Diseño y construcción de una dosificadora automática de granos secos

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DOSIFICADORA

AUTOMÁTICA DE GRANOS SECOS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERA EN MECATRÓNICA

KATHERINE ANABEL SARZOSA SINALUISA

DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO MSc.

El presente trabajo dedico primero a Dios por darme fuerzas para seguir adelante y no rendirme antes los obstáculos que se presentaron.

A mis padres que han sido un gran apoyo fundamental para llegar a culminar esta etapa importante en mi vida, porque han creído siempre en mí, dándome ejemplo de superación, humildad y sacrificio.

Gracias a Dios por bendecir mi vida cada día y permitirme disfrutar junto a las personas que amo, gracias a la vida por este gran triunfo.

A mis padres Marcia Sinaluisa y Jorge Sarzosa por su apoyo incondicional, por su inmenso amor, paciencia y comprensión que me han brindado cada día para hacer de mí una mejor persona y culminar con éxito mi formación profesional. Por eso y muchas cosas más los amo mucho padres.

A Mateo, la ayuda que me has brindado ha sido sumamente importante, estuviste en los momentos difíciles de este proceso, te agradezco no solo por el apoyo brindado, sino por los buenos momentos vividos.

Agradezco de manera especial al Ing. Luis Hidalgo por brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento; así como guiarme de manera paciente para el correcto desarrollo de la tesis.

A mis amigos y todas aquellas personas que de una u otra manera contribuyeron y fueron parte importante en mi vida universitaria para llegar a esta importante meta.

PROYECTO DE TITULACIÓN

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723760326

APELLIDO Y NOMBRES: SARZOSA SINALUISA KATHERINE

ANABEL

DIRECCIÓN: CONOCOTO PUENTE 7

EMAIL: [email protected]

[email protected]

TELÉFONO FIJO: 022344803

TELÉFONO MOVIL: 0984069469

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño y construcción de una

dosificadora automática de granos secos

AUTOR O AUTORES: Sarzosa Sinaluisa Katherine Anabel

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 2017/10/03

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN: Ing. Luis Hidalgo

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniera en Mecatrónica

RESUMEN: Mínimo 250 palabras

Se presenta el proyecto diseño y construcción de una dosificadora automática de granos secos, cuyo sistema seleccionado es volumétrico y consta de vasos telescópicos con un volumen de dosificación de 500gr. Para validar el sistema se construyó un prototipo a escala y el protocolo de pruebas consistió en realizar ensayos en los tiempos de dosificación, descarga total del producto, tiempos de operario, programación, simulación en software y empaque del producto de esta manera se comprobó que el sistema opere de acuerdo con los requerimientos establecidos y así tener una relación de semejanza con la máquina real y sirva de modelo para la fabricación de la misma.

pequeños y medianos que fluyan libremente; en este caso se dosificarán granos secos como: el frejol, arveja, maíz y maní. Está compuesta por cuatro estaciones, con sus respectivas tolvas para cargar los granos, las estaciones se pueden activar individualmente y a la vez; sin la necesidad de que una dependa de otra. El llenado se hace por medio del control de los vasos volumétricos, que son alimentados por gravedad desde las tolvas, el producto fluye al vaso y el contenido del vaso es luego dispensado a la funda de empaque. El operario deberá mostrar la funda de empaque para que sea detectado por el sensor y automáticamente dosifique la cantidad de producto requerido. Cada tolva consta de dos luces piloto verde y roja, se encenderá la luz verde mientras existan granos en la tolva, pero si hay ausencia de estos se encenderá la luz roja que indicará que la tolva necesita ser cargada de nuevo. Se inició con el estudio para definir el sistema más adecuado que permita dosificar el mismo peso para cuatro diferentes granos en tiempos iguales, posteriormente se analizaron diversos componentes necesarios para el desarrollo del proyecto. Aplicando la metodología mecatrónica en V se realizó el modelado de la máquina, posterior se diseñó cada componente mecánico con sus respectivos cálculos, dimensionando los motores para accionar al sistema de dosificación, seguido se diseñó el sistema electrónico para definir los sensores y actuadores a utilizar para la etapa de control.

PALABRAS CLAVES:

Dosificación, sistema volumétrico, vasos telescópicos, granos secos.

ABSTRACT:

times, total product discharge, operator time, programming, software simulation and product packaging in this way. system to operate in accordance with the established requirements and thus have a similarity relation with the actual machine and serve as a model for the manufacture thereof.

KEYWORDS Dosing, volumetric system, telescopic vessels, dry grains.

Yo, SARZOSA SINALUISA KATHERINE ANABEL, CI 1723760326 autora del proyecto titulado: Diseño y construcción de una dosificadora automática de granos secos, previo a la obtención del título de Ingeniera en Mecatrónica en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN... 1

ABSTRACT ... 2

1. INTRODUCCIÓN ... 3

2. METODOLOGÍA ... 9

2.1. MODELO EN V ... 10

2.1.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ... 10

2.1.2. REQUERIMIENTOS ... 11

2.1.2.1. RESTRICCIONES ... 11

2.1.3. PARÁMETROS DE BORDE ... 11

2.1.4. DISEÑO MECÁNICO... 12

2.1.5. DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ... 12

2.1.6. INTEGRACION DE DISTINTAS PARTES ... 12

2.1.7. ANÁLISIS DE PRUEBAS ... 12

2.1.8. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL SISTEMA ... 12

2.2. CASA DE LA CALIDAD... 13

2.2.1. REQUERIMIENTOS DEL USUARIO ... 13

2.2.2. REQUERIMIENTOS DEL INGENIERO ... 13

2.3. MÉTODOS DE SELECCIÓN DEL SISTEMA ... 15

2.4. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO MECÁNICO DE LA MÁQUINA .... 17

2.4.1. VOLUMEN REQUERIDO DE LA TOLVA... 17

2.4.1.1. VOLUMEN DE LA TOLVA PRE-DISEÑADA ... 18

ii 2.4.3. DISEÑO DEL CILINDRO DOSIFICADOR COMO PARED

DELGADA ... 23

2.4.4. DISEÑO DE LA SEGUNDA BANDEJA COMO VIGA (BASE ESPACIADORA) ... 27

2.4.5. DISEÑO DE LA CUARTA BANDEJA COMO VIGA (BASE INFERIOR) ... 31

2.4.6. DISEÑO DE ESTRUCTURA DE LA BANCADA ... 34

2.4.7. DISEÑO DE LA COLUMNA INTERIOR ... 35

2.4.8. DISEÑO DE LA COLUMNA EXTERIOR ... 38

2.4.9. MECANISMO CARGA Y DESCARGA ... 40

2.5. DISEÑO ELECTRÓNICO ... 41

2.5.1. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ... 41

2.5.1.1. SENSOR INFRARROJO INDICADOR DE NIVEL ... 41

2.5.1.2. LUCES PILOTO ... 42

2.5.1.3. MÓDULO SENSOR INFRARROJO ... 42

2.5.1.4. CONVERSOR DC-DC ... 43

2.5.1.5. MOTOR DE DOSIFICACIÓN ... 43

2.5.2. DIAGRAMA ELECTRÓNICO DEL SISTEMA ... 45

2.6. DISEÑO DE CONTROL ... 49

2.6.1. MICROCONTROLADOR ... 49

2.6.2. PANEL DE CONTROL ... 49

2.6.3. DIAGRAMA DE FLUJO ... 50

2.7. PROTOCOLO DE PRUEBAS Y VALIDACIÓN ... 51

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 52

3.1. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 53

iii 3.1.2. PRUEBAS DE DESCARGA TOTAL DEL PRODUCTO EN

EL PROTOTIPO Y MÁQUINA REAL ... 56

3.1.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO MECÁNICO ... 57

3.1.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ... 58

3.2. RESULTADOS DEL PROCESO DE DOSIFICACIÓN ... 59

3.2.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO EN EL PROTOTIPO .. 59

3.2.2. CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO EN LA MÁQUINA ... 59

3.2.2.1. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA ... 60

3.3. ANÁLISIS DE COSTOS ... 61

3.4. VENTAJAS DE LA MÁQUINA DOSIFICADORA ... 65

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 67

5. BIBLIOGRAFÍA ... 70

iv

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Alternativa I ... 15

Tabla 2. Alternativa II ... 15

Tabla 3. Alternativa III ... 16

Tabla 4. Matriz morfológica ... 16

Tabla 5. Propiedades del acero inoxidable ... 21

Tabla 6. Especificaciones de los cilindros dosificadores ... 27

Tabla 7. Datos Característicos ... 35

Tabla 8. Cargas aplicadas sobre eslabones ... 41

Tabla 9. Especificaciones del sensor infrarrojo ... 41

Tabla 10. Especificaciones del módulo sensor infrarrojo ... 42

Tabla 11. Especificaciones conversor dc-dc ... 43

Tabla 12. Características del Servomotor ... 45

Tabla 13. Pruebas de dosificación en el prototipo ... 56

Tabla 14. Dosificación en máquina real ... 56

Tabla 15. Pruebas de descarga total del producto en el prototipo ... 57

Tabla 16. Descarga total en la máquina real ... 57

Tabla 17. Pruebas de funcionamiento mecánico ... 57

Tabla 18. Pruebas de funcionamiento electrónico y de control ... 58

Tabla 19. Especificaciones del prototipo ... 59

Tabla 20. Especificaciones de la máquina dosificadora ... 60

Tabla 21. Costos materiales electrónicos ... 61

Tabla 22. Costo directo para la construcción de máquina dosificadora de granos ... 61

v

ÍNDICE DE FIGURAS

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Figura 1. Partes de un dosificador ... 5

Figura 2. Dosificador volumétrico de vasos telescópicos ... 6

Figura 3. Dosificador tornillo sinfín ... 6

Figura 4. Dosificador de compuerta rotativa ... 7

Figura 5. Dosificador gravimétrico por pérdida de peso ... 8

Figura 6. Metodología en V ... 10

Figura 7. Matriz QFD ... 14

Figura 8. Anillo superior ... 18

Figura 9. Sección cónica. ... 19

Figura 10. Anillo inferior ... 19

Figura 11. Tolva ... 20

Figura 12. Cilindro dosificador... 26

Figura 13. Distribución de cargas en la viga I. ... 28

Figura 14. Distribución de cargas en la viga II. ... 31

Figura 15. Distribución de cargas en la viga III ... 34

Figura 16. Coeficientes K ... 36

Figura 17. Mecanismo carga y descarga ... 40

Figura 18. Sensor infrarrojo ... 41

Figura 19. Luces piloto ... 42

Figura 20. Módulo sensor infrarrojo ... 42

Figura 21. Conversor DC-DC ... 43

Figura 22. Mi Digital High Servo 25T HV/MG ... 45

Figura 23. Diagrama electrónico del sistema - prototipo ... 46

Figura 24. Diagrama electrónico del sistema - máquina real ... 48

Figura 25. Características del microcontrolador ATMEGA2560 ... 49

Figura 26. Panel de control ... 49

Figura 27. Diagrama de flujo de dosificación ... 50

Figura 28. Tiempo de llenado ... 54

Figura 29. Tiempo de traslado ... 54

Figura 30. Tiempo de descarga del producto ... 54

vi

ÍNDICE DE ECUACIONES

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Ecuación 1. Densidad ... 17

Ecuación 2. Volumen del Cilindro ... 18

Ecuación 3. Volumen tronco de cono ... 18

Ecuación 4. Presión ... 20

Ecuación 5. Esfuerzo permisible ... 21

Ecuación 6. Esfuerzo requerido ... 21

Ecuación 7. Diámetro medio ... 22

Ecuación 8. Radio medio ... 22

Ecuación 9. Tensión permisible ... 28

Ecuación 10. Módulo de sección 1 ... 29

Ecuación 11. Módulo de sección 2 ... 29

Ecuación 12. Inercia ... 29

Ecuación 13. Centroide ... 29

Ecuación 14. Altura de la viga ... 29

Ecuación 15. Diámetro del eje ... 36

Ecuación 16. Radio del eje ... 37

Ecuación 17. Relación de esbeltez ... 37

Ecuación 18. Constante de columna Cc ... 37

Ecuación 19. Diámetro Johnson ... 37

Ecuación 20. Torque ... 43

Ecuación 21. Cálculo de la fuerza ... 44

Ecuación 22. Potencia ... 44

Ecuación 23. Velocidad del producto hacia los vasos telescópicos ... 53

vii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Especificaciones de fundas Stand up para empaque. ... 76

Anexo 2. Propiedades del acero inoxidable ... 77

Anexo 3. Prototipo físico de la máquina dosificadora ... 78

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RESUMEN

Se presenta el proyecto diseño y construcción de una dosificadora automática de granos secos, cuyo sistema seleccionado es volumétrico y consta de vasos telescópicos con un volumen de 500gr.

La máquina dosificadora es apta para granos secos pequeños y medianos, de características finas y lisas, que fluyan libremente como: el frejol, arveja, maíz y maní. Está compuesta por cuatro estaciones, con sus respectivas tolvas para cargar el producto, las estaciones se pueden activar individualmente y a la vez; sin la necesidad de que una dependa de otra. El llenado se hace por medio del control de los vasos volumétricos, que son alimentados por gravedad desde las tolvas, el producto fluye al vaso y el contenido del vaso es luego dispensado a la funda de empaque. El operario deberá mostrar la funda de empaque para que sea detectada por el sensor de proximidad y automáticamente se dosifique la cantidad de producto requerido. Cada tolva consta de dos luces piloto verde y roja, se encenderá la luz verde mientras existan granos en la tolva, pero si hay ausencia de estos se encenderá la luz roja que indicará que la tolva necesita ser cargada de nuevo. Se inició con el estudio para definir el sistema más adecuado que permita dosificar el mismo peso para cuatro diferentes granos en tiempos iguales, posteriormente se analizaron diversos componentes necesarios para el desarrollo del proyecto. Aplicando la metodología mecatrónica en V se realizó el modelado de la máquina, posterior se diseñó cada componente mecánico con sus respectivos cálculos, dimensionando los motores para accionar al sistema de dosificación, seguido se diseñó el sistema electrónico para definir los sensores y actuadores a utilizar para la etapa de control. Finalmente para validar el sistema se construyó un prototipo a escala y el protocolo de pruebas consistió en realizar ensayos en los tiempos de dosificación, descarga total del producto, tiempos de operario, programación, simulación en software y empaque del producto de esta manera se comprobó que el sistema opere de acuerdo con los requerimientos establecidos y así tener una relación de semejanza con la máquina real y sirva de modelo para la fabricación de la misma.

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ABSTRACT

The project design and construction of an automatic doser of dry grains is presented, whose selected system is volumetric and consists of telescopic glasses with a volume of 500gr.

The metering machine is suitable for small and medium dry grains, with smooth and smooth characteristics, which flow freely as: beans, peas, corn and peanuts. It is composed of four stations, with their respective hoppers to load the product, the stations can be activated individually and at the same time; without the need for one to depend on another. Filling is done by controlling the volumetric vessels, which are fed by gravity from the hoppers, the product flows into the vessel and the contents of the vessel are then dispensed into the packing sheath. The operator must show the packing sleeve to be detected by the proximity sensor and automatically dosage the amount of product required. Each hopper consists of two green and red pilot lights, the green light will turn on as long as there are grains in the hopper, but if there is no red light, it will indicate that the hopper needs to be recharged. It was started with the study to define the most suitable system that allows to dose the same weight for four different grains in equal times, later analyzed several components necessary for the development of the project. By applying the mechatronics methodology in V, the machine was modeled, later each mechanical component was designed with its respective calculations, dimensioning the motors to drive the dosing system, followed by the design of the electronic system to define the sensors and actuators to be used for the control stage. Finally, to validate the system, a prototype was built to scale and the test protocol consisted of testing the dosing times, total product discharge, operator time, programming, software simulation and product packaging in this way. The system operates according to the established requirements and thus have a similar relationship with the actual machine and serve as a model for the manufacture of the same.

4 En la actualidad el avance tecnológico ha permitido que la industria alimenticia se desarrolle a gran escala con nuevos equipos tecnológicos y de automatización, logrando cambios en el funcionamiento de las máquinas de trabajo, donde algunos procesos son manuales e ineficientes.

En nuestro país hay empresas que distribuyen productos alimenticios como son granos secos, semillas y todo tipo de molidos, por lo tanto pequeñas y medianas empresas se están integrando poco a poco a este tipo de procesos de cambio. Sus inversiones están dirigidas directamente a la adquisición de maquinaria ya sea nueva o usada, con esto logran automatizar de manera óptima los procesos e incrementar la producción.

En Quito existen alrededor de 30 empresas que fabrican o distribuyen este tipo de máquinas para el sector alimenticio, las principales son las dosificadoras automáticas para productos granulados, donde la automatización para dosificar y sellar estos sólidos es de vital importancia para evitar manipulación directa al producto, conservar las características y propiedades hasta ser consumidos. De esta manera mejorar la calidad de los productos, eficiencia en los procesos y rendimiento económico.

El problema radica que las empresas que distribuyen dichos productos necesitan dosificar no solo un producto, sino varios a la vez, y debido a esto realizan compras de más maquinaria para dosificar varios granulados y así tener mayor producción; o ir por la opción de esperar que la máquina termine de dosificar uno de los productos para luego cargar el siguiente, realizando así gastos excesivos y también un inadecuado uso de recursos.

En el mercado existe maquinaria que es muy costosa ya que pertenecen a marcas reconocidas de grandes empresas nacionales e internacionales por lo cual el sector microempresario tiene la necesidad de seguir implementándose para progresar y así competir, en base a la adquisición de maquinaria más económica pero que cumplan y satisfagan las necesidades del mercado. El principio de dosificación consta de un proceso en el que se suministra una cantidad de material o producto dentro de un envase o recipiente. Por ende en las industrias alimenticias es importante controlar la cantidad de producto que se va a dosificar por tal motivo se utilizan máquinas dosificadoras que son alternativas para optimizar el proceso de dosificación.

(Codols Technology, 2011).

5 prefijadas en un determinado tiempo, ya que constan también de servomotores, motores eléctricos, electroimanes, cilindros neumáticos o reguladores. (Arrieta y Peñaherrera, 2001)

Los dosificadores están compuestos de tres partes importantes que son: la tolva de almacenamiento, sistema dosificador, boquilla o tubo de descarga como muestra la Figura 1, los cuales pueden variar en diseño dependiendo el producto a dosificar, la forma de determinar la cantidad a descargar, ya sea por peso o volumen, y la cantidad de producto a dosificar.

Figura 1.Partes de un dosificador (Tecnoembalaje, 2015)

La tolva se encarga de recibir el producto, ya sea por banda transportadora, por un tornillo transportador o manualmente. Su función es mantener el producto en su interior hasta que sea dosificado.

El sistema de dosificación es parte principal del dosificador, porque se encarga de medir y establecer la cantidad de material que se retira de la tolva, de esta manera pasar al proceso de empaque. La medición se puede realizar por medio de peso o volumen, según las características del producto y el grado de exactitud que se necesite.

Las boquillas o tubos de descarga se encargan de direccionar correctamente el producto a la bolsa o empaque, con esto se evita que el producto se riegue o desperdicie.

Existen sistemas de dosificación de materiales sólidos secos y sólidos en polvo, de líquidos y de gas. Dependiendo de las características del producto y del proceso a ejecutar para tener la medida adecuada de material se clasifican en dosificadores volumétricos y por peso.

6 Los dosificadores volumétricos se usan para dosificar productos homogéneos en características físicas, forma, peso y tamaño; productos como líquidos viscosos, polvos, cereales y granos. Este sistema opera transportando el volumen de material por unidad de tiempo, y son ideales para materiales con densidad establecida, sin determinar variaciones en la densidad del sólido por lo tanto los dosificadores volumétricos más utilizados en los procesos son: dosificadores de vasos telescópicos, dosificadores de tornillo sinfín y dosificadores de compuertas giratorias. (Lamiña, 2014)

Los dosificadores de vasos telescópicos están constituidos por un silo de alimentación ubicado sobre los vasos volumétricos, el silo realiza su llenado por gravedad seguido por el control de los vasos, donde estos permiten ajustar el peso del producto según su volumen. En la Figura 2 se muestra una maquina dosificadora de vasos telescópicos cuyo funcionamiento es por movimiento rotativo de los vasos y cuando el vaso se llena completamente, la bandeja gira hasta un orificio donde es dispensado el producto, esto mediante un dispositivo de descarga como una tapa o compuerta. (Ecuapack, 2017)

Figura 2. Dosificador volumétrico de vasos telescópicos (Ecuapack, 2017)

Los dosificadores de tornillo sinfín son aptos para productos pulverulentos en general o de pequeña granulometría. En la figura 3 se muestra el sistema.

7 En este dosificador el elemento principal es el tornillo situado en la parte inferior del silo de alimentación, donde el producto es evacuado en el silo a cantidad y tiempos requeridos de acuerdo con el número de revoluciones y velocidad de giro del tornillo sinfín. La velocidad de giro se da por un sistema de reducción de velocidad ya sea por engranajes o bandas, y esto seguido a un motor eléctrico o acoplamiento del motor a un variador de velocidad. La dosificación de la sustancia es directamente proporcional a la velocidad del motor, por lo tanto este mecanismo puede funcionar de manera intermitente o continua.

(Directindustry, 2017)

El último sistema de los dosificadores volumétricos es el dosificador de compuerta rotativa, donde su compuerta es el elemento principal del sistema como indica en la Figura 4, cabe recalcar que es menos preciso que el mecanismo de tornillo. Para el control de la velocidad del motor este consta de una caja reductora o variador de velocidad que permite controlar el movimiento de la compuerta para evacuar el producto. (Coperion, 2016)

Figura 4. Dosificador de compuerta rotativa (Coperion , 2016)

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Figura 5. Dosificador gravimétrico por pérdida de peso (Payper, 2017)

El material para empacar el producto, es de gran importancia ya que lo protege de daños que pueden ocurrir durante el almacenamiento, transporte y distribución, impidiendo también que microorganismos accedan a los alimentos, los envases pueden ser rígidos o flexibles dependiendo el producto. (Ailén, 2015)

Por el problema expuesto de empresas que necesitan dosificar no solo un producto, sino varios a la vez se propone una idea innovadora que consiste en desarrollar una dosificadora automática de granos secos, que permita dosificar más de un grano al mismo tiempo, logrando optimizar tiempos, recursos y a la vez mejorar la producción. De acuerdo a la situación actual en empresas del sector alimenticio, el objetivo general del proyecto es diseñar y construir una dosificadora automática de granos secos; considerando aspectos específicos para cumplir el objetivo general, tales como: diseñar y construir un sistema volumétrico automático que dosifique 30 Kg al día, diseñar un sistema de control para regular la cantidad de dosificación de los granos, validar el sistema mediante la construcción de un prototipo y realizar pruebas de funcionamiento.

10 Para el diseño y construcción de una dosificadora automática de granos secos, se empleó el modelo en V, metodología para desarrollar el proyecto mecatrónico, el cual se indica en la Figura 6, describiéndose una secuencia lógica de subprocesos del equipo.

2.1.

MODELO EN V

Figura 6. Metodología en V (VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE, 2004)

2.1.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Las normas utilizadas para este tipo de maquina son:

 “Código de práctica para silos cilíndricos de metal para almacenamiento de granos forrajeros - CPE INEN 8 – 2013” (INEN, 2017).

 “Granos y cereales, fréjol en grano. Requisitos - NTE INEN 1561” (INEN, 2017).

 “Granos y cereales, maíz en grano. Definiciones y clasificación – NTE INEN 2050” (INEN, 2017).

 “Maíz, determinación del contenido de humedad (en granos molidos y granos enteros (IDT) - NTE INEN-ISO – 6540” (INEN, 2017).

11

 “Materiales y artículos en contacto con los alimentos. artículos de corte y orfebrería de mesa. parte 2: requisitos relativos a la cubertería plateada y en acero inoxidable. RTE INEN-ISO” (INEN, 2017).

 Norma técnica sustitutiva de buenas prácticas de manufactura para alimentos procesados.

2.1.2. REQUERIMIENTOS

Para el desarrollo del proyecto se tomó en cuenta requerimientos importantes para su evaluación, que son:

 El sistema de dosificación seleccionado es volumétrico porque consta de vasos telescópicos que son alimentados por gravedad desde una tolva, el producto fluye al vaso, y el contenido del vaso es luego dispensado al empaque.

 Fácil mantenimiento

 Manufactura de acuerdo a la tecnología local

 Automatización del proceso

 Seguridad para el operario y la máquina

 Tolva con capacidad aproximada de 30kg de acuerdo al volumen del producto a dosificar, los granos secos deben tener características finas y lisas como son del tipo amiláceos (arroz, cebada, trigo, semillas), cereales (maíz, arroz, soja) y refinados (harinas).

 El peso del producto se establece de acuerdo al volumen del vaso telescópico.

 De acuerdo a las buenas prácticas de manufactura el material acorde para la fabricación de la máquina en la industria alimenticia es el acero inoxidable 304 con capacidad para alta resistencia química y oxidación.

2.1.2.1. RESTRICCIONES

 La máquina dosificará solo granos secos pequeños como: semillas, arroz, cebada, quinua, etc. con diámetros que van desde 1mm hasta 1.80mm y medianos como: lenteja, arveja, soja, maní, etc. con diámetros de 2.32mm a 10mm.

 Dosificación del tipo volumétrico específico.

2.1.3. PARÁMETROS DE BORDE

 Voltaje 110/60 Hz.

 Capacidad de dosificación: 500 gr.

 Peso del equipo: 1500 Kg

12

 Humedad en granos menos del 15% (Ailén, 2015)

2.1.4. DISEÑO MECÁNICO

 Diseño del modelado en herramienta CAD.

 Diseño de los vasos telescópicos según el volumen necesario de dosificación.

 Métodos de análisis por elementos finitos.

2.1.5. DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL

 Panel de control: Indica la función de cada uno de los mandos, pulsadores o indicadores del equipo, por lo tanto es esencial para el sistema de automatización y control de la máquina.

 Selección de sensores y actuadores, entre los principales, el sensor de presencia que detecta el empaque para iniciar el proceso, el sensor de nivel que indica la presencia o ausencia de granos y los servomotores, los cuales facilitan la automatización de la máquina.

 Diseño del esquema electrónico y simulación del funcionamiento en el software Proteus.

2.1.6. INTEGRACIÓN DE DISTINTAS PARTES

Se integrarán los sistemas mecánico, electrónico y de control, para luego proceder a la verificación de su adecuado funcionamiento, siguiendo los requerimientos establecidos.

2.1.7. ANÁLISIS DE PRUEBAS

Pruebas para comprobar que el funcionamiento del sistema opere de acuerdo a los requerimientos. Para esto se realizarán pruebas de funcionamiento electrónico y mecánico; además de realizar ensayos en los tiempos de dosificación, descarga total del producto, tiempos de operario, programación, simulación en software y empaque del producto.

2.1.8. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL SISTEMA

 Verificar que la máquina cumpla con los requerimientos establecidos.

13

2.2.

CASA DE LA CALIDAD

Según (Riba, 2002), conceptualiza que para el proyecto de investigación propuesto, se efectúa un estudio de alternativas para conocer los parámetros, que deberá poseer el diseño propuesto para que pueda cumplir con todas las necesidades requeridas, estableciendo las características que sirven como objetivo principal, como se visualiza en la Figura 7.

2.2.1. REQUERIMIENTOS DEL USUARIO

De acuerdo a las consideraciones, el sistema debe tener las siguientes características:

 Los materiales deben ser de adquisición factible, en el mercado local y nacional.

 Fácil de operar.

 La dosificación debe ser óptima.

 Materiales resistentes a la corrosión.

 Fácil limpieza y mantenimiento.

2.2.2. REQUERIMIENTOS DEL INGENIERO

Las consideraciones técnicas que se deberían tomar en cuenta son:

 El dimensionamiento es una opción importante a considerar en la máquina dosificadora.

 Al igual que el diseño mecánico, el electrónico es muy importante ya que el mismo cubre los datos requeridos para poder controlar la máquina de mejor manera.

14

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15

2.3.

MÉTODOS DE SELECCIÓN DEL SISTEMA

Para seleccionar la alternativa correcta de acuerdo a los requerimientos del diseño de la máquina, se realiza la generación de conceptos como se indica en las tres tablas (Tabla 1, Tabla 2 y Tabla 3), especificando cuatro columnas, donde en la primera se hallan las funciones y soluciones del sistema, la segunda, tercera y cuarta, se encuentran las posibles alternativas que satisfagan los requerimientos del diseño.

Tabla 1. Alternativa I

Funciones

Soluciones 1 2 3

Material de la bancada

(Base) ASTM A 36

AISI 304

(Acero Inoxidable) Acero 1045

Sistema de dosificación Volumétrico Tornillo Sin Fin Por Pesaje

Material de la máquina Latón Aluminio AISI 304

Tipo de tolva Cuadrada Circular Octogonal

Capacidad por tolva 50 Kg 10 Kg 30 Kg

Método de empaque Fundas stand up

(zipper)

Térmico por

impulso Gas Caliente

Sistema de control Microcontrolador PAC PLC

Tabla 2. Alternativa II

Funciones

Soluciones 1 2 3

Material de la bancada

(Base) ASTM A 36

AISI 304

(Acero Inoxidable) Acero 1045

Sistema de dosificación Volumétrico Tornillo Sin Fin Por Pesaje

Material de la máquina Latón Aluminio AISI 304

Tipos de tolva Cuadrada Circular Octagonal

Capacidad por tolva 50 Kg 10 Kg 30 Kg

Método de empaque Fundas stand up

(zipper) Térmico por impulso Gas Caliente

16

Tabla 3. Alternativa III

Funciones

Soluciones 1 2 3

Material de la bancada

(Base) ASTM A 36

AISI 304

(Acero Inoxidable) Acero 1045

Sistema de Dosificación Volumétrico Tornillo Sin Fin Por Pesaje

Material de la máquina Latón Aluminio AISI 304

Tipo de tolva Cuadrada Circular Octagonal

Capacidad por tolva 50 Kg 10 Kg 30 Kg

Método de empaque Fundas stand up

(zipper) Térmico por impulso Gas Caliente

Sistema de Control Microcontrolador PAC PLC

Una vez que se tienen las ideas claras, a través de tres alternativas posibles, mediante una tabla denominada matriz morfológica, se procede a ponderar cada una de las alternativas, seleccionando las partes más relevantes.

Tabla 4. Matriz morfológica

ORGANIZACIÓN DE LA MATRIZ MORFOLÓGICA

Importancia Alt. 1 Alt. 2 Alt. 3

R e le v a n te s Recipiente

dosificador 5 4 5 4

Capacidad de

carga en tolvas 4 3 4 3

Material

anticorrosivo 5 4 4 3

Tecnología 4 4 4 3

Automatizado 5 4 3 3

Efe

c

ti

v

o Descarga _producto del 5 3 4 3

Velocidad de

dosificación 4 4 4 4

Controlador 4 3 4 3

F

le

x

ib

le Mantenimiento _{Facilidad de} 3 3 3 3

transporte 4 4 4 4

Fácil operación 5 3 5 4

Limpieza 3 3 3 3

Total 42 47 40

17 La máquina funcionará con sistema de dosificación volumétrico de vasos telescópicos, con material de acero inoxidable AISI 304 y un tipo de tolva circular para que fluya el producto libremente, con capacidad en cada tolva de 30kg. Se utilizará un microcontrolador como sistema de control, la máquina será de fácil mantenimiento y operación. Finalmente para el empaque del producto granulado se utilizará las fundas de tipo Stand Up que son auto soportantes de material laminado multicapa, de alta barrera con cierres tipo cremallera (zipper).

2.4.

DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO MECÁNICO DE LA

MÁQUINA

El diseño mecánico de la dosificadora, se inicia teniendo en cuenta los datos requeridos.

Pesos específicos de granos a dosificar: Maíz: 700 _𝑚𝐾𝑔₃

Frejol: 750 _𝑚𝐾𝑔₃ Maní: 300 _𝑚𝐾𝑔₃ Arveja: 720 _𝑚𝐾𝑔₃ (FAO, 2017)

m = 30 Kg (Cantidad de peso previsto en cada tolva). A continuación se procede a determinar:

2.4.1. VOLUMEN REQUERIDO DE LA TOLVA

Para determinar el volumen requerido se procede de la siguiente manera:

Ecuación 1. Densidad

𝜌 =_𝑉𝑟𝑚 [1] Para efectos de cálculos se va a tomar en cuenta los granos que poseen el mayor peso específico y la masa a ubicar, como es el fréjol.

18 Siendo:

𝑉𝑟 = 30 𝑘𝑔 750 _𝑚𝐾𝑔₃

𝑉𝑟 = 0,04 𝑚3

2.4.1.1. VOLUMEN DE LA TOLVA PRE-DISEÑADA

Para determinar el volumen de la tolva prediseñada, se procede de la siguiente manera:

Primero se divide la tolva en secciones según su forma, por lo que:

a) La sección del cilindro mayor tiene los siguientes datos y sus datos se visualizan en la Figura 8:

Altura (h=325 mm) Diámetro (∅ = 357 𝑚𝑚) Dónde:

Ecuación 2. Volumen del Cilindro

𝑉1 = 𝜋𝑟2ℎ [2]

Figura 8. Anillo superior Entonces:

V₁ = π(0.1785m)2_{(0.325m) = 0.0325m}3

b) La sección de tronco del cono tiene los siguientes datos, y se visualizan en la Figura 9:

Altura (h=220 mm)

Diámetro (∅𝑀 = 357 𝑚𝑚 𝑦 ∅𝑚 = 87 𝑚𝑚)

Dónde:

Ecuación 3. Volumen tronco de cono

19

Figura 9. Sección cónica. Siendo:

𝑉2 =

1

3𝜋[((0.1785 𝑚)2+ (0.0435 𝑚)2+ (0.1785𝑚)(0.0435𝑚))]

V2 = 0.0096 𝑚3

c) La sección de cilindro menor tiene los siguientes datos, y se visualizan en la Figura 10:

Altura (h=85 mm) Diámetro (∅ = 87 𝑚𝑚) Dónde:

V3 = πr2h

Figura 10. Anillo inferior Entonces:

𝑉₃ = 𝜋(0.0435𝑚)2_{(0.085𝑚) = 0.0005𝑚}3

Una vez definidos los volúmenes se procede a tener un volumen total 𝑉_𝑇

𝑉_𝑇 = 𝑉₁+ 𝑉₂+ 𝑉₃

𝑉𝑇 = 0.0325𝑚3+ 0.0096 𝑚3+ 0.0005𝑚3 = 0.0426𝑚3

Definido el volumen total, se procede a determinar la masa total que abarcaría la tolva diseñada en ese tipo de grano.

Dónde:

𝜌 = 𝑚 𝑉_𝑇

Siendo:

20

𝑚 = 750 𝐾𝑔

𝑚3 x 0.0426𝑚3 = 31.95 𝐾𝑔

Por lo tanto la masa que abarcaría la tolva prediseñada es de 31.95 Kg, mientras que la requerida es de 30 Kg; así como el volumen de la tolva pre diseñada es de 0.0426𝑚3mientras que la requerida es de 0,04 𝑚3, se da por válido la tolva prediseñada. Como indica en la Figura 11.

Figura 11. Tolva

2.4.2. DISEÑO DE LA TOLVA COMO CILINDRO DE PARED DELGADA

Se procede a determinar el espesor de la tolva, estableciendo primero la presión.

Ecuación 4. Presión

P = d ∗ g ∗ h [4] Dónde:

P = Presión Pa

d = Densidad del material 750 _mKg₃

g = Gravedad 9.81_sm₂

h = Profundidad 0.63 m Siendo:

P = 750 𝐾𝑔 𝑚3 ∗ 9.81

𝑚

𝑠2∗ 0.63 m = 4 635.225 Pa = 0.004635 MPa

21

Tabla 5. Propiedades del acero inoxidable

(Mott R. L., 2006) Por lo tanto el esfuerzo permisible es:

Ecuación 5. Esfuerzo permisible

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑆𝑦_𝑁 [5]

Datos:

σ

= Esfuerzo permisible

𝑆𝑦 = Límite de fluencia = 241 MPa

𝑁 = 4

Factor de diseño de estructuras bajo cargas estáticas donde hay un alto grado de confianza en todos los datos del diseño. (Mott R. L., 2006)

Entonces:

σ_permisible = 241 MPa

4 = 60.25 MPa

Se establece el espesor requerido de la tolva, la cual es determinada como pared delgada, y se procede de la siguiente manera:

Ecuación 6. Esfuerzo requerido

𝜎 =

Datos:

P = Presión = 0.004635 MPa

𝜎 = Esfuerzo pared recipiente

𝐷𝑚 =Diámetro (mm)

22 La fórmula del diámetro medio es:

Ecuación 7. Diámetro medio

Dm = Di + t [7] Dónde:

Di = Diámetro interior = 357 mm Siendo:

Dm = 357 mm + t

σ =P ∗ Dm 2 𝑡

σ =P ∗ (Di + t) 2 𝑡

2 t =0.004635 MPa ∗ (357 mm + t) 60.25 Mpa

t = 0.0142 𝑚𝑚

Según los cálculos determinados para que soporte la presión dicha tolva, se necesita que la misma tenga un espesor mínimo de 0.0142 mm, por lo que se procede a seleccionar el material, el mismo que según el catálogo de DIPAC y por facilidad de adquisición en el mercado local y nacional, se selecciona una plancha metálica con espesor de: 1.5 mm.

Finalmente se procede a verificar si la tolva es o no un recipiente de pared delgada, por lo tanto tiene que cumplir con la siguiente condición: (ecuación 8) (Mott R. L., 2006):

Ecuación 8. Radio medio

Rm

t ≥ 10 [8]

Donde la sección de cilindro tiene los siguientes datos: Diámetro (∅𝐸𝑥 = 360 𝑚𝑚 𝑦 ∅𝑖𝑛 = 357 𝑚𝑚)

t = 1.5 mm

(180 mm+178.5 mm) 2

1.5 mm ≥ 10

119.5 ≥ 10

23

Comprobación:

Se procede a determinar que el material seleccionado es el adecuado para que soporte el esfuerzo requerido, de la siguiente manera:

σ =P ∗ Dm 2 𝑡

Datos:

P = Presión = 0.004635 MPa

𝐷𝑚 = 358.5 mm

t = 1.5 mm

𝜎 = Esfuerzo =?

Siendo:

σ =

0.553 MPa ≤ 60.25 MPa

Por lo tanto el esfuerzo requerido (σ ) si es menor que el esfuerzo permisible generado por el material (σpermisible), se da por válido el material de acero

inoxidable AISI 304, con un espesor de 1.5 mm, seleccionado anteriormente.

2.4.3. DISEÑO DEL CILINDRO DOSIFICADOR COMO PARED DELGADA

Se procede a determinar el espesor del cilindro dosificador, donde se inicia primero determinando la altura y luego estableciendo la presión.

Para calcular la altura del cilindro dosificador se necesitan los siguientes datos que por efecto de cálculos se va a tomar en cuenta los granos que poseen el mayor peso específico como es el fréjol.

Datos:

d = Densidad del material =750 _𝑚𝐾𝑔₃

m = Masa = 500 gr. Diámetro (∅_𝑖𝑛= 0.087 𝑚)

h = Altura = ?

V = Volumen = 𝜋𝑟2ℎ Siendo:

𝜕 =𝑚 𝑉 =

24

ℎ = 𝑚 𝜕𝜋𝑟2 =

500 𝑔𝑟.

750 000 _𝑚𝑔𝑟₃𝜋(0.0435 𝑚)2 = 0.1121 𝑚

ℎ = 0.1121 𝑚

Una vez obtenida la altura se obtiene la presión:

P = d ∗ g ∗ h

Datos:

P = Presión =Pa

d = Densidad del material = 750 _𝑚𝐾𝑔₃

g = Gravedad = 9.81_𝑠𝑚₂

h = Profundidad = 0.1121 m Siendo:

P = 750 𝐾𝑔 𝑚3 ∗ 9.81

𝑚

𝑠2∗ 0.1121 m = 824.77 Pa = 0.00082477 MPa

Por consiguiente se procede a determinar el esfuerzo permisible, teniendo en cuenta las propiedades del acero inoxidable AISI 304 que es el material a utilizar.

El esfuerzo permisible es:

σpermisible =

Sy N

Dónde:

σ

𝑆𝑦 = Límite de fluencia = 241 MPa

𝑁 = 4

Factor de diseño de estructuras bajo cargas estáticas donde hay un alto grado de confianza en todos los datos del diseño (Mott R. L., 2006):

Siendo:

σ_permisible = 241 MPa

4 = 60.25 MPa

A continuación se establece el espesor requerido de la tolva, la cual es determinada como pared delgada, por lo que se procede de la siguiente manera:

25 Datos:

P = Presión = 0.00082477 MPa

𝜎 = 60.25 MPa

𝐷𝑚 = Diámetro medio (mm) = Di + t

𝑡 = Espesor de pared delgada (mm) =? Dónde:

Di = Diámetro interior = 87 mm

𝐷𝑚 = 87 𝑚𝑚 + 𝑡

σ =P ∗ Dm 2 𝑡

σ =P ∗ (Di + t) 2 𝑡

2 t =P ∗ (Di + t) 𝜎

2 t =0.00082477 MPa ∗ (87 mm + t) 60.25 Mpa

2 t = 0.0000137 (87 𝑚𝑚 + 𝑡) t = 0.0006 𝑚𝑚

Según los cálculos determinados para soportar la presión dicho cilindro, se necesita que el mismo tenga un espesor mínimo de 0.0006 mm, por lo que se procede a seleccionar el material, el mismo que según el catálogo de DIPAC y por facilidad de adquisición en el mercado local y nacional se selecciona una plancha metálica con espesor de: 1.5 mm.

Finalmente se procede a verificar si la tolva es o no un recipiente de pared delgada, por lo tanto tiene que cumplir con la siguiente condición: (ecuación 8) (Mott R. L., 2006):

Rm

t ≥ 10

La sección del cilindro tiene los siguientes datos: Diámetro (∅𝐸𝑥= 90 𝑚𝑚 𝑦 ∅𝑖𝑛= 87 𝑚𝑚)

t = 1.5 mm

(45 𝑚𝑚+43.5 𝑚𝑚) 2

26 Se comprueba que el recipiente es de pared delgada, porque cumple con la condición establecida.

Comprobación:

Se procede a determinar que el material seleccionado es el adecuado para que soporte el esfuerzo requerido de la siguiente manera:

σ =P ∗ Dm 2 𝑡

Datos:

P =0.0008277 MPa

𝐷𝑚 = 88.5 mm

t = 1.5 mm

𝜎 =Esfuerzo = ? Siendo:

σ =

0.0244 𝑀𝑃𝑎 ≤ 60.25 𝑀𝑃𝑎

Por lo tanto el esfuerzo requerido (σ ) si es menor que el esfuerzo permisible generado por el material (σ_permisible), se da por válido el material de acero inoxidable AISI 304, con un espesor de 1.5 mm, seleccionado.

Finalmente se comprueba si el volumen originado por el cilindro dosificador, sería capaz de abarcar el requerido que es de 500 gr.

El volumen originado del cilindro dosificador que se visualiza en la Figura 12 se da de la siguiente manera:

Altura (h=112.1 mm) Diámetro (∅ = 87 𝑚𝑚) Dónde:

𝑉 = 𝜋𝑟2_ℎ

27 Siendo:

𝑉 = 𝜋(0.0435𝑚)2_{(0.1121𝑚) = 0.000666𝑚}3

Una vez definido el volumen, se procede a determinar la masa que abarcaría el cilindro dosificador diseñado en ese tipo de grano.

Dónde:

𝜌 = m V_𝑇

𝑚 = 𝜌 x V_𝑇

𝑚 = 750 𝐾𝑔

𝑚3 x 0.000666 𝑚3 = 0.5 𝐾𝑔 = 500 𝑔𝑟.

Por lo tanto la masa que abarcaría el cilindro dosificador es de 500 gr, y se da por válido el cilindro diseñado.

En la Tabla 6 se detalla de manera general las especificaciones de los cilindros dosificadores que corresponden a los granos seleccionados que se utilizarán en la máquina dosificadora.

Tabla 6. Especificaciones de los cilindros dosificadores

Datos

Cilindro dosificador

(Fréjol)

Cilindro dosificador

(Arveja)

Cilindro dosificador

(Maíz)

Cilindro dosificador

(Maní) Densidad del

material (𝑲𝒈

𝒎𝟑)

750 720 700 300

Altura (m) 0.1121 0.117 0.1202 0.2804

Presión (MPa) 0.00082477 0.00082639 0.00082541 0.00082522

Esfuerzo a

soportar (MPa) 0.0244 0.02437 0.0244 0.00082522

2.4.4. DISEÑO DE LA SEGUNDA BANDEJA COMO VIGA (BASE

ESPACIADORA)

28

 Cgranos/tolva = 30 Kgf. Se debe tener presente que la dosificadora estaría compuesta por 4 tolvas; por lo que la carga originada de los granos que estaría en la dosificadora sería de: 120 Kgf = 264.55 lbf

 Ptolva = 33,55 Kgf = 73,97 lbf

 Peso de la primera bandeja = 13,86 Kgf = 30,56 lbf

 La carga granos–material de tolvas y bandeja, que soportaría la Primera base es de 167,41 Kgf = 369,1 lbf.

 Carga individual sería de. 83,705 Kgf = 820,87 N.

 Carga de la Columna Inferior es: 4,52 Kgf = 9,96 lbf = 44,33 N.

 Longitud de la viga es de 800 mm.

 Límite de fluencia Sy = 241 MPa = 35 Kpsi, en vista que el acero a escoger es un inoxidable.

Figura 13. Distribución de cargas en la viga I.

En la Figura 13 se visualiza la distribución de cargas de la viga I, donde se detallan las fuerzas cortantes y momento máximo, además de sus reacciones en Ay y By.

M_MÁX= 105,83 Nm = 1079,2 Kgf cm

Ecuación 9. Tensión permisible

29

Fb = 0,66 x 35 Kpsi = 23.10 Kpsi. = 1627.50 Kg cm2

23.10 Klb pulg.2x

1000 Lb 1 Klb x

1 Kg 2,2 Lbx

1 pulg2_.

(2,54 cm)2 = 1627.50

Kg cm2

𝑆

=

Ecuación 10. Módulo de sección 1

𝑆_𝑥 =1079,2 𝐾𝑔 − 𝑐𝑚

1 627.50_𝑐𝑚𝐾𝑔₂ = 0.663 𝑐𝑚

3

Se debe conocer que la selección de la viga se lo hace en base al módulo de sección calculado.

A continuación se procede a determinar el ancho que debería tener la plancha de la bandeja con la fórmula del módulo de sección (ecuación 11) (Mott R. L., 2006):

Siendo:

𝑆𝑥 =

𝑀 𝐹𝑏=

1079,2 𝐾𝑔 − 𝑐𝑚

1 627.50_𝑐𝑚𝐾𝑔₂ = 0.663 𝑐𝑚

3

𝑆_𝑥 =_CI [11]

Ecuación 11. Módulo de sección 2

Dónde:

𝑆𝑥 = Módulo de sección = 0.663 𝑐𝑚3 I = Inercia ( 𝑐𝑚4): ?

C = Distancia del centroide: ?

Ecuación 12. Inercia

𝐼 =

𝐶 =ℎ

2 [13]

Ecuación 13. Centroide

Ecuación 12 y 13 en 11:

𝑆𝑥 = 𝑏∗ℎ3

12 ℎ 2

=𝑏 ∗ ℎ2 6

Despejando la altura de la fórmula de Sx da:

Ecuación 14. Altura de la viga

ℎ = √

30 Se reemplaza datos:

b = Base de la viga = 80 cm = longitud de la viga

ℎ = √6 ∗0.663 𝑐𝑚3

80 𝑐𝑚 = 0,223 𝑐𝑚 = 2,23 𝑚𝑚

Por facilidad de adquisición se adquirirá una plancha de 3 mm de espesor.

Comprobación:

En base a los datos dados del material requerido, se procede a determinar el módulo de sección, estableciendo primero la inercia.

Dónde:

I = Inercia ( 𝑐𝑚4): ?

b = Base de la platina = 80 cm.

h = Altura de la platina = 0.3 cm. Siendo:

𝐼 =𝑏 ∗ ℎ3

12 =

80 𝑐𝑚 ∗ (0.3 𝑐𝑚)3

12 = 0.18 𝑐𝑚4

Una vez determinada la inercia se procede a establecer el módulo de sección de la siguiente manera:

Dónde:

𝑆𝑀 =Módulo de sección del material ( 𝑐𝑚3): ?

I = Inercia 0.18 𝑐𝑚4

C = Distancia del centroide = 0.15 cm

Con los datos obtenidos de I y C se reemplaza en el módulo de sección SM:

𝑆𝑀 =

I C=

0.18 𝑐𝑚4

0.15 cm = 1,2 𝑐𝑚3

Una vez determinado el módulo de sección del material (𝑆𝑀), se procede a

comparar con el requerido o calculado (𝑆𝑟𝑒𝑞.), de la siguiente manera:

0.663 𝑐𝑚3 _{<1.2 𝑐𝑚}3

31 Se verifica que el módulo de sección requerido si es menor al originado por el material, se deduce entonces que el material seleccionado es el correcto.

2.4.5. DISEÑO DE LA CUARTA BANDEJA COMO VIGA (BASE INFERIOR)

Para calcular la bandeja como viga se tiene los siguientes datos:

 Cgranos/tolva = 30 Kgf. Se debe tener presente que la dosificadora estaría compuesta por 4 tolvas; por lo que la carga originada de los granos que estaría en la dosificadora sería de: 120 Kgf

 Carga total del material sobre toda la bandeja es de 83,8 Kgf, se debe tener en cuenta que por efectos de cálculo se tomará en cuenta la mitad del total de la carga generada, por la forma de la selección de la viga, la misma que se halla empotrada en un extremo.

 Carga generada es de: (120+83.8)/2 = 101,9 Kgf, se debe tener presente que esta carga será divida para los dos soportes, parante exterior y parante sinfín que son los soportes de las otras bandejas.

 Carga del parante exterior, Cexterior = Cgenerada + Cmparante = 50,95 Kgf + 4,66 Kgf = 55,61 Kgf = 545,35 N.

 Carga del parante sinfín, Csinfin = Cgenerada + Cmsinfín = 50,95 Kgf + 4,94 Kgf = 55,89 Kgf = 548,09 N

 Carga generada total por la base de la estructura es de: 21,6 Kgf, se debe tener en cuenta que por efectos de cálculo, se tomará en cuenta la mitad del total de la carga generada, por la forma de la viga, la cual es empotrada en un extremo.

 Carga generada por la base de la estructura es de: 10,8 Kgf=105,91 N.

 Longitud de la viga es de 400 mm.

 Límite de fluencia Sy = 241 MPa = 35 Kpsi, en vista que el acero a escoger es un inoxidable.

32 En la Figura 14 se visualiza la distribución de cargas de la viga II, donde se detallan las fuerzas cortantes, el momento máximo en B y la reacción en By.

M_MÁX= 232,17 Nm = 2367,5 Kgf cm

Fb = 0,66 Fy = 0,66 x 35 Kpsi = 23.10 Kpsi. = 1627.50 Kg cm2

23.10 𝐾𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔.2𝑥

1000 𝐿𝑏 1 𝐾𝑙𝑏 𝑥

1 𝐾𝑔 2,2 𝐿𝑏𝑥

1 𝑝𝑢𝑙𝑔2_.

(2,54 𝑐𝑚)2 = 1627.50

𝐾𝑔 𝑐𝑚2

𝑆𝑥 =

𝑀 𝐹𝑏=

2 367,5 𝐾𝑔 − 𝑐𝑚

1 627.50_𝑐𝑚𝐾𝑔₂ = 1,45 𝑐𝑚

3

Se debe conocer que la selección de la viga se lo hace en base al módulo de sección calculado.

A continuación se procede a determinar el ancho que debería tener la plancha de la bandeja con la ecuación 11 del módulo de sección.

Siendo:

𝑆_𝑥 = 1,45 𝑐𝑚3 _𝑆

𝑥=

I C

Con la ecuación 12 y 13 se determina la altura:

𝑆_𝑥 = Módulo de sección = 1,45 𝑐𝑚3

I = Inercia ( 𝑐𝑚4): ?

C = Distancia del centroide: ?

𝐼 =𝑏 ∗ ℎ3

12 𝐶 = ℎ 2 𝑆𝑥= 𝑏∗ℎ3 12 ℎ 2

= b ∗ h

2

6

Se despeja la altura y se reemplaza b = base de la viga = 80 cm = Longitud de la viga

ℎ = √6 ∗ 𝑆𝑥

𝑏 = √

6 ∗1,45 𝑐𝑚3

33

Por facilidad de adquisición se adquirirá una plancha de 3/16” = 0,47625 cm de espesor.

Comprobación:

En base a los datos dados del material requerido, se procede a determinar el módulo de sección, para lo cual se debe primeramente establecer la inercia. Dónde:

I = Inercia ( 𝑐𝑚4): ?

b = Base de la platina = 40 cm.

h = Altura de la platina = 0.47625 cm. Por lo tanto:

𝐼 =𝑏 ∗ ℎ3

12 =

40 𝑐𝑚 ∗ (0.47625 𝑐𝑚)3

12 = 0.36 𝑐𝑚4

Una vez determinada la inercia se procede a establecer el módulo de sección de la siguiente manera:

Dónde:

𝑆_𝑀 =Modulo de sección del material ( 𝑐𝑚3):?

I = Inercia: 0.36 𝑐𝑚4

C = Distancia del centroide = 0.238125 cm Por lo tanto:

𝑆𝑀 =

I C=

0.36 𝑐𝑚4

0.238125 cm= 1,5 𝑐𝑚3

Una vez determinado el módulo de sección del material (𝑆𝑀), se procede a

comparar con el requerido o calculado (𝑆𝑟𝑒𝑞.), de la siguiente manera:

1,45 𝑐𝑚3 _{< 1,5 𝑐𝑚}3

𝑆𝑟𝑒𝑞. < 𝑆𝑀.

34

2.4.6. DISEÑO DE ESTRUCTURA DE LA BANCADA

Para calcular la bandeja como viga se tiene los siguientes datos:

 Cgranos/tolva = 30 Kgf. Se debe tener presente que la dosificadora estaría compuesta por 4 tolvas; por lo que la carga originada de los granos que estaría en la dosificadora sería de: 120 Kgf

 Carga generada del material sobre la estructura es de 132,385 Kgf

 Se debe tener en cuenta que la estructura, está formada por soportes en sus extremos que conforman la base, por lo que la carga originada es dividida para 2.

 Carga originada por pata de la estructura es de 126,192 Kgf = 1237,52 N.

 Longitud de la viga es de 300 mm.

 Límite de fluencia Sy = 36 Kpsi, en vista que el acero a escoger es un ASTM A36.

Figura 15. Distribución de cargas en la viga III

En la Figura 15 se visualiza la distribución de cargas de la viga III, donde se detallan las fuerzas cortantes, momento máximo en B y la reacción en By.

𝑀_𝑀Á𝑋= 371,26 𝑁𝑚 = 3786 𝐾𝑔𝑓 𝑐𝑚

35

𝑆𝑥= _𝐹𝑏𝑀 =3 786 𝐾𝑔 − 𝑐𝑚

1 674_𝑐𝑚𝐾𝑔₂ = 2,262 𝑐𝑚

3

En base al módulo de sección (Sx) dado y mediante el catálogo de productos DIPAC se selecciona un tubo cuadrado con las siguientes características como se indica en la Tabla 7:

Tubo cuadrado de 60x60x3 mm

Sx =2,34 𝑐𝑚3

Tabla 7. Datos Característicos

(DIPAC PRODUCTOS DE ACERO, 2016)

𝑆_{𝑟𝑒𝑞.}< 𝑆_𝑀

2,262 𝑐𝑚3 _{< 2,34𝑐𝑚}3

Se verifica que el módulo de sección que se requiere aproximadamente si es menor que el originado por el material, se deduce entonces que el material seleccionado es el correcto.

 El espesor de la base de la tolva es igual al de la base espaciadora.

 El espesor de la tapa Inferior es igual al de la base reguladora.

2.4.7. DISEÑO DE LA COLUMNA INTERIOR

Para diseñar la columna interior se tiene los siguientes datos:

 Cgranos/tolva = 30 Kgf. Se debe tener presente que la dosificadora estaría compuesta por 4 tolvas; por lo que la carga originada de los granos que estaría en la dosificadora sería de: 120 Kgf

 Carga Ctolva = 33,55 Kgf

 Carga originada de la primera bandeja = 13,86 Kgf

 Carga originada de la segunda bandeja = 16.83 Kgf

 Carga originada por el soporte superior = 2.15 Kgf.

 Carga de las placas reguladoras = 19.6 Kgf

36

 Se debe tener en cuenta que la carga total originada va a estar sobre cuatro soportes de columnas tipo eje, por lo que la carga seria dividida para los soportes especificados.

 Carga individual sería de: 51.5 Kgf

 Longitud de la columna es de: 499 mm

 N= 4

Factor de diseño de estructuras bajo cargas estáticas donde haya un alto grado de confianza en todos los datos del diseño. Material: AISI 1045 con límite de fluencia Sy = 310 MPa = 45 Kpsi. (Mott R. L., 2006)

 Los extremos son empotrado - articulado, por lo que se utilizará según lo especificado en la Figura 16, un factor de K =0.65

Figura 16. Coeficientes K (Mott R. L., 2006)

Una vez definido los parámetros se procede a determinar el diámetro adecuado que debería poseer la columna interior.

Por lo tanto:

Ecuación 15. Diámetro del eje

D = [64NPa(KL)2

π3_E ]

1/4

[15]

Dónde:

N= factor de diseño= 4

Pa= carga admisible= 51.5 Kgf K= 1

L= 0.499

E= módulo de elasticidad= 200 GPa= 20,3890x109 Kgf _𝑚2 (Wesco, 2017).

D = [64 ∗ 4 ∗ 51.5 Kgf ∗ (1 ∗ 0,499 m)2 π3_{∗ 20,3890x10}9 Kgf

𝑚2

]

37

𝐷 = 0.009

Para calcular el radio:

Ecuación 16. Radio del eje

𝑟 =

𝑟 =0.009 𝑚

2 = 0.0045 𝑚

Donde la relación de esbeltez es:

Ecuación 17. Relación de esbeltez

𝐾𝐿

𝑟

𝐾𝐿 𝑟 =

1 ∗ 0.499 𝑚

0.0045 𝑚 = 110.9

A continuación se procede a determinar el Cc:

Ecuación 18. Constante de columna Cc

𝐶𝑐 = √

𝐶𝑐 = √2𝜋2199 900

310 = 112.8

Como se verifica que el KL/r es menor que Cc, se procede a rediseñar la columna como corta, mediante la ecuación de Johnson, donde:

Ecuación 19. Diámetro Johnson

𝐷 = [

+

4 𝑆𝑦(𝐾𝐿)2 𝜋2_𝐸

]

1/2

[19]

𝐷 = [ 4 ∗ 4 ∗ 51.5 Kgf 𝜋 ∗ 3163.76 _𝑐𝑚Kgf₂∗10000𝑐𝑚_{1 𝑚2} 2+

4 ∗ 3163.76 _𝑐𝑚Kgf₂∗10000𝑐𝑚_{1 𝑚2} 2∗ (1 ∗ 0,535 𝑚)2

𝜋2_{20 389 017 809}Kgf 𝑚2

]

1/2

𝐷 = [0.0000083 𝑚2_{+ 0.00016 𝑚}2_]1/2 _{= [0.0001683 𝑚}2_]1/2_{= 0.013 𝑚}

Por facilidad de adquisición y mecanización, en vista que dicha columna serviría como columna deslizante para las placas reguladoras, el diámetro más adecuado sería de 0,0254 m.

Comprobación:

Primeramente se procede a determinar el radio el mismo que es:

𝑟 = 𝐷 2 =

0,0254

2 = 0,0127 𝑚

38

𝐾𝐿 𝑟 =

1 ∗ 0,499 𝑚

0,0127 𝑚 = 32,29

Como la relación de esbeltez determinada es menor que el valor de transición determinado inicialmente, se pude especificar que el diámetro utilizado es aceptable, por lo que la columna es de Ø = 0,0254 m.

2.4.8. DISEÑO DE LA COLUMNA EXTERIOR

Para diseñar la columna exterior se tiene los siguientes datos:

 Cgranos/tolva = 30 Kgf. Se debe tener presente que la dosificadora estaría compuesta por 4 tolvas; por lo que la carga originada de los granos que estaría en la dosificadora sería de: 120 Kgf

 Carga Ctolva = 33,55 Kgf

 Carga originada de la primera bandeja = 13,86 Kgf

 Carga originada de la segunda bandeja = 16.83 Kgf

 Carga originada por el soporte superior = 2.15 Kgf.

 Carga de las placas reguladoras = 19.6 Kgf

 Carga Total CTotal = 205.99 Kgf

 Se debe tener en cuenta que la carga total originada va a estar sobre los cuatro lados de las bandejas, por lo que la carga seria dividida para los lados especificados.

 Carga individual por lado sería de: 51.5 Kgf

 Longitud de la columna es de: 450 mm

 N= 4

Factor de diseño de estructuras bajo cargas estáticas donde haya un alto grado de confianza en todos los datos del diseño. Material: AISI 304 con límite de fluencia Sy = 241 MPa = 35 Kpsi, en vista que el acero a escoger es inoxidable. (Mott R. L., 2006)

 Los extremos son empotrado - empotrado, por lo que se utilizaría según la Figura 16, un factor de K =0.65

Una vez definido los parámetros se procede a determinar el diámetro adecuado que debería poseer la columna exterior.

Por lo tanto:

𝐷 = [64𝑁𝑃𝑎(𝐾𝐿)

2

𝜋3_𝐸 ] 1/4

Dónde:

N= factor de diseño= 4

39 L= 0.535 m

E= módulo de elasticidad= 200 GPa= 20,3890x109 Kgf _𝑚2 (Wesco, 2017).

𝐷 = [64 ∗ 4 ∗ 51.5 Kgf ∗ (0,65 ∗ 0,535 m)2 π3_{∗ 20,3890x10}9 Kgf

𝑚2

]

1/4

𝐷 = 0,0071 𝑚

Para calcular el radio:

𝑟 = 𝐷 2 =

0,0071 𝑚.

2 = 0.00355 𝑚

Donde la relación de esbeltez es:

𝐾𝐿 𝑟 =

0.65 ∗ 0.450 𝑚

0.00355 𝑚 = 82.4

A continuación se procede a determinar el Cc por lo que:

𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸

𝐹𝑦 = 𝐶𝑐 = √

2𝜋2_{199 900}

241 = 127.96

Como se verifica que el KL/r es menor que Cc, se procede a rediseñar la columna como corta, mediante la ecuación de Johnson, donde:

𝐷 = [4𝑁𝑃𝑎 𝜋𝑆𝑦 +

4 𝑆𝑦(𝐾𝐿)2

𝜋2_𝐸 ] 1/2

𝐷 = [ 4 ∗ 4 ∗ 51.5 Kgf 𝜋 ∗ 2460.7 _𝑐𝑚Kgf₂∗10000𝑐𝑚_{1 𝑚2} 2+

4 ∗ 2460.7 _𝑐𝑚Kgf₂∗10000𝑐𝑚_{1 𝑚2} 2∗ (0.65 ∗ 0,450 𝑚)2

𝜋2_{20 389 017 809}Kgf 𝑚2

]

1/2

𝐷 = [0.0000106 𝑚2_{+ 0.000042 𝑚}2_]1/2 _{= [0.0000524479 𝑚}2_]1/2 _{= 0.0072 𝑚}

Por facilidad de adquisición y mecanización, en vista que dicha columna serviría para regular las placas, el diámetro más adecuado sería de 0.0254 m.

Comprobación:

40

𝑟 = 𝐷 2 =

0,0254 𝑚.

2 = 0.0127 𝑚.

A continuación se determina la relación de esbeltez:

𝐾𝐿 𝑟 =

0.65 ∗ 0.45 𝑚

0.0127 𝑚 = 23,03

Como la relación de esbeltez determinada es menor que el valor de transición determinado inicialmente, se pude especificar que el diámetro utilizado es aceptable, por lo que la columna es de Ø = 0,025m

2.4.9. MECANISMO CARGA Y DESCARGA

El mecanismo de carga y descarga consiste en un sistema biela manivela formado por dos eslabones, donde uno de los eslabones se conecta al servomotor mediante un acople para su adecuada transmisión, con desplazamiento horizontal para realizar la carga y descarga del producto, como indica la Figura 17, el servomotor se accionará cuando el sensor de presencia detecte la funda de empaque colocada por el operario.

Figura 17. Mecanismo carga y descarga

Para el diseño de los eslabones se debe tener en cuenta la carga que soportan y un análisis de los diferentes ángulos de la trayectoria de desplazamiento. En la Tabla 8 se muestran los resultados del mecanismo con ángulos alfa de 0 a 24 grados, que son los rangos que trabajan los eslabones. Se tiene también el diagrama de cuerpo libre del mecanismo, F es la carga que se aplica sobre el eslabón mayor (L) y Ay es la carga que soporta el eslabón menor (l). Donde F corresponde a los 30kg que soporta cada tolva. Para calcular las fuerzas de Ay se aplica la siguiente fórmula:

41

Tabla 8. Cargas aplicadas sobre eslabones

De acuerdo a los resultados de la tabla, la segunda fila indica que la carga máxima en los eslabones se efectúa cuando el ángulo alfa es igual a 0, con un valor 30Kg.

2.5.

DISEÑO ELECTRÓNICO

El diseño radica en un sistema que logra la interacción de todos los componentes que son utilizados para el funcionamiento autónomo, logrando un proceso óptimo y secuencial.

2.5.1. COMPONENTES ELECTRÓNICOS

2.5.1.1. SENSOR INFRARROJO INDICADOR DE NIVEL

La función de este sensor es detectar el nivel existente del producto en cada tolva, mediante dos luces piloto que indicarán si la tolva está vacía o llena. En la Figura 18 se indica el sensor infrarrojo con sus pines de conexión y en la Tabla 9 las especificaciones técnicas.

Figura 18. Sensor infrarrojo (NAYLAMP, 2017)

Tabla 9. Especificaciones del sensor infrarrojo