elementos electrónicos.
SELLADO DE FUNDA
CON PRODUCTO
FIN
C
57
La energía para la niquelina es por medio de un transformador de 24 voltios de salida con
una corriente de 8 amperios. La corriente es alta para que la niquelina llegue a altas
temperaturas para un sellado seguro.
3.2 DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS DEL
PROYECTO
El diseño de los componentes mecatrónicos se dividen en varias partes:
3.2.1 Sistema Mecánico
A continuación se presentan las partes mecánicas del prototipo.
Foto No. 4. Silo de almacenamiento
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
58
Foto No. 5. Palanca de sellado
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.2.2 Sistema Dosificador
A continuación se presenta el hardware y software del sistema dosificador:
3.2.2.1 Hardware Del Sistema Dosificador
La tarjeta electrónica del sistema dosificador está compuesta por diferentes dispositivos
electrónicos y se detallan en la siguiente tabla:
Tabla No. 15. Componentes de hardware del sistema dosificador
CANTIDAD COMPONENTE
1 Baquelita
1 Bornera de 3 pines
2 Borneras de 2 pines
1 Cristal de 4 MHz
6 Espadines macho
1 Pic 16F877A
1 Resistencia 10K ohmios
1 Resistencia 1K ohmios
1 Resistencia 220 ohmios
1 Sensor QRD1114
1 Servomotor Hitec - HS 311 Estándar
1 Zócalo de 40 pines Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
59
Componentes de entrada al microcontrolador
La simbología de entrada al microcontrolador es I (input) ó 1 lógico.
El sensor de presencia es una entrada al microcontrolador, ya que este recibe un dato de 0 ó
1 lógico y lo envía por un pin de entrada. La configuración de pin de entrada se la realiza
por medio de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control.
El sensor QRD1114 tiene un pin de envío de datos el que se conecta directamente al pin de
entrada del microcontrolador.
Componentes de salida del microcontrolador
La simbología de salida del microcontrolador es O (output) ó 0 lógico.
El servomotor es una salida de control, ya que el microcontrolador está programado para
enviar un dato de salida cuando el sensor reciba el dato de presencia de la funda para
posicionar al eje del servomotor. La configuración de pin de entrada se la realiza por medio
de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control. La conexión del
microcontrolador al servomotor es directa por medio del pin de control.
Configuración de pines del microcontrolador
La configuración de los pines del microcontrolador debe ser realizada por medio de la
programación. Los pines son configurados como entradas o salidas dependiendo el
requerimiento de los componentes a controlar.
Los pines configurados como entrada en el microcontrolador son:
60
RC4 entrada del sensor que detecta la presencia de la funda.
Los pines configurados como salida en el microcontrolador son:
RB7 control de la posición de los ejes del servomotor.
Esquema electrónico del sistema dosificador
A continuación se presenta el esquema de hardware del sistema dosificador:
Gráfico No. 6. Esquema de hardware del sistema dosificador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
3.2.2.2 Software Del Sistema Dosificador
Los elementos electrónicos se complementan con la programación del microcontrolador
para formar un sistema.
61
Cuando el sensor detecta la presencia de la funda, el dato es recibido y enviado al puerto de
entrada del microcontrolador, el cual es analizado por una específica condición, y si la
cumple, el programa envía 1 lógico por el pin de salida para la activación del servomotor
Hitec-HS 311, caso contrario el sensor espera hasta detectar una funda.
El programa realizar las siguientes acciones para el funcionamiento del sistema dosificador:
1. Encender y apagar el prototipo.
2. Encender luces piloto amigables al operador.
3. Mantener almacenado el producto en un silo.
4. Sensar la funda a dosificar.
5. Activar el servomotor para dosificar.
6. Dosificar el producto en la funda.
3.2.3 Sistema Sellador
A continuación se presenta el hardware y software del sistema sellador:
3.2.3.1 Hardware Del Sistema Sellador
La tarjeta electrónica del sistema sellador está compuesta por diferentes dispositivos
electrónicos y se describen en la siguiente tabla:
62
Tabla No. 16. Componentes de hardware del sistema sellador
CANTIDAD COMPONENTE
1 Baquelita
1 Bornera de 3 pines
2 Borneras de 2 pines
1 Cristal de 4 MHz
6 Espadines macho
1 Pic 16F877A
1 Resistencia 10K ohmios
1 Resistencia 1K ohmios
1 Resistencia 220 ohmios
1 Sensor QRD1114
2 Servomotor Hitec - HS 755HB
1 Zócalo de 40 pines Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Componentes de entrada al microcontrolador
La simbología de entrada al microcontrolador es I (input) ó 1 lógico.
El sensor de presencia es una entrada al microcontrolador, ya que este recibe un dato de 0 ó
1 lógico y lo envía por un pin de entrada. La configuración de pin de entrada se la realiza
por medio de la programación, esto se puede hacer para todos los pines de control. El
sensor QRD1114 tiene un pin de envío de datos el que se conecta directamente al pin de
entrada del microcontrolador.
Componentes de salida del microcontrolador
La simbología de salida del microcontrolador es O (output) ó 0 lógico.
63
Los servomotores son componentes de salida, ya que el microcontrolador está programado
para enviar un dato por un pin de salida y posicionar a los ejes de los servomotores. La
conexión del microcontrolador al servomotor es directa por medio del pin de control.
Configuración de pines del microcontrolador
La configuración de los pines del microcontrolador debe ser realizada por medio de la
programación. Los pines son configurados como entradas o salidas dependiendo el
requerimiento de los componentes a controlar.
Los pines configurados como entrada del microcontrolador son:
RC0 entrada del sensor que detecta la presencia de la funda.
Los pines configurados como salida del microcontrolador son:
RB7 control de la posición de los ejes de los servomotores.
Esquema electrónico del sistema sellador
A continuación se presenta el esquema de hardware del sistema sellador:
64
Gráfico No. 7. Esquema de hardware del sistema sellador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
3.2.3.2 Software Del Sistema Sellador
Los elementos electrónicos se complementan con la programación del microcontrolador
para formar un sistema.
Cuando el sensor detecta la presencia de la funda, el dato es recibido y enviado al puerto de
entrada del microcontrolador, el cual es analizado por una específica condición, y si la
cumple, el programa envía 1 lógico por el pin de salida para la activación de los
servomotores Hitec-HS 755HB, caso contrario el sensor espera hasta detectar una funda.
Los servomotores pueden girar de 0 a 180 grados. En condiciones iniciales los
servomotores se encontrarán ubicados en 18.5 grados, hasta que sean activados para ser
ubicados en 72.5 grados para pulsar el fin de carrera y activar la niquelina. Una vez
65
terminado el tiempo de sellado, los servomotores son ubicados a la posición inicial, para
realizar un nuevo sellado.
El programa realizar las siguientes acciones para el funcionamiento del sistema dosificador:
1. Encender y apagar el prototipo.
2. Encender luces piloto amigables al operador.
3. Sensar la funda a sellar.
4. Activar los servomotores.
5. Pulsar fin de carrera.
6. Activar y calentar la niquelina durante el tiempo programado.
7. Sellar la funda.
3.2.4 Simulación
La simulación del prototipo se basa en el hardware del sistema dosificador y sellador.
3.2.4.1 Simulación Del Sistema Dosificador Y Sellador
A continuación se detalla la simulación del sistema dosificador y sellador:
Máquina apagada
La máquina se encuentra apagada cuando el cable de poder no está conectado al
tomacorriente de 110 voltios AC y el interruptor ON/OFF aún no se ha encendido.
66
3.2.4.1.1 Simulación De Sistema Dosificador
A continuación se detalla la simulación del sistema dosificador:
• Condiciones iniciales
Para encender el prototipo se presiona el interruptor en posición de encendido ON.
Una vez encendida la máquina, el eje del servomotor del sistema dosificador
automáticamente se coloca en la posición de 18.5 grados, donde el acople conectado al eje,
cierra completamente el paso del producto, colocándose en la salida del silo de
almacenamiento y quedándose energizado para que se quede fijo.
Gráfico No. 8. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema dosificador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
67
Gráfico No. 9. Simulación en condiciones iniciales de falta de producto en el silo
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Sensado de la funda a dosificar
La funda es detectada por el sensor de presencia y el eje del servomotor automáticamente
se colocan en la posición de 72.5° dejando caer el producto.
Gráfico No. 10. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema dosificador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Una vez que haya terminado el tiempo programado de dosificación del producto, el
servomotor regresa a la posición inicial a 18.5° (Ver Gráfico No 8).
68
Aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento
Cuando el silo de almacenamiento requiera de más producto, se activará una luz piloto para
su aviso.
Gráfico No. 11. Simulación de aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
3.2.4.1.2 Simulación De Sistema Sellador
A continuación se detalla la simulación del sistema sellador:
Condiciones iniciales
Para encender el prototipo se presiona el interruptor ON/OFF.
Una vez encendida la máquina, los ejes de los servomotores del sistema sellador se colocan
automáticamente en la posición de 18.5 grados, donde los brazos de la palanca de sellado se
quedan energizados, fijos y listos para realizar el sellado.
69
Gráfico No. 12. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema sellador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Gráfico. No 13. Simulación de la niquelina en condiciones iniciales
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Sensar la funda a sellar
La funda es detectada por el sensor de presencia y los ejes de los servomotores
automáticamente se colocan en la posición de 72.5°, llegando a pulsar el fin de carrera para
calentar la niquelina y sellando la funda de papel filtro.
70
Gráfico No. 14. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema sellador
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Gráfico No. 15. Simulación de la niquelina al sellar la funda
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Proteus
Una vez que haya terminado el tiempo programado de sellado de la funda, los servomotores
regresan a la posición inicial a 18.5° (Ver Gráfico No. 8).
71
3.2.5 Sistema Eléctrico
Todo el sistema eléctrico de la máquina se encuentra en el panel de control que se presenta
a continuación:
3.2.5.1 Panel De Control
Dentro del panel de control se encuentran todos los elementos que van a controlar al
sistema, como microcontroladores y demás dispositivos electrónicos, los mismos que se
encuentran con protecciones de metal. Todas las conexiones de los elementos que se
encuentran en la máquina llegan directamente a este panel. En la parte frontal de estos
paneles se encuentran pulsadores que controlan de forma directa a la máquina como son de
encendido, apagado y paro de emergencia con sus respectivas luces piloto para tener una
visualización de comprobación del funcionamiento de la máquina. Este panel se lo coloca
en la parte superior de la máquina para que los operadores puedan controlarla sin interferir
en su funcionamiento. El acceso es por la parte superior abriendo la tapa de protección. El
panel de control contiene tarjetas electrónicas de las cuales se distribuyen cables para los
demás sistemas y elementos de la máquina.
72
Foto No 6. Panel de control interior
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Foto No 7. Panel de control exterior
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
CAPÍTULO IV
73
CAPÍTULO IV
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO
A continuación se detalla la construcción del prototipo:
4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
Se presenta la lista de materiales para la construcción de la máquina:
Tabla No. 17. Materiales para la construcción de la máquina.
MÓDULO CANTIDAD UNIDADES MATERIALES
ESTRUCTURA 9,2 metro lineal Tubo cuadrado 3/4 pulgadas
4 m2 Tol galvanizado
0,5 m2 Lámina de acero 2mm espesor
50 unidades Tornillo
20 unidades Perno
PANEL DE 1 unidades Interruptor ON/OFF
CONTROL 7 unidades Luz piloto
1 unidad Paro de emergencia
1 unidad Fuente de computador
4 m Cable UTP categoría 5
3 m Cable gemelo #20
1 unidad Pulsador redondo
SISTEMAS: 2 unidades Servomotor industrial
SELLADOR 1 unidad
Transformador 110VAC-
24VAC
Y 2 unidad Fin de carrera industrial
DOSIFICADOR 1 unidad Niquelina
1 unidad Tela térmica
1 unidad Silicona térmica
2 unidades Baquelita
2 unidades Resistencia 220 ohmios
2 unidades Resistencia 1k ohmios
2 unidades Resistencia 10k ohmios
2 unidades Cristal de 4 MHz
74
4 unidades Borneras de 2 pines
2 unidades Bornera de 3 pines
2 unidades Zócalo de 40 pines
9 unidades Espadines macho
2 unidades Pic 16F877A
2 unidades Sensor capacitivo
1 unidad Servomotor industrial
2 m2 Acero inoxidable
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Ferroindustrial, ubicada en Ibarra y All Power Microcontroller (APM)
A continuación se presentan los pasos para la construcción de la máquina:
Se diseña toda la estructura metálica con todos sus componentes en una herramienta
CAD, acotando todas sus dimensiones.
Se procede a cortar el tubo cuadrado de ¾ pulgadas en: 6 piezas de 20 cm, 4 piezas
de 50 cm, 2 piezas de 40 cm, 2 piezas de 52 cm, 2 piezas de 24 cm, 2 piezas de 12
cm, 10 piezas de 30 cm y 2 piezas de 18 cm.
Se sueldan todos los tubos como se indica en los planos de diseño de la estructura
metálica.
Se toman medidas entre los tubos para formar las tapas de tol galvanizado como se
muestra en el resultado final de la estructura metálica.
Las tapas de tol galvanizado se sueldan a los tubos.
Se perfora un hueco redondo de 12 cm de diámetro en la parte del sistema
dosificador para colocar el silo de almacenamiento, según los planos diseñados.
Se perforan huecos redondos en la lámina del panel de control para colocar las luces
piloto, interruptor ON/OFF y paro de emergencia.
75
Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 5cm x 22,5cm
cortándola y soldándola como se muestra en los planos de diseño del acople de
sujeción del servomotor del sistema dosificador.
El acople de sujeción del servomotor se suelda en la estructura metálica a una altura
de 20 cm desde el suelo y centrado en la pared izquierda.
Se cortan 2 barras de lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de
17cm x 12cm, que son los brazos de la palanca de sellado y se hacen orificios de
1mm de radio para atornillar cada uno de los brazos con los acoples de los
servomotores, según los planos diseñados.
Los extremos de los brazos de la palanca de sellado son sujetos a una barra metálica
en la que se coloca una barra de silicona térmica para soportar la temperatura de la
niquelina.
Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 10cm x
1,5cm, y otra de 4cm x 2cm y doblarla por la mitad, hasta formar un ángulo de 90
grados. Perforar cada una de las láminas con orificios de 1 mm de radio y soldar las
dos láminas en la estructura metálica según los planos de diseño de los acoples de
sujeción del servomotor del sistema sellador.
Se corta una lámina de acero de 3 mm de espesor con dimensiones de 11cm x 20cm
y doblarla en 3 partes como se indica en los planos de la pieza donde se coloca la
niquelina y se hacen orificios para poder atornillarla a la estructura y orificios para
atornillar la niquelina. Además se hacen orificios en dicha lámina para atornillar dos
barras delgadas de acero para sujetar la tela térmica y dos orificios para sujetar una
76
lámina pequeña de acero de dimensiones de 7 cm x 1.5 cm, doblada en la mitad que
sirve como tope máximo que deben llegar las fundas de papel filtro para sellarlas.
Formar el silo de almacenamiento con acero inoxidable en forma de cono, de tal
manera que el orificio superior por donde ingresa el producto para llenar el silo,
debe tener un diámetro de 12 cm y el orificio por donde sale el producto a dosificar
debe tener un diámetro de 3 cm.
A toda la estructura metálica con las láminas de acero soldadas y las piezas sueltas
se las debe masillar para corregir todas las fallas como hendiduras y posteriormente
se pinta a todas las piezas.
Una vez que todas las piezas están listas y pintadas se procede a la implementación
de todos los componentes electrónicos, mecánicos, electromecánicos y demás
elementos que abarcan todo el sistema de control.
4.2 PRUEBAS Y RENDIMIENTO DEL PROTOTIPO
Con el prototipo construido, se puede realizar pruebas para verificación del
funcionamiento, obteniendo resultados como su rendimiento.
Las pruebas buscan establecer la cantidad promedio del producto que la máquina debe
dosificar para llenar la funda con la cantidad requerida, con un rango mínimo de error en la
dosificación.
En las pruebas se harán repeticiones de dosificado y sellado con 10 fundas, en las cuales se
tomará en cuenta la cantidad dosificada, rango de error en la dosificación, tiempo de cada
funda y tiempo total de todo el proceso.
77
4.2.1 Verificación Del Peso Y Tiempo Del Producto Dosificado
En las siguientes tablas se presentan los datos obtenidos de las diferentes pruebas.
A continuación se detalla las pruebas realizadas por el prototipo, del cual se puede obtener
valores de error en el dosificado y la desviación estándar del tiempo de las 10 fundas
tomadas como muestra.
Tabla No. 18. Datos del peso dosificado en diez fundas con un peso de 11 gramos
NÚMERO DE
FUNDA
PESO
REQUERIDO
(gramos)
PESO
DOSIFICADO
(gramos)
ERROR
(%)
1 11 10,5 4,5
2 11 11 0
3 11 10,5 4,5
4 11 11 0
5 11 11 0
6 11 10,5 4,5
7 11 11 0
8 11 11,5 4,5
9 11 11 0
10 11 11 0
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Tabla No. 19. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto
NÚMERO DE FUNDAS EN 1 MINUTO TIEMPO POR UNIDAD (segundos)
7 8,7
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
78
Cuadro No. 2. Pesos dosificados en las cinco fundas
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Para obtener el valor de error en la dosificación del prototipo, se basa en los datos tomados
en la tabla No.16.
Si: e, es el error de la cantidad dosificada con respecto a la cantidad requerida, entonces se
aplica la fórmula 4, obteniendo el siguiente resultado:
La unidad de medida de e es porcentaje (%)
[4]
Donde: e1 es el error de la funda 1, e2 es el error funda 2, etc.
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
PES
O (
gram
os)
NÚMERO DE FUNDA
PESO GRAMOS
PESO REQUERIDO
79
El error total es el promedio de los errores de cada una de las fundas dosificadas, por lo
tanto el error obtenido es el 1,8% de dosificación en las 10 fundas tomadas de muestra.
Para obtener el valor de la desviación estándar en el tiempo de sellado y dosificado, se ha
tomado la muestra de 10 fundas elaboradas, para lo cual se necesita la siguiente tabla:
Tabla No. 20. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por el
prototipo
NUMERO DE FUNDA TIEMPO DE SELLADO Y
DOSIFICADO DE CADA FUNDA
1 8,5
2 8,7
3 8,8
4 8,4
5 8,5
6 8,7
7 8,7
8 8,5
9 8,4
10 8,7
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Para el cálculo de la desviación estándar se necesita la fórmula 5:
[5]
Donde:
80
Como resultado se obtiene que la desviación estándar es 0,132, lo que quiere decir que el
tiempo de cada funda varía entre ± 0,132 segundos, de las 10 fundas tomadas como
muestra.
A continuación se detalla las pruebas realizadas por un proceso manual, del cual se puede
obtener valores de error en el dosificado y la desviación estándar del tiempo de las 10
fundas tomadas como muestra.
Tabla No. 21. Datos del peso dosificado en cinco fundas con un peso de 11 gramos
(proceso manual)
NÚMERO DE
FUNDA
PESO
REQUERIDO
(gramos)
PESO
DOSIFICADO
(gramos)
ERROR
(%)
1 11 11,5 4,5
2 11 11 0
3 11 10 9,1
4 11 11 0
5 11 10,5 4,5
81
6 11 11 0
7 11 11,5 4,5
8 11 12 9,1
9 11 11 0
10 11 10 9,1
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Simulación piloto del proceso manual
Tabla No. 22. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto (proceso manual)
NÚMERO DE FUNDAS EN 1 MINUTO
TIEMPO POR UNIDAD
4
14,5
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Simulación piloto del proceso manual
Cuadro No. 3. Pesos dosificados en las cinco fundas (proceso manual)
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Simulación piloto del proceso manual
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
PES
O (
gram
os)
NÚMERO DE FUNDA
PESO GRAMOS
PESO REQUERIDO
82
Para obtener el valor de error en la dosificación del proceso manual, se basa en los datos
tomados en la tabla No.21.
Si: e, es el error de la cantidad dosificada con respecto a la cantidad requerida, entonces se
aplica la fórmula 4, obteniendo el siguiente resultado:
La unidad de medida de e es porcentaje (%)
El error es el promedio de los errores de cada una de las fundas dosificadas, por lo tanto el
error obtenido es el 4,3% de dosificación en las 10 fundas tomadas de muestra.
Para obtener el valor de la desviación estándar en el tiempo de sellado y dosificado, se ha
tomado la muestra de 10 fundas elaboradas, para lo cual se necesita la siguiente tabla:
Tabla No. 23. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por un proceso
manual
NUMERO DE FUNDA TIEMPO DE SELLADO Y
DOSIFICADO DE CADA FUNDA
1 14,5
2 14,8
3 15,1
4 14,2
5 13,9
6 14,6
7 14,9
83
8 15,2
9 14,5
10 14,2
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Simulación piloto del proceso manual
Para el cálculo de la desviación estándar se necesita la fórmula 5 y se obtiene el siguiente
resultado:
Como resultado se obtiene que la desviación estándar es 0,396, lo que quiere decir que el
tiempo de cada funda varía entre ± 0,396 segundos, de las 10 fundas tomadas como
muestra.
4.3 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO
A continuación se detalla el manual de funcionamiento de la máquina:
4.3.1 Descripción De La Máquina
Esta máquina es un sistema de la unión de dos módulos: dosificador y sellador. Tiene como
objetivo dosificar el producto en una funda de papel filtro y sellarla. El panel de control es
la interfaz amigable con el operador. El sistema está diseñado para operar con granos secos.
84
4.3.2 Identificación De Los Componentes De La Máquina
A continuación se muestran los componentes de la máquina en un prototipo virtual:
Gráfico No. 16. Componentes principales de la máquina
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Autocad
4.3.3 Condiciones Generales De Operación
A continuación se describen las condiciones generales de operación de la máquina:
85
Tabla No. 24. Condiciones y especificaciones generales de la máquina
REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN
ESTRUCTURA
Tipo de estructura Metálica, por su consistencia y resistencia
Tipo de material Tol galvanizado y acero inoxidable en las
partes que tenga contacto físico con el
alimento
Tipo de pintura Electrostática, para evitar descargas
eléctricas
DOSIFICADO Y SELLADO
Dosificación Desde 7 hasta 1700 gramos
Rendimiento 7 fundas en 1 minuto aproximadamente
Sellado Niquelina a alta temperatura
Modificar cantidad de dosificado Por medio de tiempo
Modificar tiempo de sellado Si es modificable y depende del material a
sellar
Capacidad de detectar cualquier tipo de
empaque
Para dosificar y sellar en plástico grueso,
delgado, papel filtro, etc.
Control Por medio de microcontrolador
PRODUCTO Y EMPAQUE
Material de empaques Plástico grueso, delgado, papel filtro.
Tipos de productos Grano fino (azúcar), mediano (arroz) y
grueso (fréjol)
Tamaño empaque Mínimo 5cm x 5cm, hasta 17 cm x 13cm
VARIOS
Tensión de funcionamiento 110 voltios
Protección tarjetas electrónicas Dentro de un panel de control
Tipos de motores Servomotores para control de posición
86
Dimensiones 52cm de largo x 50cm de ancho x 30cm de
profundidad
Temperatura ambiente Mínimo 10oC y máximo 30
oC
Peso aproximado 35 kilos
Movilidad Capaz de ser llevado con facilidad
Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana
Interfaz amigable al usuario Por medio de un panel de control
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
4.3.4 Instrucciones De Seguridad De La Máquina
Se presenta una lista de instrucciones importantes que deben ser leídas y analizadas para la
adecuada operación de la máquina.
ADVERTENCIA: Todas las personas que vayan a operar esta máquina deben estar
capacitadas para su manejo, habiendo leído y entendido el manual de funcionamiento.
ADVERTENCIA: Para evitar daños, realice cualquier modificación con la máquina
apagada y desconectado el cable de poder.
ADVERTENCIA: La máquina debe estar libre de objetos que obstruyan su
funcionamiento y dar aviso al personal cuando se vaya a encender.
ADVERTENCIA: Todas las personas que operen esta máquina deben conocer la
ubicación del paro de emergencia para detener todo el proceso en funcionamiento cuando
exista alguna falla.
87
ADVERTENCIA: La máquina debe colocarse en un lugar que cumpla normas de sanidad
para evitar la contaminación riesgosa del producto.
ADVERTENCIA: Ninguna persona puede subirse ni colocar objetos extraños sobre la
máquina por cualquier motivo, ya que puede perjudicar a la estructura de la misma.
ADVERTENCIA: La máquina debe colocarse fijamente en una estructura más estable
para evitar que se caiga.
ADVERTENCIA: No deben existir corrientes de aire en el área de producción donde se
coloque la máquina.
ADVERTENCIA: Apagar toda la energía de la máquina antes de desconectar el cable de
poder.
4.3.5 Funciones De Los Componentes Principales De La Máquina.
A continuación se describen los componentes principales de la máquina:
4.3.5.1 Componentes Del Sistema Dosificador
Silo de almacenamiento
La función es almacenar al producto a dosificar y mantenerlo protegido ante
elementos extraños.
Sistema de sensado
La función del sensor es detectar la funda que se va a llenar con el producto.
88
Sistema de salida del producto
La función es activar al servomotor que permite la apertura o cierre de la compuerta
de la salida del producto.
Sistema de nivel de producto
La función es indicar la falta de producto en el silo, para volver a ser llenado.
4.3.5.2 Componentes Del Sistema Sellador
Sistema de sensado
La función del sensor es detectar la funda que se va a sellar con el producto
dosificado.
Palanca de sellado
La función es hacer presión a la funda sobre la niquelina para sellarla.
4.3.6 Panel De Control
A continuación se detalla la distribución del panel de control:
4.3.6.1 Distribución Del Panel De Control
A continuación se presenta la distribución del panel de control de la parte frontal amigable
al operador.
89
Gráfico No. 17. Componentes principales del panel de control de la máquina
Elaborado por: Darío Mena
Fuente: AutoCad
4.3.6.2 Descripción Y Funcionamiento De Los Componentes Del Panel De Control
El panel de control está en la parte delantera superior derecha de la máquina. El panel
contiene: interruptor ON/OFF, pulsador de paro de emergencia, luces piloto de: encendido,
de reposo del sistema dosificador y sellador, de activación del sistema dosificador y
sellador, paro de emergencia y falta de producto en el silo.
90
Interruptor ON/OFF
Está conectado directamente a la entrada de energía, que al pulsarlo se enciende o se apaga,
dependiendo del estado que se encuentre.
Pulsador de paro de emergencia
Permite detener totalmente todos los procesos en funcionamiento cuando haya sido
presionado por cualquier motivo de falla.
Luz de ON/OFF
Indica el estado de la máquina y se enciende cuando el interruptor es presionado y colocado
en la posición de encendido, y se apaga cuando el interruptor se encuentra en la posición de
apagado. La luz indicadora es de color verde.
Luz de reposo del sistema dosificador
Indica el estado de reposo del sistema dosificador, se enciende la luz desde el momento que
se prende la máquina, indicando que está esperando detectar la funda a dosificar y se apaga
cuando el sistema es activado. La luz indicadora es de color rojo.
Luz de reposo del sistema sellador
Indica el estado de reposo del sistema sellador, se enciende la luz desde el momento que se
prende la máquina, indicando que está esperando detectar la funda a sellar y se apaga
cuando el sistema es activado. La luz indicadora es de color rojo.
91
Luz de activación del sistema dosificador
Indica el estado de activación del sistema dosificador, se enciende cuando la compuerta de
salida del producto se activa y se mantiene encendida durante el tiempo programado hasta
que la compuerta se cierre por completo. Se apaga cuando el sistema se queda en reposo.
La luz indicadora es de color verde.
Luz de activación del sistema sellador
Indica el estado de activación del sistema sellador, se enciende cuando la palanca es
activada para sellar la funda y se mantiene encendida durante el tiempo programado hasta
que la palanca vuelva a su posición inicial. Se apaga cuando el sistema se queda en reposo.
La luz indicadora es de color verde.
Luz de activación del paro de emergencia
Indica el estado en el que se ha producido una falla en el sistema, presionando el pulsador
de paro de emergencia para detener por completo el sistema. La luz indicadora es de color
rojo.
Luz de activación de falta de producto en el silo.
Indica el estado del producto en el silo, se enciende cuando el producto llega a un nivel bajo
y es necesario que sea llenado. La luz indicadora es de color rojo.
CAPÍTULO V
92
CAPÍTULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A continuación se presentan las conclusiones y recomendaciones obtenidas del presente
tema.
5.1 CONCLUSIONES
Se recopiló información acerca del diseño y construcción de máquinas
dispensadoras y selladoras de un producto, ayudando a analizar cada uno de los
sistemas y escogiendo los más adecuados para el desarrollo de ésta máquina.
Se diseñó y construyó el sistema de dispensado del producto en las fundas de papel
filtro, por medio del cual se pudo dosificar 5 segundos más rápido en cada funda,
que en un proceso manual.
Se diseñó y construyó el sistema de sellado de las fundas de papel filtro, logrando
sellarlas completamente, obteniendo un sellado de una máquina industrial.
Se implementaron los sistemas de dosificado y sellado con elementos mecánicos,
electrónicos y demás elementos, que cumplen con las especificaciones y se
encuentran dentro de una estructura metálica, logrando la unificación de dos
procesos diferentes para que un sólo operador pueda manejarlos.
El material escogido para el contacto con el producto fue el acero inoxidable
A.I.S.I. 304 ya que es el más indicado para la inocuidad de los alimentos.
93
Todos los sistemas implementados en la máquina son desmontables para facilitar el
mantenimiento o cambio de cualquier componente.
El componente escogido para el control del sistema fue el microcontrolador Pic
16F877A, ya que es fiable y capaz de cumplir con los requerimientos del
funcionamiento sistema, además por tener un costo bajo en comparación con otros
controladores como los PLC.
Los sistemas de sellado y dosificado funcionan independientemente, por lo que
pueden trabajar simultáneamente sin interrupciones entre ellos.
Se implementó un panel de control, que permite la comunicación entre el operador y
la máquina, la cual es amigable por medio de alertas que verifican el
funcionamiento del sistema.
La máquina ha llegado a dosificar y sellar 7 fundas por minuto, mientras que el
proceso manual dosifica y sella 4 fundas por minuto, obteniendo como resultado
que la máquina produce un 42,9% más que el proceso manual.
5.2 RECOMENDACIONES
Se debe incentivar la investigación en el país para que seamos capaces de
desarrollar y construir nuestras propias máquinas, sin tener la necesidad de importar
del extranjero.
Para la fabricación de una máquina es importante saber exactamente lo que
queremos hacer; buscar información necesaria que abarque todas las partes de la
94
máquina, diseñar los planos en una herramienta CAD para mayor precisión, diseñar
un prototipo virtual para probar el comportamiento de la máquina, construir todas
las partes del sistema, diseñar los sistemas de hardware y software, implementar
todas las partes en una base o estructura general, implementar las tarjetas
electrónicas, poner a funcionar la máquina y realizar pruebas hasta obtener un buen
funcionamiento.
Se debe utilizar un programa CAD para el diseño de la estructura, ya que permite el
manejo técnico de la construcción de la máquina, pues se tiene una idea más clara
del sistema final como un prototipo virtual.
Los diseños de una máquina deben ser realizados de tal manera que los módulos
internos puedan ser desmontables para realizar mantenimiento o cambio de
cualquier componente.
Se debe detallar el manual de funcionamiento conjuntamente con un mantenimiento
preventivo incluyendo sus registros historiales y los planos de todo el sistema, para
cuidar el buen funcionamiento de la máquina.
Para tener un mayor control de todo el sistema se recomienda utilizar un
microcontrolador con capacidad de comunicación para una mejor coordinación
entre los módulos.
A la máquina se debe hacer un mantenimiento preventivo, antes que un correctivo
para que tenga un buen funcionamiento y sin tendencia a originar fallas.
Antes de poner en marcha una máquina el operador debe estar capacitado y haber
leído el manual de funcionamiento para un buen manejo de la misma.
95
Para el diseño de una máquina se debe analizar las piezas, mecanismos y materiales
para obtener un buen funcionamiento, al igual los costos para que la empresa que
requiera la implementación de ésta pueda disminuir costos de producción.
Se debe tomar en cuenta el tipo de material de la máquina, especialmente si se
trabaja con alimentos, ya que existen materiales exclusivos para garantizar la
inocuidad de éstos.
Al diseñar una máquina se debe implementar una interfaz amigable con el operador,
ya que es el medio de comunicación entre ellos.
Al momento de dosificar y sellar se debe implementar una interacción sonora con el
operador, al igual que se debe colocar luces de indicación cerca del orificio de
dosificación y cerca de la niquelina.
Se debe implementar un tornillo sinfín acoplado a un motor en el silo de
almacenamiento que gire a una velocidad constante para que el producto no se
obstruya a la salida del producto.
El silo de almacenamiento siempre debe permanecer lleno ya que la dosificación se
la realiza en serie y el producto almacenado puede acabarse muy rápido, por lo que
se debe implementar un sistema de llenado permanente al silo de almacenamiento.
El silo de almacenamiento debe tener un sensor de nivel del producto para dar una
señal de alarma cuando éste se haya terminado.
96
BIBLIOGRAFÍA:
Balcells, J., & Romeral, J. L. (1997). Autómatas programables. Mundo Electrónico .
Bolívar, M., Galetovic, A., & Jana, Á. (2005). El libro blanco del azúcar. Santiago
de Chile: RIL.
Fauquié, R. (2000). Higiene y saneamiento en la preparación y servicio de
alimentos. Cuadernos USB , 480.
Instituto interamericano de cooperación para la agricultura. (2000). Manual de
manejo post cosecha de café. El Salvador: IICA.
Instituto salvadoreño de investigación del café. (1999). Técnicas modernas para el
cultivo del café. El Salvador: Nueva San Salvador.
Kalpakjian, S. (2002). Manufactura; ingeniería y tecnología (Cuarta edición ed.).
México: Prentice Hall.
Martín, J. C., & García, M. P. (2009). Automatismos Industriales. Barcelona:
EDITEX.
Microchip Incorporated Technology. (2003). PIC16F87XA. U.S.A.: DNV.
Sellwood, C. (1995). Química elmental básica 1. Barcelona: Reverté.
97
PÁGINAS DE INTERNET CONSULTADAS
HITECRCD. (5 de 10 de 2008). Hitecrcd. Recuperado el 30 de 11 de 2010, de
http://www.hitecrcd.com/products/analog.htlm
INGESIR. (20 de 12 de 2010). Ingesir. Recuperado el 20 de 12 de 2010, de
http://www.ingesir.com.ar/semiautomaticas.htm
ANEXOS
ANEXO 1: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 311 Estándar
Fuente: www.hitecrcd.com
ANEXO 2: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 755HB
Fuente: www.hitecrcd.com
ANEXO 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114
Fuente: www.me.ucsb.edu
ANEXO 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114 (continuación)
Fuente: www.me.ucsb.edu
ANEXO 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114 (continuación)
Fuente: www.me.ucsb.edu
ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A
La siguiente es una lista de las características que comparte el PIC16F877 con los
dispositivos más cercanos de su familia:
PIC16F873
PIC16F874
PIC16F876
PIC16F877
CPU:
Tecnología RISC
Sólo 35 instrucciones que aprender
Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que
requieren dos
Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz (200 nseg de ciclo de instrucción)
Opciones de selección del oscilador
Memoria:
Hasta 8k x 14 bits de memoria Flash de programa
Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM)
Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM
Lectura/escritura de la CPU a la memoria flash de programa
Protección programable de código
Stack de hardware de 8 niveles
ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A (continuación)
Reset e interrupciones:
Hasta 14 fuentes de interrupción
Reset de encendido (POR)
Timer de encendido (PWRT)
Timer de arranque del oscilador (OST)
Sistema de vigilancia Watchdog timer.
Otros:
Modo SLEEP de bajo consumo de energía
Programación y depuración serie “In-Circuit” (ICSP) a través de dos patitas
Rango de voltaje de operación de 2.0 a 5.5 volts
Alta disipación de corriente de la fuente: 25mA
Rangos de temperatura: Comercial, Industrial y Extendido
Foto Microcontrolador
ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A (continuación)
Características generales del Microcontrolador
DESCRIPCIÓN INFORMACIÓN
Procesador
Núcleo RISC, Arq. Harvard, 20 MHz. 5
MIPS
Interrupciones 14 fuentes posibles de interrupción
Reloj 0-20 MHz.
Reset
Master Clear, Brown Out,
Watchdog, Power On
Instrucciones 35 instrucciones de 14 bits
Periféricos
Puertos programables de E/S Hasta 33 bits, pueden ser usados
por otros periféricos
Timers/Counters Dos de 8 bits y uno de 16 bits
Puertos de captura/comparación
de datos
Dos de 8 bits
Moduladores de ancho de pulso
(PWM)
Dos de 8 bits
Conversor Analógico/Digital de
10 bits
Puerto serie síncrono
Con un MPX de 8 canales para 8
entradas diferentes
Configurable en modo SPI e I2C
USART Para conexiones RS 232
Puerto paralelo esclavo 8 bits + 3 bits de control
Memoria M. de programa 8 K palabras de 14 bits
M. de datos RAM 368 registros de 8 bits
M. de datos EEPROM 256 registros de 8 bits
Pila 8 palabras de 13 bits
M. de datos ext. EEPROM Hasta 256 KBytes
ANEXO 4: Información general del Pic 16F877A (continuación)
Diagrama de bloques
Periféricos
ANEXO 5: Fotos de construcción del prototipo
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 6: Planos de diseño del prototipo (continuación)
ANEXO 7: Programas de los microcontroladores de sistemas dosificador y sellador
Programa del Microcontrolador del Sistema Dosificador
Device 16F877
XTAL 4
Clear
Dim R As Byte
Dim S As Byte
Dim T As Byte
LOOP1:
Clear
Call INICIO
LOOP2:
Call SENSAR
Call DOSIFICAR
DOSIFICAR:
For R=1 To 100
Servo PORTB.7, 1260
DelayMS 5
Next
For T=1 To 45;
Servo PORTB.7, 1730
DelayMS 5;
High PORTB.6
Low PORTB.0
Next
GoTo LOOP1
INICIO:
For R=1 To 400
Servo PORTB.7, 1260
DelayMS 5
High PORTB.0
Low PORTB.6
Next
Return
SENSAR:
For S=1 To 200000000
Servo PORTB.7, 1260
DelayMS 25
High PORTB.0
Low PORTB.6
If PORTC.4=0 Then GoTo DOSIFICAR
Next
GoTo LOOP2
ANEXO 7: Programas de los microcontroladores de sistemas dosificador y sellador
(continuación)
Programa del Microcontrolador del Sistema Sellador
Device 16F877
XTAL 4
Clear
Dim R As Byte
Dim S As Byte
Dim T As Byte
LOOP1:
Clear
Call INICIO
LOOP2:
Call SENSAR
Call SELLAR
SELLAR:
For T=1 To 100
Servo PORTB.7, 1725
DelayMS 5
Next
For T=1 To 15
Servo PORTB.7, 1740
DelayMS 5
Next
For T=1 To 15
Servo PORTB.7, 1760
DelayMS 5
Next
For T=1 To 15
Servo PORTB.7, 1790
DelayMS 5
Next
For T=1 To 15
Servo PORTB.7, 1820
DelayMS 5
Next
For T=1 To 160
Servo PORTB.7, 1860
DelayMS 5
Next
GoTo LOOP1
INICIO:
For R=1 To 1000000
Servo PORTB.7, 1725
DelayMS 5
Next
Return
SENSAR:
For S=1 To 200000000
Servo PORTB.7, 1725
DelayMS 25
If PORTC.0=0 Then GoTo SELLAR
Next
GoTo LOOP2