UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIEÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE PERFORADO DE HOJAS DE PAPEL BOND DE 75 GRAMOS DE
FORMATO A4
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO MECATRÓNICO
AUGUSTO FERNANDO ULLOA GUERRERO
DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO
DECLARACIÓN
Yo AUGUSTO FERNANDO ULLOA GUERRERO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE PERFORADO DE HOJAS DE PAPEL BOND DE 75 GRAMOS DE FORMATO A4
”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Augusto Fernando Ulloa Guerrero, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
LUIS HIDALGO
DIRECTOR DEL TRABAJO
i
INDICE GENERAL
INDICE DE FIGURAS ... IV INDICE DE TABLAS ... VII RESUMEN ... IX ABSTRACT ... X
1.INTRODUCCIÓN
1.1 OBJETIVOPRINCIPAL ... 1
1.2 OBJETIVOSESPECÍFICOS ... 1
1.3 ALCANCE ... 2
2.MARCOTEÓRICO 2.1HOJASDEPAPEL ... 3
2.2PERFORADORAS ... 4
2.2.1 TIPOS DE PERFORADORAS: ... 4
2.2.2 PERFORADORAS DE UN SOLO AGUJERO ... 5
2.2.3 PERFORADORAS DE 2 AGUJEROS ... 6
2.2.4 PERFORADORA EYELET ... 7
2.2.5 PERFORADORA DE MULTIPLES AGUJEROS ... 8
2.2.6 SISTEMA AUTOMATIZADO DE PERFORADO DE PAPEL ... 10
2.3ACEROINOXIDABLE ... 10
2.4ACRÍLICO ... 12
2.5DURALÓN ... 13
2.4MOTORES ... 14
2.4.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ... 15
2.4.2 MOTORES DE CORRIENRTE CONTINUA ... 16
2.4.3 MOTORES PASO A PASO ... 17
2.4.4 SERVOMOTORES ... 19
2.5CAUCHO ... 19
2.6RODAMIENTOS ... 21
2.7MICROCONTROLADORES ... 25
ii
2.7.2 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN C ... 26
2.7.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ASSEMBLER ... 27
2.9ACTUADORESNEUMÁTICOS ... 27
2.9.1 VÁLVULAS NEUMÁTICAS ... 30
3.METODOLOGÍA 3.1SISTEMADEDOSIFICACIÓNDEPAPEL ... 32
3.1.2 CONTENEDOR DE PAPEL PREVIO A DOSIFICADO ... 32
3.1.2 SISTEMA DE EMPUJE DE HOJAS DE PAPEL A DOSIFICAR .. 33
3.1.3 DETERMINACIÓN DE FUERZAS QUE ACTÚAN DENTRO DEL SISTEMA DE DOSIFICADO ... 34
3.1.4 DETERMINACIÓN DE FUERZAS EN EL ACRÍLICO... 35
3.1.5 DETERMINACIÓN DE FUERZAS EN CONTENEDOR DE PAPEL ... 37
3.1.6 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCIÓN DE MOTOR DEL SISTEMA DE DOSIFICADO ... 39
3.1.7 IMPLEMENTACION DE SISTEMA DE DOSIFICACION ... 41
3.2SISTEMADEPERFORADODEPAPEL ... 47
3.2.1 SISTEMA DE PERFILADO DE PAPEL ... 47
3.2.2 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA EL SISTEMA DE PERFILADO FRONTAL ... 48
3.2.3 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA EL SISTEMA DE PERFILADO LATERAL ... 53
3.2.4 SISTEMA DE PERFORADO DE PAPEL ... 58
3.2.5 SISTEMA DE EXPULSIÓN DEL PAPEL ... 63
3.3SISTEMADEALMACENAMIENTODEPAPEL ... 64
3.4SISTEMADECONTROL ... 64
4.ANÁLISISDERESULTADOS 4.1SISTEMADEDOSIFICADO ... 66
4.2SISTEMADEPERFILADOLATERAL ... 67
4.3SISTEMADEPERFILADOFRONTAL ... 67
iii
4.5SISTEMADEEXPULSIÓN ... 68
4.6COSTOS ... 72
4.6.1 SISTEMA DE DOSIFICADO ... 72
4.6.2 SISTEMA DE PERFILADO FRONTAL ... 73
4.6.3 SISTEMA DE PERFILADO LATERAL ... 75
4.6.4 SISTEMA DE PERFORADO ... 77
4.6.5 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE ... 79
4.6.6 SISTEMA DE CONTROL ... 80
4.6.7 COSTO TOTAL DEL SISTEMA AUTOMÁTICO DE PERFORADO DE PAPEL ... 82
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ... 85
iv
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Hojas de papel bond de 75gr/m2 formato a4 ... 4
Figura 2.2: Perforadora de un solo orificio ... 5
Figura 2.3: Perforadora de dos orificios ... 6
Figura 2.4: Perforadora eyelet ... 7
Figura 2.5: Perforadora de múltiples agujeros manual ... 9
Figura 2.6: Perforadora de múltiples agujeros semiautomática ... 9
Figura 2.7: Planchas de acero inoxidable ... 11
Figura 2.8: Barras de acero inoxidable ... 11
Figura 2.9: Perfiles de acero inoxidable ... 12
Figura 2.10: Muestras de acrílicos ... 13
Figura 2.11: Características del duralón según su tipo ... 14
Figura 2.12: Partes principales de un motor de corriente alterna... 15
Figura 2.13: Esquema de un motor de corriente continua ... 16
Figura 2.14: Motor paso a paso ... 17
Figura 2.15: Principio de funcionamiento de un motor paso a paso ... 18
Figura 2.16: Servomotor de 4.4 kg*cm de torque ... 19
Figura 2.17: Extracción de caucho de un árbol de ficus euphorkingdom heartsbias ... 20
Figura 2.18: Algunas presentaciones del caucho ... 21
Figura 2.19: Partes de un rodamiento ... 21
Figura 2.20 Cargas axiales sobre rodamientos…….………22
Figura 2.21 Cargas radiales sobre rodamientos………22
v
Figura 2.23: Tipos de rodamientos ... 24
Figura 2.24: Procesamiento de instrucciones en un microcontrolador con arquitectura harvard ... 25
Figura 2.25: Procesamiento de instrucciones en un microcontrolador con arquitectura von neumann ... 26
Figura 2.26: Mecanismo de un cilindro neumático con retorno por aire ... 29
Figura 3.1: Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico en el sistema de dosificado ... 35
Figura 3.2: Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel previo a la dosificación ... 37
Figura 3.3: Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel a ser dosificadas ... 38
Figura 3.4: Bandeja contenedora de papel ... 42
Figura 3.5: Regulador de altura de contenedor de hojas previo a dosificación ... 42
Figura 3.6: Guías para paso de placa de dosificado ... 43
Figura 3.7: Placa para empuje de hojas ... 44
Figura 3.8: Soportes para el eje con rodillos de goma ... 45
Figura 3.9: Soporte para el motor acoplado al soporte para el eje ... 45
Figura 3.10: Eje con rodillos de goma ... 46
Figura 3.11: Sistema de dosificación de papel... 46
Figura 3.12: Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel a ser perfiladas frontalmente ... 48
Figura 3.13: Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico encargado de perfilar frontalmente las hojas de papel ... 50
vi Figura 3.15: Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico encargado de perfilar frontalmente las hojas de papel ... 55 Figura 3.16: Diagrama neumático de sistema de perforado de papel
vii
INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Tipos de cilindros neumáticos y su simbología ... 28 Tabla 2.2 Tipos de válvulas neumáticas y su simbología ... 30 Tabla 3.1 Cuadro comparativo entre posibles opciones para sistema de empuje de placa para dosificación de hojas ……….34 Tabla 3.2 Cuadro comparativo entre posibles opciones para sistema de perforado de papel
ix
RESUMEN
x
ABSTRACT
The project developed a design and implementation of a system of automatic perforated bond paper that is responsible for distributing the leaves, to place them in a post- perforated paper container, all without operator intervention . The system itself consists of six subsystems that are responsible for making each a specific job to afford bond paper sheets of 75 gr. and perforated A4 format. The machine came to have mediated some of 1800x800x300 [ mm] and the systems that make up were dosed system , system profiling, drilling system , ejection system punched paper, control system , and the system stored punched paper . In all of these systems must put them in total synchronism and capable of piercing 12 ( +6 , -0 ) leaves this occurs for each cycle by the amount of ink held by printing each of the sheets to perforate , this process performed at 23 ( +2 , -0 ) seconds. The cycle starts from the paper is dosed by the first set until the A4 bond paper and be drilled in a perforated container and later given to start a new cycle of perforated paper . Increasing the productivity of the company because it does not need an operator who is constantly in the process of perforated paper . Allowing that it
1 En la industria los sistemas de producción cada vez se van automatizando para agilizar procesos, en las imprentas se trata de realizar los trabajos de la manera más rápida posible siendo así uno de los campos de mayor demora el perforado de las hojas de papel, debido a que existen muchos tiempos muertos durante el proceso como el de tomar una cantidad de hojas que no exceda la capacidad de perforado de la máquina, el ubicar las hojas a perforar en un sitio, tomarlas, cuadrarlas para el ingreso a la máquina de perforado, y posterior ubicación en otro lugar luego de haber sido perforadas.
Los aspectos previamente mencionados se los realiza de una manera manual razón por la cual también se presentan varios errores cometidos por el operario como el no tomar la correcta cantidad de hojas a perforar, no cuadrar bien las hojas al ubicarlas en la matriz de perforado, entre otros. Motivo por el cual se decidió realizar un “Diseño e implementación de un sistema automatizado de perforado de hojas de papel bond de 75 gramos formato A4”.
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Diseñar e implementar un sistema de perforado de papel automático con interfaz de usuario, el cual requiera de la intervención de un operario únicamente para alimentar al sistema de materia prima, puesta en marcha del mismo y retirar las hojas ya perforadas al culminar el proceso.
1.2 OBJETIVOS ESPECíFICOS
2 siguiente sistema cuyo fin será el de trasladar las hojas de papel a la matriz de perforado.
Diseñar e implementar un sistema encargado de perfilar las hojas de papel de manera correcta en la matriz de perforado para proceder a perforar las mismas.
Diseñar e implementar un sistema que se encargue de retirar las hojas de papel ya perforadas y almacenarlas en un contenedor para su posterior retiro.
1.3 ALCANCE
El sistema de dosificado no deberá exceder el número de 20 hojas por ciclo para así no saturar la capacidad de la matriz de perforado.
El sistema de perfilado podrá ser ajustable en un máximo hasta hojas de tamaño A5.
3 En el desarrollo del sistema de perforado de papel automático, cada uno de los componentes fue elegido por sus propiedades.
Es así que se continúa con un breve análisis de los elementos, materiales, y procesos que intervienen dentro de la maquina en sí.
2.1 HOJAS DE PAPEL
El papel ha sido usado desde épocas remotas para redactar todo tipo de documentos como: libros, panfletos, artículos, entre otros.
La calidad del este se la mide por la cantidad de pelusas que este posee, lo duradero y suave que es al encontrarse terminado.
El más usado en la industria es el papel bond, ya que está conformado por varias microfibras las cuales le permiten tener un mejor desempeño para trabajos como el de impresión a diferencia de otros papeles como el papel periódico.
Las hojas de papel poseen varias características como humedad relativa, grado de unión entre fibras, espesor de papel, densidad de papel, entre otros.
4
2.2 PERFORADORAS
El perforado del papel se originó mediante la necesidad de unir varios papeles mediante alguna forma, es así que da origen al perforado de papel lo cual permite unir varias hojas mediante un anillo, así también las perforadoras han sido utilizadas como instrumento para decorar objetos de trabajo manual.
Figura 2.1 Hojas de papel bond de 75gr/m2 formato A4
2.2.1 TIPOS DE PERFORADORAS:
5
2.2.2 PERFORADORAS DE UN SOLO AGUJERO
Este tipo de perforadoras son en mayor frecuencia usadas para trabajos manuales artísticos, es decir la matriz de perforada cuenta con una forma artística como la de una estrella, algún animal, entre otros. Son diseñadas para poderlas usar con una sola mano como se muestra en la figura 2.2. Permitiendo así al artista realizar sus obras con una mayor facilidad al permitirle realizar dichas perforaciones en el lugar que el desee. Además del arte estas perforadoras también son usadas para marcar documentos tales como, cédulas, entradas a conciertos, entre otros.
6
2.2.3 PERFORADORAS DE 2 AGUJEROS
Este tipo de perforaciones en su mayoría son las más usadas para documentos que serán archivados o puestos en carpeta, puesto que van a ser manipulados y cambiados de orden con frecuencia, están diseñadas para ser utilizadas con una sola mano como muestra la figura 2.3.
Por este motivo este tipo de perforadoras son muy usadas en oficinas y establecimientos que además de llevar un registro u almacenar archivos de manera digital lo necesitan realizar de manera física.
Dentro del mercado existe una gran diversidad de artículos para contener hojas con este tipo de perforación tales como carpetas, archivadores, etcétera. Estas perforadoras se basan en los estándares internacionales se basan en la norma ISO 838 la cual dice que se realizan dos agujeros de 6±0.5 mm de diámetro y separados 80±0.5 mm de sus centros y con una separación de 12±1 mm del borde que se encuentre más cercano.
Esta norma aplica desde las hojas de formato A7 según la norma ISO 838.
7
2.2.4 PERFORADORA EYELET
Esta perforadora a más de perforar un agujero inserta un elemento metálico para así sujetar de manera permanente el o los elementos deseados.
Este tipo de perforadoras son usadas para sujetar un grupo de papeles de forma permanente, realizar trabajos artísticos, perforar elementos por donde va a ingresar algún otro tipo de elemento por el agujero realizado, y se desea evitar el desgaste por el uso de dicho agujero, posee varios tamaños de acoples metálicos para los agujeros que va a realizar como se muestra en la figura 2.4
8
2.2.5 PERFORADORA DE MULTIPLES AGUJEROS
Existen varios tipos de perforadoras de múltiples agujeros que pueden realizar 3, 4, 5… hasta 55 agujeros según el espacio requerido para pasar los anillos o el implemento que se desee.
En el proyecto a implementar la matriz de perforado realizará agujeros de 5.5 mm y con paso de 3 mm entre agujero como dice la norma ISO 838 la cual hace referencia a las perforaciones en papel, para así facilitar el paso del espiral.
Se debe tener en cuenta que no se exceda el número de hojas que tenga la capacidad de perforar la matriz de perforado para así evitar daños a la matriz, los punzones, o malas perforaciones en el papel.
Otro aspecto muy importante en esta y todas las demás perforadoras de papel es que se deben centrar las hojas correctamente a los parámetros definidos por cada perforadora para así poder tener una correcta continuidad entre las múltiples hojas a perforar en cada ciclo.
Estas perforadoras son más usadas en el ámbito industrial debido a que el paso de un anillo por las perforaciones en serie permite a la persona que manipule el cuaderno, libro, folleto, entre otros, posea una mayor facilidad de uso del mismo sin perder el orden deseado.
9 Figura 2.5 Perforadora de múltiples agujeros manual
10
2.2.6 SISTEMA AUTOMATIZADO DE PERFORADO DE PAPEL
Este es el sistema a implementar, para agilitar los procesos dentro del perforado de papel en una imprenta, este sistema permite dosificar las hojas necesarias para un correcto perforado, centrar las hojas en la matriz de perforado, perforarlas, expulsarlas de la matriz y ubicarlas dentro de un contenedor.
Para la realización de este sistema se ejecutaron múltiples pruebas basados en la metodología del diseño macatrónico
Esta máquina se encuentra basada en el principio de realización de orificios de una perforadora de múltiples agujeros manual (como se puede observar en la figura 2.5) la cual es capaz de perforar hasta 12 hojas por ciclo. Tratando de mejorarla tanto en número de hojas por perforada como en la cantidad de tiempo que requiera que un operario este controlando dicha máquina, aumentando a esta máquina varios sistemas como el de dosificado, perfilado, perforado, expulsión de hojas ya perforadas y un contenedor para hojas ya perforadas.
2.3 ACERO INOXIDABLE
Este elemento se lo puede conseguir de tres maneras:
11 Figura 2.7 Planchas de acero inoxidable
Figura 2.8 Barras de acero inoxidable
12 como se puede observar en la figura 2.8. Cuando la barra es redonda y tiene un diámetro menor a 5 (mm) se lo denomina alambre.
3. Perfiles: Es una unión de varias barras de acero que se usan como un elemento estructural, ya que así ganan resistencia a distintos esfuerzos dependiendo del tipo de perfil como se puede observar en la figura 2.9.
Figura 2.9 Perfiles de acero inoxidable
2.4 ACRÍLICO
13 Figura 2.10 Muestras de acrílicos
2.5 DURALÓN
Es un polímero formado principalmente formado por un cuerpo bituminoso polimerizado y formulado ya sea con plastómeros de polipropileno atáctico en los tipo APP, o elastómeros de estireno butadieno estireno en los tipo SBS.
Es usado en la industria del hogar como para fabricar mesas, sillas, y otros implementos domésticos.
14 Figura 2.11 Características del duralón según su tipo
(Extraído de las normas ASTM D 5147 y ASTM D 36 .2013)
2.4 MOTORES
Un motor eléctrico es un elemento capaz de transformar energía eléctrica en energía motriz mediante la generación de campos magnéticos.
15
2.4.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Estos motores se encuentran conformados por dos partes principales las cuales ron el rotor y el estator como se muestra en la Figura 2.12.
El rotor es la parte que gira mediante la dirección que tenga el flujo magnético mientras que el estator es la parte estática del motor.
Su principio de funcionamiento es el mismo que el de todos los motores que es mediante la generación de flujos magnéticos los cuales son los responsables de que el rotor gire en el sentido en el cual las bobinas se vayan energizando.
Estos motores poseen una gran rapidez debido al cambio de polaridad constante de sus bobinas a gran velocidad pero una de sus principales falencias es que no generan mucho torque.
Figura 2.12 Partes principales de un motor de corriente alterna
16 [Ecuación 2.1]
Donde:
P= Potencia del motor
U= Tensión de la red (está indicado por el fabricante) I= Intensidad
Cos = Factor de potencia (está indicado por el fabricante)
2.4.2 MOTORES DE CORRIENRTE CONTINUA
Estos motores funcionan de la misma manera que los demás motores eléctricos es decir convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica además estos motores pueden cumplir esta misma función pero a la inversa es decir que también pueden funcionar como generadores de corriente eléctrica. Estos motores son usados mayormente en sistemas que requieren controlar la velocidad del motor constantemente, además en sistemas donde su alimentación es a base de pilas o baterías como muestra la Figura 2.13.
17 Y su potencia se calcula a través de la siguiente fórmula:
P=V*I [Ecuación 2.2] Donde:
P= Potencia V= Voltaje I= Intensidad
2.4.3 MOTORES PASO A PASO
Figura 2.14 Motor paso a paso
18 motores paso a paso como los unipolares, bipolares, de rotor de imán permanente, de reluctancia variable, y el motor hibrido de pasos.
Este tipo de motores necesariamente deben ser controlados mediante algún tipo de control previamente diseñado para el trabajo que se requiera que este motor realice.
Figura 2.15 Principio de funcionamiento de un motor paso a paso
La velocidad de rotación de estos motores se la puede definir mediante la ecuación siguiente:
N=60*f/n[Ecuación 2.3] Donde:
N= Velocidad de rotación
f= Frecuencia del tren de impulsos
19
2.4.4 SERVOMOTORES
Un servomotor (Figura 2.16) es un motor con similares características a los motores de corriente continua. Las principales características que poseen estos motores es que pueden ser controlados tanto en la velocidad como en la posición, siendo así uno de los motores más usados en la robótica y en sistemas que requieran una alta precisión.
Figura 2.16 Servomotor de 4.4 [kg*cm] de torque
2.5 CAUCHO
20 Figura 2.17 Extracción de caucho de un árbol de ficus euphorkingdom heartsbias
21 Figura 2.18 Algunas presentaciones del caucho
2.6 RODAMIENTOS
Un rodamiento es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y el elemento al que se encuentra acoplado. Se encuentra formado por un conjunto de esferas que se encuentran unidas por un anillo interior y uno exterior como se muestra en la Figura 2.19
Los esfuerzos que un rodamiento soporta al encontrarse en movimiento pueden ser de tres tipos:
22
Axiales: Son aquellos esfuerzos que poseen la dirección contraria hacia el centro de su eje como se puede apreciar en la Figura 2.20
Figura 2.20 Cargas axiales sobre rodamientos
Radiales: Son aquellos esfuerzos que poseen la dirección hacia el centro de su eje como se puede apreciar en la Figura 2.21
23
Axiales-radiales: Son aquellos esfuerzos que tienen ambas direcciones como se puede apreciar en la Figura 2.22
Figura 2.22 Cargas combinadas sobre rodamientos
Para calcular la carga que va a existir sobre el rodamiento nos valemos de la siguiente ecuación:
P = X Fr + Y Fa [Ecuación 2.4] Donde:
Fr: es la carga radial que se aplica sobre el rodamiento Fa: es la carga axial que se aplica sobre el rodamiento
24
Figura 2.23 Tipos de rodamientos
25
2.7 MICROCONTROLADORES
Un microcontrolador es un circuito integrado programable, es decir que dentro de su interior posee una arquitectura muy similar a la de un computador es decir en su interior se encuentran; memoria de programa flash, memoria de datos RAM, memoria de datos EEPROM, pines de entrada y salida, comparadores de voltaje, módulos PWM/CCP, comunicación serial USART, arquitectura Harvard o Von Neumann todo esto dependiendo de cada microcontrolador.
Para programar un microcontrolador se debe tener muy en claro lo que desea que realice el mismo, es decir el trabajo que se desea controlar o realizar por parte del PIC. La programación de este se lo puede realizar en varios lenguajes como:
Lenguaje Basic
Lenguaje C
Lenguaje Assembler (Ensamblador)
Cada uno con sus diferentes características o arquitecturas como se muestra en las figuras 2.23 y 2.24
Figura 2.24 Procesamiento de instrucciones en un microcontrolador con arquitectura Harvard
26 Figura 2.25 Procesamiento de instrucciones en un microcontrolador con arquitectura Von
Neumann (Reyes C, 2008)
2.7.1 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN BASIC
Este lenguaje es uno de los más utilizados para programar microcontroladores sus siglas (BASIC) provienen de las palabras en inglés Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code en español código simbólico de instrucciones de propósito general para principiantes, por lo que tiene gran acogida por su fácil manera de manejar.
Este lenguaje está constituido por una serie de comandos, instrucciones y funciones las cuales permiten que se estructure el código según el trabajo que se desea realizar.
2.7.2 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN C
27 código, además de un conjunto limitado de palabras claves lo cual permite programar con una mayor facilidad.
2.7.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ASSEMBLER
Este es llamado ensamblador o lenguaje máquina ya que en este se programa el microcontrolador desde cero. Se trabaja independientemente con cada módulo del PIC desde los registros hasta los distintos fusibles que se deben activar para realizar el trabajo que se desea que l microcontrolador ejecute. Este lenguaje es utilizado para economizar y aumentar la eficiencia del código.
2.9 ACTUADORES NEUMÁTICOS
La neumática es la ciencia que aplica el aire comprimido como un modo de transmisión para hacer funcionar elementos mecánicos como motores, cilindros, etc. (Figura 2.25, Tabla 2.1).
Para generar el aire comprimido se utilizan compresores los cuales tienen el funcionamiento mediante un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
Estos fluidos se transmiten a través del sistema mediante mangueras especiales hechas en su mayoría de poliuretano las cuales están realizadas para soportar altas presiones.
28 Los cilindros neumáticos también conocidos como cilindros de aire son actuadores mecánicos que se encargan de producir fuerza mediante un accionamiento neumático.
El principio de funcionamiento de estos cilindros es transformar la energía potencial del aire comprimido que ingresa a ellos en energía cinética, logrando así que se genere una fuerza la cual se la aplica al sistema deseado.
Existe gran variedad de cilindros neumáticos cada uno con sus distintas características como se muestra a continuación.
29 Figura 2.25 Mecanismo de un cilindro neumático con retorno por aire
Para analizar un proceso neumático se pueden partir de dos maneras uno de un proceso neumático ya realizado y el otro diseñando dicho proceso. Para analizar un proceso neumático ya realizado se procede de la siguiente manera:
Identificar los elementos que constituyen el circuito.
Explicar como se encuentra el circuito en el instante inicial representado por el esquema.
Explicar lo que sucede en el circuito a partir de la señal que desencadena el funcionamiento del circuito.
Para diseñar un circuito neumático se procede de la siguiente manera: El método consistiría en seguir los siguientes pasos:
Enunciado del problema
Elección de receptores
Elección de las válvulas distribuidoras.
Conexión interna de la válvula distribuidora.
30
Órdenes de entrada del vástago.
Temporizaciones.
Regulación de velocidad.
Alimentación de aire comprimido.
Comprobación del funcionamiento.
2.9.1 VÁLVULAS NEUMÁTICAS
Las válvulas neumáticas son elementos de que se encargan de controlar el avance, posición y dirección de algún actuador neumático. Y se clasifican como muestra la tabla 2.2
32 A partir de una máquina de perforar papel manual, que funcionaba con una palanca conectada a un acople concéntrico, el cual movía dos brazos que eran los encargados de bajar una matriz, la que contenía varios punzones los cuales perforaban el papel, se procede a realizar una manera más óptima para este proceso ya que existían varios inconvenientes con este sistema como la toma en exceso de hojas a ser perforadas (la máquina manual únicamente soporta 12 hojas a ser perforadas por ciclo), el posicionamiento de las hojas en la matriz de perforado, la fuerza excesiva que tenía que realizar el operario para perforar [110 newtons, los cuales fueron medidos con romanilla en una máquina de perforado manual mediante palanca, de marca KRAUSE de capacidad de perforado de 15 hojas por ciclo] con el pasar del tiempo generaban danos físicos, entre otros. Es así que se dió origen al diseño de un sistema que realice todos los pasos mencionados de una manera automática.
3.1 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE PAPEL
El sistema de dosificado de papel es el encargado de abastecer la cantidad correcta de hojas hacia el sistema de perforado, la cantidad de hojas de papel que se despachan por ciclo de este sistema no debe de exceder la capacidad que tiene la matriz de perforado para realizar los orificios en el papel que en este caso serán un máximo de 20 hojas.
3.1.2 CONTENEDOR DE PAPEL PREVIO A DOSIFICADO
33 pequeño corte en su parte inferior, el cual es regulable de 0 a 20 [mm.] para poder permitir el paso de la placa de empuje para dosificar la cantidad correcta de hojas hacia el sistema de perforado, las dimensiones de este contenedor son de 300x215x100 [mm.] de largo ancho y altura respectivamente, este además debe tener acabados muy finos debido a que existe el problema de que las hojas sufran desgarres al momento de que la plancha de distribución de papel hacia el sistema de perforado ingrese en el mismo, este contenedor se encuentra sujeto a una plancha de 1060x400x40 [mm.]. El material del que son realizados estos elementos es de acero AISI 304.
3.1.2 SISTEMA DE EMPUJE DE HOJAS DE PAPEL A DOSIFICAR
Para el sistema de empuje se tomaron en cuenta varias opciones para probarlas y ver cuál de todas daba un mejor resultado.
Las opciones para poner en marcha este sub sistema fueron:
Empuje de la placa mediante sistema conformado por motor paso a paso, polea y una banda.
Sistema de piñón y cremallera
Sistema de empuje mediante motor y eje con cilindros de goma incorporados
Para la selección del modelo más óptimo para el empuje de la placa de dosificación se tomaron en cuenta varios aspectos los cuales se los menciona en la siguiente tabla.
Sistema 1: Empuje de la placa mediante sistema conformado por motor paso a paso, polea y una banda.
34 Sistema 3: Sistema de empuje mediante servomotor y eje con cilindros de goma incorporados
Tabla 3.1 Cuadro Comparativo Entre Posibles Opciones para sistema de empuje de placa para dosificación de hojas
Características Sistema # 1 Sistema # 2 Sistema # 3
Manejabilidad 3 4 4
Accesibilidad de materiales
4 2 3
Fuerza de empuje
3 3 5
Duración de materiales
3 2 4
Costo de materiales
2 1 3
Total: 15 12 19
0= Deficiente 5 =Óptimo
Como muestra la tabla 3.1 se escogió la opción del sistema número 3 es decir el sistema de empuje mediante servomotor y eje con cilindros de goma incorporados debido a que cumple de mejor manera las expectativas que se tienen para este sistema, a continuación determinaremos las fuerzas que intervienen dentro del sistema de dosificado (Figura 3.1,3.2,3.3).
3.1.3 DETERMINACIÓN DE FUERZAS QUE ACTÚAN DENTRO DEL SISTEMA DE DOSIFICADO
35
Lámina de acrílico Largo: 350(mm.) Ancho: 210 (mm.) Espesor: 2 (mm.) Peso: 0.249 (kg.)
Hoja de papel Largo: 296 (mm.) Ancho: 210 (mm.) Espesor: 1.1 (mm.)
Peso por hoja: 0.00469 (kg.)
Rodillos de caucho Diámetro: 24.5 (mm.)
Fuerza que ejerce el rodillo: 0.5425 (N)
3.1.4 DETERMINACIÓN DE FUERZAS EN EL ACRÍLICO
Figura 3.1 Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico en el sistema de dosificado
Wp= 0.2429[Kg] * 9.8 [N] Wp=2.44 [N]
∑Fy=0 Frp
Wp
Np Fvr
36 Np-Wp-Fvr=0
Np= 2.44 [N] + 2.17[N] Np=4.61 [N]
Frp=Np*UH/A Frp=4.61[N] * 0.4
Frp=1.844 [N]
∑FX=0 -FA-Frp+FR = 0 FR=1.844 [N] + 0.585 [N]
FR = 2.429 [N] Donde:
Np: Normal de la plancha de acrílico
UH/A: Coeficiente de rozamiento de las hojas de papel sobre el acero Wp: Peso de la plancha de acrílico
Fvr: Fuerza vertical del rodillo FR: Fuerza del rodillo
FA: Fuerza del acrílico sobre las hojas
37
3.1.5 DETERMINACIÓN DE FUERZAS EN CONTENEDOR DE PAPEL
3.1.5.1 Determinación de fuerzas en hojas en reposo previo a la dosificación
D
Figura 3.2 Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel previo a la dosificación
∑y=0 NH-WH=0
NH=WH
150 (hojas)*0.00469[Kg]*9.8 [m/S^2] =6.89 [N] Donde:
NH: Normal de las hojas en reposo WH: Peso de las hojas en reposo.
NH
38
3.1.5.2 Determinación de fuerzas en hojas a ser dosificadas
Figura 3.3 Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel a ser dosificadas
FrH= 6.89 [N]*Uh/h FrH= 6.89 [N]*0.04
FrH= 0.275 [N] ∑FY=0 NM-WH-WM = 0
NM=6.89+[18(hojas)*0.00469(kg)*9.8(m/s2)] NM= 7.72 [N]
FrM= 7.72[N] * Uh/Ac FrM= 7.72 [N] * 0.04
FrM= 0.31 [N] ∑FX=0 FA-FrH-Frm= 0 FA= 0.275 [N] + 0.31 [N]
FA= 0.585 [N]
NM WH
FrH FA
39 Donde:
FA: Fuerza del acrílico sobre las hojas
FrH: Fuerza de rozamiento entre las hojas que se desplazan y las estáticas Uh/h: Coeficiente de rozamiento entre hojas de papel
WM: Peso de las hojas que son dosificadas NM: Normal de las hojas en movimiento WH: Peso de las hojas estáticas
FrM: Fuerza de rozamiento entre las hojas en movimiento y el acero Uh/Ac: Coeficiente de rozamiento entre las hojas de papel y el acero Nota: Los coeficientes de rozamiento aplicados en los análisis fueron tomados con relación a una tabla extraída de la Física General de Serway, Editorial McGraw-Hill. Sexta edición (2012),
3.1.6 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCIÓN DE MOTOR DEL SISTEMA DE DOSIFICADO
[Ecuación 3.1]
40 [Ecuación 3.2]
W=81.63 [rad/seg] T= FR*Rr [Ecuación 3.3]
T= 2.429 * 0.001225 T=0.00297 [N*m] Pr= T*W [Ecuación 3.4]
Pr=0.0297*81.63 Pr= 0.242 [Watts]
Selección del motor
Datos del servo motor pre seleccionado Torque= 6 kg*cm
Torque= 0.586 Nm W= 60°/0.19seg W=5.51 rad/seg
Ps= T*W Ps= 0.586*5.51 Ps= 3.22 [Watts]
41 Donde:
V: Velocidad lineal del motor
d: Distancia que debe recorrer la placa de dosificado para enviar las hojas hacia el sistema de perfilado (300 mm.).
t: Tiempo que le toma a la placa de dosificado en recorrer 300 mm. (3 segundos) el dato fue adquirido experimentalmente.
W: Velocidad angular del motor T: Torque del motor
Pr: Potencia requerida Ps: Potencia del servomotor
3.1.7 IMPLEMENTACION DE SISTEMA DE DOSIFICACION
Una vez que se probó el funcionamiento del sistema de dosificado mediante el prototipo construido el cual se describió anteriormente se procedió a realizarlo en acero inoxidable AISI 304 con algunas adecuaciones para que posea un óptimo funcionamiento.
42
Contenedor de hojas de papel
Figura 3.4 Bandeja contenedora de papel
Es una bandeja de acero inoxidable AISI 304 de dimensiones de 300x215*100 (mm) respectivamente, posee unas bases laterales de 23 (mm) que se encuentran empernadas para su sujeción a la base que contiene el sistema en sí.
Además este contenedor cuenta en sus lados frontal y posterior con un sistema que permite la regulación de la altura del mismo.
43 Este sistema permite la regulación de la altura mediante una placa la cual se la puede bajar o subir de 0 a 20 milímetros según se desee, es decir según la altura de la placa de dosificado que va a intervenir para determinar el número de hojas a perforar
Guías para paso de placa de dosificado
Figura 3.6 Guías para paso de placa de dosificado
44
Placa de dosificado
Esta placa está hecha de acrílico de 350*210*2 (mm) de largo ancho y espesor respectivamente, y cumple la función de empujar las hojas de papel del contenedor hacia fuera del mismo, las medidas fueron tomadas en base a la cantidad de hojas que se quería dosificar en este caso 12 hojas +6,-0 hojas.
Figura 3.7 Placa para empuje de hojas
Soportes para el eje
45 Los rodamientos poseen un código 6205, y 6208 de acuerdo a la norma DIN 623 los cuales están sujetos a un soporte de duralón el cual se encuentra sujeto a un tornillo sin fin que permite la calibración de la altura del soporte con el rodamiento, para así realizar la calibración de la altura del eje con cilindros de goma.
Figura 3.8 Soportes para el eje con rodillos de goma
46
Eje con rodillos de goma
Este eje es el encargado de mover la placa dosificadora para sacar el papel del contenedor de papel. Posee un diámetro de 8 mm y en uno de sus extremos un diámetro de 5 mm. Los rodillos de goma poseen un diámetro de 23.4 mm y un largo de 30 mm se encuentran ubicados a 29 mm uno de otro para así permitir un arrastre uniforme de la placa de dosificado.
Figura 3.10 Eje con rodillos de goma
47
3.2 SISTEMA DE PERFORADO DE PAPEL
El sistema de perforado de papel es el encargado de realizar lo orificios en el papel, pero para poder realizar los orificios de manera correcta a más de que no debe exceder el número de hojas que le sea posible perforar a la matriz, las hojas deben ser correctamente alineadas dentro de la misma y para eso dentro del sistema de perforado de papel existe un subsistema que es el de perfilado de papel y el de expulsión de papel posterior a ser perforado
3.2.1 SISTEMA DE PERFILADO DE PAPEL
El sistema de perfilado de papel es el encargado de ubicar correctamente las hojas de papel dentro de la matriz de perforado y mantenerlas ubicadas hasta que hayan sido perforadas.
Este sistema de papel se lo realizó con un principio muy similar al del dosificado, es decir con una placa de acrílico la cual es impulsada por un sistema de rodillos de goma los cuales poseen un movimiento rotatorio ya que se encuentran adherido a un eje que gira mediante el movimiento de un motor que se encuentra acoplado a él, las dimensiones de los ejes, soportes, rodamientos y rodillos son las mismas que se las usaron en el sistema de dosificado de papel con la excepción de las planchas de acrílico y en el sistema de perfilado frontal se le adherido un rodillo de goma para un mejor agarre de la plancha de perfilado.
48
3.2.2 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA EL SISTEMA DE PERFILADO FRONTAL
Datos
Lámina de acrílico Largo: 350 (mm.) Ancho: 210 (mm.) Espesor: 4 (mm.) Peso: 0.260 (Kg.)
Hoja de papel Largo: 296 (mm.) Ancho: 210 (mm.) Espesor: 1.1 (mm.)
Peso por hoja: 0.00469 (Kg.)
Rodillos de caucho Diámetro: 24.5 (mm.)
Fuerza que ejerce el rodillo: 0.5425 (N) Número de rodillos: 5
3.2.2.1 Determinación de fuerzas en el papel
Figura 3.12 Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel a ser perfiladas frontalmente
Frp
Wp FA
49 ∑FY = 0
NP-WP = 0 NP = WP
NP = 20[hojas]*[0.00469Kg] * 9.8 [m/s´2]
NP = 0.911 [N]
∑FX = 0 FA – Frp = 0
FA = Frp FA=UH/A*NP FA = 0.4 * 0.911 FA = 0.36 [N]
Donde:
NP: Normal de las hojas de papel
UH/A: Coeficiente de rozamiento de las hojas sobre el acero Wp: Peso de las hojas de papel
50
3.2.2.2 Determinación de fuerzas en el acrílico
Figura 3.13 Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico encargado de perfilar frontalmente las hojas de papel
Wp= 0.469[Kg] * 9.8 [m/s´2] Wp=4.59 [N]
∑Fy=0 Np-Wp-Fvr=0 Np= 4.59 [N] + 2.71 [N]
Np=7.3 [N]
Frp=Np*0.4 Frp=7.3 [N] * 0.4
Frp=2.92 [N]
∑FX=0 -FA-Frp+FR = 0 FR=2.92 [N] + 0.36 [N]
FR = 3.28 [N] Frp
Wp
Np Fvr
51 Donde:
Np: Normal de la plancha de acrílico Wp: Peso de la plancha de acrílico Fvr: Fuerza vertical del rodillo FR: Fuerza del rodillo
FA: Fuerza del acrílico sobre las hojas
Frp: Fuerza de rozamiento del acrílico sobre el acero inoxidable
3.2.2.3 Determinación de requerimientos para selección de motor para sistema de perfilado frontal
V=0.1 [m/s]
W=81.63 [rad/seg] T= FR*R T= 3.28 * 0.001225
52 Pr= T*W
Pr=0.004018*81.63 Pr= 0.3 [Watts]
Selección del motor
Datos del servo motor pre seleccionado Torque= 6 kg*cm
Torque= 0.586 Nm W= 60°/0.19seg W=5.51 rad/seg
Ps= T*W Ps= 0.586*5.51 Ps= 3.22 [Watts]
El motor cumple con la potencia requerida para el Sistema
Donde:
V: Velocidad lineal del motor
d: Distancia que debe recorrer la placa de perfilado
t: Tiempo que le toma recorrer la distancia para perfilar la hoja dentro de la matriz de perforado
53 Pr: Potencia requerida
Ps: Potencia del servomotor
3.2.3 DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS PARA EL SISTEMA DE PERFILADO LATERAL
Datos
Lámina de acrílico Largo: 585 (mm.) Ancho: 170 (mm.) Espesor: 4 (mm.) Peso: 0.496 (kg.)
Hoja de papel Largo: 296 (mm.) Ancho: 210 (mm.) Espesor: 1.1 (mm.)
Peso por hoja: 0.00469 (Kg.)
Rodillos de caucho Diámetro: 24.5 (mm.)
54
3.2.3.1 Determinación de fuerzas en el papel
Figura 3.14 Diagrama de fuerzas que actúan sobre las hojas de papel a ser perfiladas lateralmente
∑FY = 0 NP-WP = 0
NP = WP
NP = 20 [hojas]*0.00469[Kg] * 9.8 [m/s´2]
NP = 0.911 [N]
∑FX = 0 FA – Frp = 0 FA = Frp
FA= UH/A*NP FA = 0.4 * 0.911 FA = 0.36 [N] Frp
Wp FA
55
Donde:
NP: Normal de las hojas de papel Wp: Peso de las hojas de papel
FA: Fuerza que ejerce el acrílico sobre las hojas Frp: Fuerza de rozamiento del papel sobre el acero
UH/A: Coeficiente de rozamiento de las hojas de papel sobre el acero
3.2.3.2 Determinación de fuerzas en el acrílico
Figura 3.15 Diagrama de fuerzas que actúan sobre el acrílico encargado de perfilar frontalmente las hojas de papel
Wp= 0.496[Kg] * 9.8 [m/s´2] Wp=4.86 [N]
∑Fy=0 Np-Wp-Fvr=0 Np= 4.86 [N] + 2.17 [N] Frp
Wp
Np Fvr
56 Np=7.03 [N]
Frp=Np* UH/A Frp=7.03 [N] * 0.4
Frp=2.81 [N]
∑FX=0 -FA-Frp+FR = 0 FR=2.81 [N] + 0.36 [N]
FR = 3.17 [N]
Donde:
Np: Normal de la plancha de acrílico Wp: Peso de la plancha de acrílico Fvr: Fuerza vertical del rodillo FR: Fuerza del rodillo
FA: Fuerza del acrílico sobre las hojas
Frp: Fuerza de rozamiento del acrílico sobre el acero inoxidable UH/A: Coeficiente de rozamiento de las hojas de papel sobre el acero
3.2.3.3 Determinación de requerimientos para selección de motor para sistema de perfilado frontal
57
V=0.1 [m/s]
W=81.63 [rad/seg] T= FR*Rr T= 3.17 * 0.001225
T=0.00388 [N*m] Pr= T*W Pr=0.00388*81.63
Pr= 0.31 [Watts]
Selección del motor
Datos del servo motor pre seleccionado Torque= 6 kg*cm
Torque= 0.586 Nm W= 60°/0.19seg W=5.51 rad/seg
58 Ps= 3.22 [Watts]
El motor cumple con la potencia requerida para el Sistema
Donde:
V: Velocidad lineal del motor W: Velocidad angular del motor
d: Distancia que debe recorrer la placa de perfilado
t: Tiempo que le toma recorrer la distancia para perfilar la hoja dentro de la matriz de perforado
T: Torque del motor Pr: Potencia requerida Ps: Potencia del servomotor
3.2.4 SISTEMA DE PERFORADO DE PAPEL
En el sistema de perforado de papel se tuvo muy en cuenta la fuerza que se necesitaba para poder perforar las hojas de papel con una mayor facilidad, así mismo el posicionamiento escalonado de los punzones para así tener un mejor ingreso en las hojas de papel, y una coordinación muy precisa de los demás subsistemas que conforman el mismo
59 Para esto se tuvo en cuenta dos opciones las cuales fueron:
Girar el eje que impulsa el juego de brazo y la matriz porta punzones mediante un juego de engranajes entre un motor y el eje de la perforadora manual
Generar la fuerza de empuje vertical que necesita la placa porta punzones mediante pistones neumáticos que se encuentren sostenidos a la perforadora por un soporte.
Para la selección del mejor sistema para perforar el papel de manera automática se tuvo en cuenta varios sistemas para realizar este trabajo así que se debió analizarlos de una manera objetiva cada uno de ellos para así poder llegar a la selección del modelo óptimo para la realización del trabajo. Los modelos a analizar fueron los siguientes:
1. Movimiento de eje central, encargado de movimiento de matriz de punzones, mediante banda y motor con reductor
2. Movimiento de eje central, mediante engranes, con motor con reductor
3. Movimiento de matriz de punzones, mediante pistones neumáticos
60 Tabla 3.2 Cuadro Comparativo entre posibles opciones para sistema de perforado de papel
Características Sistema # 1 Sistema # 2 Sistema # 3
Manejabilidad 3 4 4
Accesibilidad de materiales
4 3 5
Confiabilidad del sistema
4 4 5
Duración de materiales
3 4 5
Costo de materiales
2 1 4
Total: 16 16 18
0= Deficiente 5 =Óptimo
Como muestra el cuadro se eligió la opción número tres la cual es el “sistema de perforado mediante el empuje de la matriz de punzones impulsada a base de pistones neumáticos”
3.2.4.1 Dimensionamiento neumático para perforado de papel
61
Cálculo de la fuerza requerida para perforar el papel.
Se perforó a mano con la palanca y se midió la fuerza requerida normal a la palanca, esta fuerza se aplicaba directamente en un punto el cual se encontraba a 5 [mm.] del eje central el cual era el encargado de mover la matriz de perforado permitiendo así amplificar la fuerza aplicada mediante una ventaja mecánica.
Datos:
- Palanca larga: 350 mm - Excentricidad leva: 5mm
- Fuerza en el extremo de la palanca para perforar 12 hojas: 110 N (medido con romanilla)
Ventaja mecánica = 350 / 5 = 70 Fuerza requerida = 70 x 110 = 7700 N
Cálculo neumático
Datos:
Presión del compresor: 120 PSI
Presión del compresor: 99284505.0216 Pa Fuerza requerida: 7700 N
[Ecuación 3.5]
62
[Ecuación 3.6]
A =0.0093m² Área de cada cilindro
Ac = 0.00465m² [Ecuación 3.7]
r= 0.03847 m r = 38.47 mm
D = 76.94
Donde:
P: Presión de aire que proporciona el compresor F: Fuerza necesaria para perforar 20 hojas de papel
A: Área total que deben tener los émbolos de los cilindros neumáticos Ac: Área del émbolo de cada cilindro neumático
r: Radio del émbolo del cilindro neumático D: Diámetro del cilindro neumático
63 carrera de 20 [mm] mínimo además cada cilindro debe tener radio de 38.47 [mm] de radio es decir 76.94 [mm] de diámetro de émbolo.
Para mayor seguridad del sistema se seleccionó 2 cilindros de 80 [mm.] de diámetro de embolo y de 25 [mm] de carrera.
Figura 3.16 Diagrama neumático de sistema de perforado de papel
3.2.5 SISTEMA DE EXPULSIÓN DEL PAPEL
Para la expulsión del papel se realizó un sistema con el principio de una leva el cual realiza un movimiento circular con un brazo el cual mide 100 [mm] que es la distancia que se requiere que sea desplazado el papel para que salga del posicionamiento donde fue perforado para así poder ser retirado hacia el contenedor de hojas ya perforadas.
64
3.3 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE PAPEL
Para este sistema no hubo mayor inconveniente ya que solo debe ser un contenedor que permita el ingreso de las hojas ya perforadas de una manera no tan delimitada sino con un pequeño espacio extra para que el operador pueda retirar las hojas del mismo. Se lo realizo en acero AISI 304 y sus medidas fueron 320X220x70 [mm], teniendo así la capacidad de almacenar hasta 600 hojas de papel bond de 0.075 [Kg]
3.4 SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control se lo realizó mediante un microcontrolador el cual es el encargado de sincronizar cada uno de los tiempos que deben existir dentro de los diversos sistemas, procesándolos y enviando así una orden que active o desactive cada uno de los actuadores que se encuentran formando el sistema de perforado automático.
El microcontrolador seleccionado para esta aplicación fue el PIC16F877A debido a las múltiples entradas y salidas que este proporciona (36 entradas/salidas), tiene 3 timers, comunicaciones en paralelo PSP, posiciones RAM de datos 368, posiciones EEPROM de datos 256, y fue protegido mediante un optoacoplador para evitar que las señales que retornen en forma de ruido no puedan dañar al mismo.
65 interruptores y nos permiten cambiar la polaridad y por ende el sentido de giro del motor a controlar.
Cada uno de los sistemas como el de distribución de papel, perfilado frontal, y perfilado lateral consta de 2 sensores o fines de carrera magnéticos quienes poseen una pequeña platina interna la cual al pasar un imán cerca de ellos se unen cerrando así el circuito controlando así desde donde y hasta donde deben de recorrer los acrílicos para realizar un trabajo pre determinado. El sistema de expulsión del papel ya perforado consta únicamente de un sensor ya que empieza y termina su ciclo en un mismo lugar o punto.
66 A partir de una máquina manual, de perforado de papel bond formato A4, de dimensiones de 400x410x50 [mm] se inició la automatización del mecanismo que esta realizaba al igual que las operaciones que eran realizadas por el operario que la controlaba.
Para implementar este sistema se siguió un proceso de análisis de cada uno de los requerimientos para el proceso.
4.1 SISTEMA DE DOSIFICADO
Se implementó un sistema de dosificado automático el cual fue realizado en acero inoxidable AISI 304 con medidas 700x400x160 [mm] de largo, ancho, y altura correspondientemente y consta de:
Un contenedor para las hojas previas a dosificar de 300 x 215 [mm]
Lámina de acrílico de 310x250x2[mm]
Sistema de empuje para la placa de dosificado (eje con rodillos de caucho, soportes para ejes, servomotor)
2 sensores de inicio y final de carrera para el paso del acrílico
2 guías para placa de dosificado
67
4.2 SISTEMA DE PERFILADO LATERAL
Este sistema se lo implemento con una manera de trabajo similar al de dosificado es decir con el paso de láminas de acrílico de 0.4 [cm] de espesor las cuales ubicaban a las hojas de papel bond en la posición deseada para poder ser perforadas, este proceso lo realiza en 2 segundos. Las dimensiones totales del sistema de perfilado lateral eran de 590x460x70 [mm] de igual manera la estructura era hecha de acero inoxidable AISI 304 y contenía
Lámina de acrílico de 585x170x4 [mm]
3 sensores para posicionamiento de inicio, fin de carrera y expulsión del papel.
Sistema de empuje de plancha de perfilado (eje con rodillos de caucho, soportes para ejes, servomotor)
Este sistema a más de perfilar lateralmente las hojas para el perforado ayudaba en el sistema de expulsión del papel de la matriz empujando las hojas de papel bond hacia el contenedor de hojas ya perforadas.
4.3 SISTEMA DE PERFILADO FRONTAL
Este sistema funciona de la misma manera que el perfilado lateral ubicando las hojas correctamente en la matriz de perforado hasta que sean perforadas evitando así que se muevan durante el proceso de perforado este proceso lo realiza en 2 segundos, sus medidas totales son 220x520x70 [mm] consta de:
Lámina de acrílico de 350x210x4 [mm]
2 sensores para posicionamiento de inicio y fin de carrera
68
4.4 SISTEMA DE PERFORADO
El proceso de perforado lo realiza una vez que ya se encuentren las hojas ubicadas correctamente en la matriz, sus dimensiones totales son de 450x370x70 [mm], el tiempo que ocupa es de 3 segundos y consta de:
Matriz de perforado
Compresor de 2HP, con capacidad de proporcionar hasta 120 PSI de presión
2 cilindros neumáticos de 80 [mm] de diámetro de émbolo y de 25 mm de carrera
1 válvula 5/2 de accionamiento eléctrico y retorno por muelle
3 metros de manguera para aire comprimido
4.5 SISTEMA DE EXPULSIÓN
El sistema de expulsión se lo realiza una vez que el proceso de perforado culmina es decir se levanta la matriz, está conformado por una leva de 10 [cm] que es la encargada de expulsar al papel fuera de la matriz de perforado y un sensor que indica el inicio del desplazamiento de las hojas mediante la plancha de acrílico del sistema de perfilado lateral hacia el contenedor de hojas ya perforadas el sistema de expulsión de la leva se encuentra adherido a la matriz de perforado por su parte posterior con una medida de 200x200*70 [mm]. El ciclo lo realiza en 7 segundos
69 Tabla 4.1 Tabla demostrativa de cantidad de hojas perforadas por ciclo simulación número
1 (15 hojas por ciclo)
NÚMERO DE CICLOS TIEMPO [segundos] NÚMERO DE HOJAS
TOTAL DE HOJAS PERFORADAS
1 23 15 15
2 46 15 30
3 69 15 45
4 92 15 60
5 115 15 75
TOTAL: 115 75 75
Tabla 4.2 Tabla demostrativa de cantidad de hojas perforadas por ciclo simulación número 2 (16 hojas por ciclo)
NÚMERO DE CICLOS TIEMPO [segundos] NÚMERO DE HOJAS
TOTAL DE HOJAS PERFORADAS
1 23 16 16
2 46 16 32
3 69 16 48
4 92 16 64
5 115 16 80
70 Tabla 4.3 Tabla demostrativa de cantidad de hojas perforadas por ciclo simulación número
3 (17 hojas por ciclo)
NÚMERO DE CICLOS TIEMPO [segundos] NÚMERO DE HOJAS
TOTAL DE HOJAS PERFORADAS
1 23 17 17
2 46 17 34
3 69 17 51
4 92 17 68
5 115 17 85
TOTAL: 115 85 85
Tabla 4.4 Tabla demostrativa de cantidad de hojas perforadas por ciclo simulación número 4 (14 hojas por ciclo)
NÚMERO DE CICLOS TIEMPO [segundos] NÚMERO DE HOJAS
TOTAL DE HOJAS PERFORADAS
1 23 14 14
2 46 14 28
3 69 14 42
4 92 14 56
5 115 14 70
71 Tabla 4.5 Tabla demostrativa de cantidad de hojas perforadas por ciclo simulación número
4 (13 hojas por ciclo)
NÚMERO DE CICLOS TIEMPO [segundos] NÚMERO DE HOJAS
TOTAL DE HOJAS PERFORADAS
1 23 13 13
2 46 13 26
3 69 13 39
4 92 13 52
5 115 13 65
TOTAL: 115 65 65
Promedio general de hojas perforadas en 115 segundos
Tabla 4.6 Tabla de promedio de numero de hojas por ciclo
SIMULACIÓN TIEMPO POR CICLO NÚMERO DE HOJAS
1 23 15
2 46 30
3 69 45
4 92 60
5 115 75
TOTAL 115 75
72
4.6 COSTOS
4.6.1 SISTEMA DE DOSIFICADO
Tabla 4.7 Tabla de elementos que conforman el sistema de dosificado
MATERIAL O ELEMENTO DESCRIPCIÓN FUNCIONAL CANTIDAD (Unidades) Estructura en acero
inoxidable AISI 304
Conforma la base, el contenedor de papel, los soportes para los sensores y las guías
del sistema de dosificado
1
Soportes para eje Contiene una estructura de aluminio, un soporte para rodamiento hecho
en duralón, y un rodamiento. Permite
que el eje gire sin mayor dificultad.
2
Acrílico Es una lámina de 350x210x2 mm que se
encarga de dosificar la cantidad exacta de hojas hacia el sistema
de perforado.
1
Eje Es un eje de acero AISI 4340 de 8 mm de diámetro, el cual es el encargado de mover a la placa de dosificado
73 Rodillos de caucho Están acoplados al eje
para tener mayor tracción con la lámina de acrílico y tienen un largo de 30 mm y un diámetro de 24.5 mm
4
Servomotor Es un servomotor destruncado que posee
0.586 Nm de torque, y es el encargado de proveer la fuerza motriz al sistema de dosificado
1
Sensor magnético Estos sensores son los encargados de limitar tanto el inicio como el final del recorrido que realiza la plancha de
acrílico durante el proceso
2
Costo total del sistema de dosificado: 400 Dólares estadounidenses
4.6.2 SISTEMA DE PERFILADO FRONTAL
Tabla 4.8 Tabla de elementos que conforman el sistema de perfilado frontal
MATERIAL O ELEMENTO DESCRIPCIÓN CANTIDAD
(Unidades) Estructura en acero
inoxidable AISI 304
Conforma la base, los soportes para los sensores y
las guías para el acrílico del
74 sistema de perfilado
Soportes para eje Contiene una estructura de aluminio, un soporte para
rodamiento hecho en duralón, y un rodamiento. Permite que el eje gire sin
mayor dificultad
2
Acrílico Es una lámina de 350x210x4 mm que se encarga de ubicar las hojas
correctamente en la matriz de perforado.
1
Eje Es un eje de acero de alta velocidad de 8 mm de diámetro , el cual es el encargado de mover a la placa de perfilado frontal
1
Rodillos de caucho Están acoplados al eje para tener mayor tracción con la lámina de acrílico y tienen
un largo de 30 mm y un diámetro de 24.5 mm
5
Servomotor Es un servomotor destruncado que posee 0.586 Nm de torque, es el
encargado de proveer la fuerza motriz al sistema de
perfilado frontal
1
Sensor magnético Estos sensores son los encargados de limitar tanto
el inicio como el final del recorrido que realiza la plancha de acrílico durante
el proceso de centrado
2
75
4.6.3 SISTEMA DE PERFILADO LATERAL
Tabla 4.9 Tabla de elementos que conforman el sistema de perfilado lateral
MATERIAL O ELEMENTO
DESCRIPCIÓN CANTIDAD
(Unidades) Estructura en acero
inoxidable AISI 304
Conforma la base, los soportes para los sensores y las guías
para el acrílico del sistema de perfilado
1
Soportes para eje Contiene una estructura de aluminio, un soporte para rodamiento hecho
en duralón, y un rodamiento. Permite
que el eje gire sin mayor dificultad
2
Acrílico Es una lámina de 585x170x4 mm que se
encarga de ubicar las hojas correctamente en
la matriz de perforado, y expulsar el papel hacia un contenedor
posteriormente al perforado.
1
Eje Es un eje de acero de alta velocidad de 8 mm
de diámetro, el cual es el encargado de mover a la placa de perfilado
76 frontal.
Rodillos de caucho Están acoplados al eje para tener mayor tracción con la lámina de acrílico y tienen un largo de 30 mm y un diámetro de 24.5 mm
4
Servomotor Es un servomotor destruncado que posee 0.586 Nm de torque, es
el encargado de proveer la fuerza motriz
al sistema de perfilado lateral
1
Sensor magnético Estos sensores son los encargados de limitar tanto el inicio como el final del recorrido que realiza la plancha de
acrílico durante el proceso de centrado y
posteriormente el de expulsión del papel hacia el contenedor posterior a perforado
3
77
4.6.4 SISTEMA DE PERFORADO
Tabla 4.10 Tabla de elementos que conforman el sistema de perforado
MATERIAL O ELEMENTO DESCRIPCIÓN FUNCIONAL CANTIDAD (Unidades) Perforadora manual Perforadora manual
mediante palanca de marca KRAUSSE que permite el perforado de
hasta 15 hojas, esta nos proporciona la matriz de perforado y un espacio para poder implementar el sistema
de perfilado.
1
Sistema de expulsión Contiene un sistema de leva en la parte posterior de la matriz
de perforado de dimensiones de 200x200 mm, el cual es
el encargado de expulsar las hojas de la matriz de perforado una
vez que ya han sido agujereadas.
1
Cilindros Neumáticos Son cilindros de doble efecto de 80 mm de diámetro de embolo y
25 mm de carrera (SDA80-25 Según su
78 catálogo), son los
encargados de empujar la matriz de perforado
que contiene los punzones una vez ubicado el papel de
manera correcta Soporte para cilindros
neumáticos
Contiene a los cilindros neumáticos y está hecho de acero 1018
1
Servomotor Es un servomotor destruncado que posee
0.586 Nm de torque y se encuentra acoplado
a la leva y se encarga de la movilidad de la
leva
1
Sensor magnético Estos sensores son los encargados de limitar tanto el inicio como el final del recorrido que realiza la leva durante el proceso de expulsión
de papel
1
79
4.6.5 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE
Tabla 4.11 Tabla de elementos que conforman el sistema de alimentación de aire
MATERIAL O ELEMENTO DESCRIPCIÓN FUNCIONAL CANTIDAD (Unidades) Compresor de aire Compresor de marca
SILK de 25 L de capacidad 2 HP de potencia y 120 PSI de presión de aire máxima,
es el encargado de proporcionar aire comprimido para el funcionamiento del sistema neumático.
1
Manguera para aire comprimido
Es una manguera especial generalmente
hecha de poliuretano diseñada para aguantar
altas presiones.
3 [mts]
Electroválvula Es una electroválvula 5/2 con activación a
110 voltios, es la encargada de controlar
el paso de aire hacia los cilindros neumáticos.
1
80
4.6.6 SISTEMA DE CONTROL
Tabla 4.12 Tabla de elementos que conforman el sistema de control del sistema de perforado
MATERIAL O ELEMENTO
DESCRIPCIÓN CANTIDAD
(Unidades) Circuito Impreso Es el encargado de contener
todos los elementos de control y sus diversas conexiones
1
Microcontrolador PIC 16F877A, es el encargado de emitir y recibir las distintas
señales por parte de los sensores para según eso enviar
señales que activen diversos procesos
1
Puentes H Se utilizó el circuito integrado
L293D, el cual nos permite cambiar la polaridad y por ende el sentido de giro de los motores
usados en el sistema
2
Cable Se utilizó cable utp para
conexiones hacia sensores y motores
8 [mts]
Botoneras Poseen 22 mm de diámetro, son
normalmente abiertas, y son del tipo BA42 y nos permiten enviar señales hacia el PIC para iniciar o parar el proceso de perforado
2
Swich Es un swich de 3 pines, de
dimensiones 1x2.3mm, activación a 110 voltios, este
controla que el sistema se energice o no (on/off).