Máquina vending para micheladas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacan

Ingeniería Mecánica

“MAQUINA VENDING PARA MICHELADAS”

T E S I N A

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECANICO P R E S E N T A N:

GARCIA MENDOZA OSCAR ADAN GUERRERO ARTEGA RAFAEL

LEON BORJES RAFAEL

Asesores:

Ing. Fernando Morales García

Ing. Ezequiel Apolonio Santillán Lechuga

MÉXICO D.F. OCTUBRE ,2009

IPN

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO

POR LA OPCION DE TITULACION: SEMINARIO DE TITULACION “AUTOMATIZACION INDUSTRIAL Y SUS TECNOLOGIAS”

DEBERA(N) DESARROLLAR: OSCAR ADAN GARCIA MENDOZA RAFAEL GUERRERO ARTEAGA RAFAEL LEON BORJES

“MAQUINA VENDING PARA MICHELADAS”

INTRODUCCION

En la actualidad existen muchos lugares de entretenimiento o esparcimiento social donde el consumo de cerveza tiene una gran demanda, y en algunos de estos lugares se ofrece la bebida ya preparada. Pero también hay diversos factores que hacen que la venta del producto se limite solamente a ofrecerlo de manera simple o directamente de la botella, (como son el tiempo de preparación de dicha bebida, a la demora en el servicio).Tomando en cuenta los factores antes mencionados nos lleva a la necesidad de desarrollar de manera profesional una maquina automática de calidad, moderna y sofisticada que busque satisfacer las necesidades de los consumidores de una manera sencilla, eficiente e innovadora.

CAPITULADO:

I. GENERALIDADES II. ACTUADORES

III. VALVULAS NEUMATICAS

IV. AUTOMATIZACION DE LA MAQUINA VENDING

México D.F. a 23 de Octubre de 2009

ING. FERNANDO MORALES GARCIA ING. EZEQUIEL APOLONIO SANTILLAN LECHUGA

JEFE DE CARRERA DE I.M.

ING. ARACELI LETICIA PERALTA MAGUEY

Lista de figuras……….. I Lista de diagramas………. II Lista de tablas……… II Objetivo………. III Justificación……… III Capítulo I. Generalidades

1.1 Historia de las Máquinas Vending………. 1

1.2 Visión general de las máquinas expendedoras……… 1

1.3 Poliuretanos……….. 2

1.4 Vasos de Cartón……….. 3

1.5 Filtrado de cerveza……… 4

1.5.1 Filtrado……… 5

1.6 Definición de un sistema de Enfriamiento………. 6

1.7 Automatización………. 8

Capítulo II. Actuadotes y Válvulas Neumáticas 2.1 Concepto……….. 9

2.2 Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos) ………. 9

2.2.1Cilindros de simple efecto………. 9

2.2.2 Cilindro de émbolo……… 10

2.2.3Cilindros de membrana……….. 10

2.2.4Cilindros de membrana arrollable……….. 10

2.3 Cilindros de doble efecto. ……… 11

2.4 Cilindro de giro………. 11

2.4.1Cilindro de embolo giratorio……… 12

2.5 Ejecuciones especiales de cilindros……….. 13

2.6 Fijaciones………. 14

2.6.1 Tipos de fijación……….. 14

2.7 Constitución de los cilindros……….. 16

2.8 Cálculo de cilindros……… 18

CAPITULO III. VALVULAS NEUMATICAS 3.1 Definición………. 20

3.2 Válvulas higiénicas………... 23

3.3 Válvulas de Proceso………. 23

3.4 Sensores……… 24

3.4.1 Características de los sensores………. 24

3.4.2 Sensores de Proximidad………. 26

CAPITULO IV. AUTOMATIZACION DE LA MAQUINA VENDING

4.1 Generalidades para automatizar una máquina Vending de micheladas……….. 27 Anexos……… 43 Bibliografía………. 44

I LISTA DE FIGURAS

Número Nombre Página

1.1 Dimensiones de vaso de cartón 4

1.2 Proceso de filtrado de un tanque de cerveza 5 1.3 Sistema de enfriamiento de cerveza carbonatada 7

2.1 Cilindro de simple efecto 9

2.2 Cilindro de membrana 10

2.3 Cilindro de membrana arrollable 11

2.4 Cilindro de doble efecto 11

2.5 Cilindro de giro 12

2.6 Cilindro de embolo giratorio 13

2.7 Cilindro de vástago reforzado 13

2.8 Juntas de émbolo, para presiones elevadas 13 2. Cilindros de juntas resistentes a altas temperaturas 13

2.10 Camisa de cilindro, de latón 13

2.11 Superficies de deslizamiento, de cromo 14

2.12 Vástago de acero anticorrosivo 14

2.13 Cuerpo recubierto de plástico y vástago de acero anticorrosivo

14

2.14 Fijación por pies 14

2.15 Fijación por rosca 15

2.16 Brida anterior 15

2.17 Brida posterior 15

2.18 Brida anterior oscilante 15

2.19 Brida central oscilante 15

2.20 Brida posterior oscilante 16

2.21 Estructura de un cilindro neumático con amortiguación de fin de carrera

17 3.1 Símbolo de un regulador de caudal unidireccional 21

3.2 Símbolo de un regulador de presión 21

3.3 Símbolo de una válvula 5/2 22

3.4 Símbolo de una válvula 4/2 22

3.5 Símbolo de una unidad de condicionamiento 22

3.6 Símbolo de un compresor 22

3.7 Símbolo de una electro válvula 22

3.8 Símbolo de un motor neumático 22

3.9 Válvulas Higiénicas 23

3.10 Tipos de sensores 25

4.1 Programación para la automatización de la máquina de micheladas

38 4.2 Programación para la automatización de la máquina de

micheladas

39 4.3 Programación para la automatización de la máquina de

micheladas

40 4.4 Programación para la automatización de la máquina de

micheladas

41 4.5 Programación para la automatización de la máquina de

micheladas

42

II LISTA DE DIAGRAMAS

Número Nombre Página

4.1 Diagrama de funcionamiento de la máquina vending de micheladas

28 4.2 Diagrama de funcionamiento de la máquina vending de

micheladas

29 4.3 Tiempos y movimientos de la máquina de micheladas 30 4.4 Diagrama esquemático de la máquina vending de

micheladas

31 4.5 Diagrama esquemático de la máquina vending de

micheladas

32 4.6 Diagrama esquemático de la máquina vending de

micheladas

33 4.7 Diagrama eléctrico de los motores en la máquina

vending de micheladas

34 4.8 Diagrama neumático de la máquina de micheladas 35

LISTA DE TABLAS

Número Nombre Página

4.1 Tabla de entradas para la automatización de la máquina 36 4.2 Tabla de entradas para la automatización de la máquina 37 4.3 Tabla de entradas para la automatización de la máquina 37

III OBJETIVO

Como objetivo de esta maquina es ofrecer un producto (cerveza o michelada) mediante un servicio automatizado; basado en las técnicas comunes de preparación de cerveza de una manera sencilla, rápida y eficiente utilizando las tecnologías ya existentes en el mercado e innovando algunas técnicas de acuerdo a las adaptaciones de las nuevas ideas a implementar para así poder sustituir la acción manual actual.

JUSTIFICACION

En la actualidad existen muchos lugares de entretenimiento o esparcimiento social donde el consumo de cerveza tiene una gran demanda, y en algunos de estos lugares se ofrece la bebida ya preparada.

Pero también hay diversos factores que hacen que la venta del producto se limite solamente a ofrecerlo de manera simple o directamente de la botella, (como son el tiempo de preparación de dicha bebida, a la demora en el servicio).

Tomando en cuenta los factores antes mencionados nos lleva a la necesidad de desarrollar de manera profesional una maquina automática de calidad, moderna y sofisticada que busque satisfacer las necesidades de los consumidores de una manera sencilla, eficiente e innovadora.

1 CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 Historia del Vending

El vending se originó en Egipto, en año 215 antes de cristo, para dispensar agua bendita en los templos sagrados de Tebas y al alto Egipto.

Cronología

 A.C. 215 despachadora de agua bendita en los templos de Egipto.

 D.C. 1076 despachadora de lápices, fabricado por los chinos.

 1700 despachadora de cajas de tabaco en las tabernas inglesas.

 1886 aparición de las primeras fábricas de máquinas vending en USA.

 1887 Adam´s instala las primeras máquinas vending de chicles, en los trenes de nueva york.

 1902 se abre en Philadelphia el primer restaurante con máquinas vending.

 1905 el correo de USA inicia la venta de estampillas a través de máquinas vending.

 1920 aparece la primera máquina de venta de cigarrillos.

 1930 se inicia la venta de bebidas gaseosas embotelladas, enfriadas con hielo.

 1950 hace su aparición la primera máquina refrigerada de venta de sándwiches.

 1960 se instalan en los bancos del mundo las primeras máquinas que cambian billetes por monedas.

 1980 los componentes electrónicos empiezan a ser instalados en las máquinas.

 1985 las máquinas aceptan como medio de pago tarjetas de crédito y débito.

 1986 celebración de los 100 años del vending en los USA.

 1992 se concreta la primera transferencia de datos, electrónica, entre una máquina vending y las oficinas, solicitando ésta reposición de stock.

1.2 Visión general de máquinas expendedoras

En su expresión más simple, la palabra "venta" se entiende vendedor de mercancías.

Cuando usted es un vendedor ambulante de mercancías, que ofrecen productos o servicios de una tasa. Una máquina expendedora es simplemente una unidad de

2 almacenamiento de mercancías que se dedican a la venta ambulante; estacionados en zonas estratégicas donde la gente necesita algo que la máquina tiene para ofrecer. Las máquinas expendedoras deben mostrar abiertamente las mercancías de manera que los clientes pueden elegir lo que quieren, y luego pagar por sus opciones mediante la inserción de dinero en la máquina y luego extraer el producto. Estando el servicio de puede ser una excelente forma de hacer dinero, si usted es el que suministra los productos en máquinas expendedoras, o aquel que posee una o más máquinas.

El servicio ha existido durante muchos años, y el mercado para ellos se ha mantenido constante y fiable.

Una máquina puede ser una máquina de merienda, una comida caliente o fría máquina, o puede ser una máquina que no ofrece alimentos. Las máquinas expendedoras pueden tener una estructura muy simple, o más elaborada. Ellos pueden tomar estrictamente en efectivo, o puede ser programada para aceptar tarjetas de crédito o débito. Localizado en el servicio de venta cuando se trata de máquinas, muchas de esas decisiones dependen de lo que usted está interesado en la venta y el sitio donde se trabaja

1.3 Poliuretanos

Los poliuretanos es por lo general una mezcla de dos componentes A y B; en proporción estequiométricamente definida. El componente A consiste en un Poliol; que es una mezcla cuidadosamente balanceada de glicoles. Esta se encuentra en mezcla con agentes espumantes y otros aditivos tales como siliconas, agua y catalizadores órgano metálico, condicionan la reacción y le dan la apariencia final. El componente B es una mezcla de isocianatos los cuales sirven como aglomerantes para fabricar estas espumas ó esponjas llamadas comúnmente.

Se divide en diversas maneras dependiendo de su densidad ya sea de densidad alta ó densidad baja. Estos últimos son empleados en la fabricación de espumas blandas y tienen como característica importante su estructura de celdas unitarias son muy abiertas dado a la baja densidad (10-15 kg/ m³); esta porosidad logra que puedan retener grandes cantidades de líquidos esto es mejor conocido como capilaridad. Este fenómeno de capilaridad es muy importante en este proyecto ya que dependemos de que el poliuretano de baja densidad escogido tenga una gran capacidad de porosidad para que al estar en contacto con el objeto transmitir el líquido; mejor dicho el vaso

3 desechable; lo impregne del líquido que es el jugo de limón, lo impregne a lo largo de toda la superficie del vaso de manera uniforme y en abundancia para que se logre un buen escarchado en toda la boquilla del vaso.

1.4 Vaso de cartón

Para el recipiente que contendrá a la cerveza se ha seleccionado el vaso de cartón con las siguientes dimensiones y características:

Estos envases se fabrican con cartoncillo laminado con polietileno en su cara interna y externa; se pueden imprimir hasta en 6 tintas.

Ventajas

Es ideal para contener refrescos, malteadas, cerveza y en general todo tipo de bebidas.

No contamina el medio ambiente ya que su material es reciclable y biodegradable.

Certificado por AIB (American Institute of Baking) ya que se elabora con materiales no reciclados (vírgenes).

Se puede imprimir hasta en 6 tintas en calidad fotográfica.

Ayuda a aumentar sus ventas al promover su negocio, con el mensaje que ponga en el vaso.

Diseño y tamaño

Presentación A (cm)

B (cm)

C (cm)

Cap en Ml.

Pzs Por Caja

Medidas

Caja LxAxH (cm)

Metros Cubicos Por Caja Mts. Pies 22 OZ. 8.9 15.9 6.2 640 1000 36.7x45.6x61.7 0.103 3.65

Figura 1.1 “Dimensiones de vaso de cartón”

4 Si bien podemos obtener una cerveza muy bien clarificada, algunos prefieren una cierta cristalinidad y desean mejorar el aspecto estético de nuestra cerveza. El filtrado se puede hacer de forma casera y los resultados son muy interesantes. ¿Que buscamos con el filtrado? Muy simple: eliminar las levaduras y las proteínas coaguladas por frío. El filtrado además acelera la maduración de nuestra maquina.

1.5 Filtrado de Cerveza

¿Qué elementos adicionales necesitamos? Lo más caro y lo más importante (como no podía ser de otra forma) es un filtro de partículas para líquidos. Con elementos filtrantes de un micrón (1 µm) podemos realizar un microfiltrado que elimine las levaduras y las proteínas sin quitarle cuerpo a nuestra cerveza. El filtro es una carcasa hermética con un elemento filtrante (un bobinado). El elemento no es caro y se consigue fácilmente. Una alternativa es comprarse el elemento filtrante y buscar algún recipiente que podamos usar como carcasa.

El proceso es muy sencillo. Es importante que no hayamos carbonatado nuestra cerveza, ya que el CO2 dificulta el proceso de filtrado tapando los poros de nuestro filtro. Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Enfriemos nuestra cerveza lo más posible. Esto se hace para permitir la generación de la turbidez por frío que queremos eliminar.

2. Sanitizamos la maquina (con Iodofosforo por ejemplo) y posteriormente sacamos el sanitizante a través del filtro empujando con CO2. Esto tiene tres fines:

a. Sanitizar la maquina b. Sanitizar nuestro filtro

c. Llenar de CO2 la maquina sanitizado.

3. Fijamos la presión de la maquina a la misma presión que tiene nuestra cerveza a ser filtrada en otra maquina.

4. Ahora conectamos los tanques, el regulador y el filtro como vemos en la siguiente figura 1.2:

5

Figura 1.2 “Proceso de filtrado de una tanque de cerveza”

Lentamente abrimos el robinete (para no generar espuma por la diferencia de presión) y hacemos circular nuestra cerveza a través del filtro. Vamos a tener que ir liberando CO2 del segundo tanque gradualmente, ya que a medida que se llena con cerveza filtrada aumenta su presión interna. El proceso es rápido y en unos 20-30 minutos tendremos nuestra cerveza lista para ser carbonatada y tomada.

Es importante limpiar nuestro filtro. Para eso lo desarmamos y lo lavamos.

1.5.1 Filtro

Un grifo (1) sirve para golpear ligeramente de un líquido, la cerveza que en el dispensar manchan está en un envase bajo presión del CO2. El grifo abarca una cubierta tubular de la válvula (2) que define, cuando en la posición normal del uso, un eje verticalmente que extiende. Esta cubierta (2) tiene en el lado una entrada líquida tubular (23) y debajo de esto un canalón (3). En la cubierta además se monta una válvula verticalmente movible (5) que por medio de una manija se puedan levantar a una posición superior, donde está abierto el grifo, y bajado a una posición más baja, donde la válvula linda un asiento de válvula (31) en la cubierta y cierra el grifo. ; Este asiento de válvula extiende abajo al superficie inferior del canalón (25), y puesto que la pieza del extremo de la

6 válvula (39) tiene una forma complementaria en lo referente al asiento de válvula, el grifo se cerrará firmemente a la derecha directamente en la abertura del canalón, y el aire será prevenido de penetrar en el interior del grifo y de tal modo comenzar un proceso putrefacto en los residuos de la cerveza que pudieron permanecer aquí después de golpear ligeramente.

Ya sabemos que una maquina de cerveza es un elemento muy caro e inaccesible para la mayoría de nosotros. Las opciones que tenemos para el proyecto son las siguientes:

1.6 Diseñando un sistema de enfriamiento

1. Servirla desde una maquina en frío con una canilla adaptada.

2. Armarnos nuestra serpentina para enfriar la cerveza.

Ahora bien, si usamos la opción de poner una canilla en la misma maquina (ver foto) el problema principal es que si generamos una caída abrupta en la presión de la cerveza, el resultado es MUCHA ESPUMA y nuestra cerveza se convertiría en una “absolute-foam draft beer”. Para evitar esto, debemos despresurizar la maquina a 3-5 PSI (0,21-0,35 Kg/cm2), logrando de esta forma reducir la cantidad de espuma.

Ahora, si no contamos con espacio en nuestra heladera para enfriarla maquina, debemos recurrir a un enfriador externo. Fácilmente podemos enrollar 10-15 metros de tubo de cobre (lo mejor sería inoxidable sin dudas pero es prohibitivo en muchos casos por los costos), por fuera para darle la forma y luego meterlo dentro de un tacho de plástico de 10L. Ahí agregamos el hielo para enfriar nuestra cerveza.

Para entender esto tengamos en cuenta que las mangueras y la serpentina generan cierta resistencia dinámica al fluido (cerveza) que circula por su interior y cuando más angostas son éstas, mayor es la resistencia. Es por ello que se prefiere usar mangueras de 3/16” (aproximadamente 5 mm). En nuestro caso usaremos seguramente ¼” que son 6 mm. Estas mangueras generan una reducción en la presión cerca de 1 PSI/m (0,07 Kg/cm2). La diferencia de altura entre nuestra maquina el tanque también genera una restricción que es aproximadamente 1,5 PSI/m (0,105 Kg/cm2).

7 Supongamos que tenemos nuestra Stout a temperatura ambiente (20C) carbonatada con 2 Volúmenes y una presión de 19,8 PSI o 1,39 Kg/cm2. Ahora bien si queremos servirla a 3 PSI por ejemplo, debemos generar una restricción en nuestro sistema de 20 – 3 PSI

= 17 PSI (1,19 Kg/cm2). Si nuestra maquina está a 1 metro de altura del tanque por ejemplo, la manguera y serpentina deben restringir 15,5 PSI (1,09 Kg/cm2). Esto quiere decir que deben tener un largo de de 15,5 metros. Si nuestras conexiones de manguera son de 50 cm, esto nos da una serpentina de 15 metros para poder generar esa restricción. En la siguiente figura 1.3 se puede ver más claramente lo antes explicado:

Figura 1.3 “Sistema de enfriamiento de cerveza carbonatada”

Una opción es despresurizar o presurizar la cerveza en el momento de ser conectada a nuestro sistema, así logramos el equilibrio que buscamos.

Es difícil conseguir los dispositivos de cerveza. Tanto las nacionales como las importadas son caras. Al conseguirlas debemos tener en cuenta algunos aspectos:

8

· El compensador de presión (pressure compensator knob): El mismo permite ajustar una pequeña variación en la restricción de presión en la maquina (varia la resistencia dinámica) y ajustar el nivel de espuma óptimo.

· El difusor: permite, gracias al efecto Venturi producido por un pequeño orificio en el émbolo de la maquina, generar una espuma “cremosa” gracias a la difusión de aire en nuestra cerveza (el aire está mayormente compuesto por nitrógeno). Esta es una opción económica ante la falta de nitrógeno para nuestras Stouts.

Las stouts se empujan con una mezcla de Nitrógeno y CO2 (en ratios 60-40%

comúnmente). El nitrógeno genera diminutas burbujas formando una espuma muy cremosa. Adicionalmente, los fabricantes de cerveza utilizan el Nitrógeno para compensar la presión de los barriles (debido a que no se disuelve en nuestras cervezas) y así uniformizar la presión de los barriles sin modificar el nivel de carbonatación de cada tipo de cerveza. Igualmente esto es anecdótico, ya que está fuera de nuestro alcance.

1.7 Automatización

El presente trabajo se enfoca directamente a la automatización de una máquina de micheladas, dado que en nuestros días la automatización es considerada una tecnología, que basada en una técnica para la realización de un proceso, apoyada en otras tecnologías como la mecánica, la electrónica o la computación crea los elementos necesarios para que un proceso se realice de manera autónoma o sin la intervención del ser humano.

Cabe señalar que existen tres tipos de automatización: fija, programable y flexible.

La automatización fija, esta considerada como aquella en la cual se encuentra bien determinados los eventos que componen a un proceso, así como el orden de los mismos y en donde un cambio implica modificaciones mecánica o eléctricas de mucha complejidad, ejemplo de ello son las máquinas automáticas que realizan un proceso mediante una serie de mecanismos como árboles de levas u otros mecanismos de sincronización, las máquinas que cuentan controles basados en relevadores o lógica cableada, los sistemas de control neumáticos, entre otros.

9 CAPITULO II

ACTUADORES Y VALVULAS NEUMATICAS 2.1 Concepto

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro.

A continuación se describen los dos tipos de actuadores neumáticos que existen en la actualidad; esto es importante ya que en el siguiente proyecto se emplearan diversos tipos de actuadores neumáticos.

2.2 Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos)

A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable.

2.2.1Cilindros de simple efecto.

Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación.

El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa.

El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande.

En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.

Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

Figura 2.1 “Cilindro de simple efecto”

10 2.2.2 Cilindro de émbolo.

La estanqueidad se logra con un material flexible, que recubre el pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro.

En la segunda ejecución aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial.

· Aplicación: frenos de camiones y trenes.

· Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

2.2.3Cilindros de membrana.

Una membrana de goma, plástico o metal reemplaza aquí al émbolo. El vástago está fijado en el centro de la membrana. No hay piezas estanqueizantes que se deslicen, se produce un rozamiento únicamente por la dilatación del material.

Aplicación: Se emplean en la construcción de dispositivos y herramientas, así como para estampar, remachar y fijar en prensas.

Figura 2.2 “Cilindro de membrana”

2.2.4Cilindros de membrana arrollable.

La construcción de estos cilindros es similar a la de los anteriores. También se emplea una membrana que, cuando está sometida a la presión del aire, se desarrolla a lo largo de la pared interior del cilindro y hace salir el vástago Las carreras son mucho más importantes que en los cilindros de membrana (aprox. 50-80 mm). El rozamiento es mucho menor.

11

Figura 2.3”Cilindro de membrana arrollable”

2.3 Cilindros de doble efecto.

La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno.

Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

Figura2.4 “Cilindro de doble efecto”

2.4 Cilindro de giro.

En esta ejecución de cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio hacia la izquierda o hacia la derecha, según el sentido del émbolo. Los ángulos de giro corrientes pueden ser de 45°, 90°, 180°, 290° hasta 720°. Es posible determinar el margen de giro dentro del margen total por medio de un tornillo de ajuste.

12 El par de giro es función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de cierre, válvulas de tapa, etc.

Figura 2.5 “Cilindro de giro”

2.4.1Cilindro de embolo giratorio.

Como los cilindros de giro, éste también puede realizar un movimiento angular limitado, que rara vez sobrepasa los 300°. La estanqueización presenta dificultades y el diámetro o el ancho permiten a menudo obtener sólo pares de fuerza pequeños. Estos cilindros no se utilizan mucho en neumática, pero en hidráulica se ven con frecuencia.

13

Figura 2.6 “Cilindro de embolo giratorio”

2.5 Ejecuciones especiales de cilindros.

A continuación se presentan los símbolos de las ejecuciones muy particulares de los cilindros, cabe mencionar que estas ejecuciones son muy empleadas en maquinaria pesada.

.

Figura 2.7 “Cilindros de vástago reforzado”

Figura 2.8 “Juntas de émbolo, para presiones elevadas”

.

Figura 2.9 “Cilindros de juntas resistentes a altas temperaturas”

.

Figura 2.10 “Camisa de cilindro, de latón”

14

Figura 2.11 “Superficies de deslizamiento, de cromo”

Figura 2.12 “Vástago de acero anticorrosivo”

Figura 2.13 “Cuerpo recubierto de plástico y vástago de acero anticorrosivo”

2.6 Fijaciones.

El tipo de fijación depende del modo en que los cilindros se coloquen en dispositivos y máquinas. Si el tipo de fijación es definitivo, el cilindro puede ir equipado de los accesorios de montaje necesarios. De lo contrario, como dichos accesorios se construyen según el sistema de piezas estandarizadas, también más tarde puede efectuarse la transformación de un tipo de fijación a otro.

Este sistema de montaje facilita el almacenamiento en empresas que utilizan a menudo el aire comprimido, puesto que basta combinar el cilindro básico con las correspondientes piezas de fijación.

2.6.1 Tipos de fijación.

A continuación se presentan diferentes tipos de fijación de cilindros.

Figura 2.14 “Fijación por pies”

15

Figura 2.15 “Fijación por rosca”

Figura 2.16 “Brida anterior”

Figura 2.17 “Brida posterior”

Figura 2.18 “Brida anterior oscilante”

Figura 2.19 “Brida central oscilante”

16

Figura 2.20 “Brida posterior oscilante”

2.7 Constitución de los cilindros.

El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete (manguito doble de copa), vástago, casquillo de cojinete y aro rascador;

además, de piezas de unión y juntas.

El tubo cilíndrico (1) se fabrica en la mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin costura. Para prolongar la duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido).

Para aplicaciones especiales, el tubo se construye de aluminio, latón o de tubo de acero con superficie de rodadura cromada. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas.

Para las tapas posterior fondo (2) y anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición (de aluminio o maleable). La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas.

El vástago (4) se fabrica preferentemente de acero bonificado, Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. A deseo, el émbolo se somete a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. La profundidad de asperezas del vástago es de 1 mm En general, las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas.

En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado.

Para normalizar el vástago se monta en la tapa anterior un collarín obturador (5). De la guía de vástago se hace cargo un casquillo de cojinete (6), que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico.

17 Delante del casquillo de cojinete se encuentra un aro rascador (7). Este impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro. Por eso, no se necesita emplear un fuelle.

Las juntas tóricas o anillos toroidales (9) se emplean para la obturación estática, porque deben pretensarse, y esto causa pérdidas elevadas por fricción en aplicaciones dinámicas.

Figura 2.21 “Estructura de un cilindro neumático con amortiguación de fin de carrera”

18 2.8 Cálculo de cilindros

Fuerza del émbolo.

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del cilindro del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:

Fteor

F

= (A) (P)

teor

A = Superficie teórica del embolo (cm = Fuerza teórica del embolo (N)

2

P = Presión de trabajo (Kpa, 10 )

5 N/m². Bar)

En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla hay que tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 400 a 800 kPa/4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza calculada.

F Cilindro de simple efecto.

n = (A) (P) - (F_A+F_F)

Cilindro de doble efecto (en el avance) Cilindro de doble efecto en el retorno F_A = (A) (P) - F_A F_n = A´ * P - F_A

Donde

FA = Fuerza efectiva o real del embolo (N) A = Superficie útil del embolo (cm²) = (D² - π) / 4

A´ = Superficie útil del anillo del embolo (cm2) = (D² - d²)

(

P = Presión del trabajo (kPa, bar) F_H = Fuerza de rozamiento (3-20%) (N) F_F = Fuerza del muelle de recuperación (N) D = Diámetro del embolo (mm) d = Diámetro del vástago (mm)

19 Ejemplo de cálculo:

D = 50 mm d = 12 mm A = 12.625 cm A´ = 18.5 cm

2

F

2

H

F

= 10 % valor medio

n = ?

Superficie del embolo

A = D * (π/4) = 5 cm * 5 cm (π/4) = 19.625 cm Superficie anular del embolo

2

A´ = (D² - d²) (π/4) = (25 cm² – 1.44 cm²) (π/4) = 18.5cm Fuerza teórica del empuje del avance

2

Fteor = A * p = 19.625 10^-4 m² * 6 * 10⁴ N/m² F

= 1.177.5 N

R = resistencia de rozamiento FR

Fuerza real del empuje del embolo en el avance

= 117.75 N

Fn = A * p - FR = 19.625 * 10⁴ m² * 6 * 10⁴ N/m² Fuerza teórica de atracción del embolo en el retorno

– 117.75 =1.060 N

F_teor = A´ * p = 18.5 * 10^-4 m² * 6 * 10⁴ N/m² Resistencia de rozamiento F

= 1.110 N

R

Fuerza real de tracción del embolo en el retorno = 111 N

F_n = = A´ * p – F_R = 18.5 * 10^-4 * 6 * 10⁴ N/m² – 111 n = 999 N

20 CAPITULO III

VALVULAS NEUMATICAS

3.1 Definición

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e hidráulicos están constituidos por:

• Elementos de información.

• Órganos de mando.

• Elementos de trabajo.

Para el tratamiento de la información de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido.

En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático.

Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.

La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

Hay veces que el comando se realiza manualmente, y otras nos obliga a recurrir a la electricidad (para automatizar) por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas.

21 Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:

• Distribuir el fluido

• Regular caudal

• Regular presión

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito.

Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques).

Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:

1. Válvulas de vías o distribuidoras 2. Válvulas de bloqueo

3. Válvulas de presión 4. Válvulas de caudal 5. Válvulas de cierre

A continuación se muestran los símbolos más usados para válvulas neumáticas y los símbolos empleados para el diagrama neumático de la máquina vending de este trabajo.

Figura 3.1 “Símbolo de un regulador de Caudal unidireccional”

Figura 3.2 “Símbolo de un regulador de presión”

22

Figura 3.3 “Símbolo de una Válvula 5/2”

Figura 3.4 “Símbolo de una Válvula 4/2”

Figura 3.5 “Símbolo de una Unidad de Acondicionamiento”

Figura 3.6 “Símbolo de un Compresor”

Figura 3.7 “Símbolo de una Electro válvula”

Figura 3.8 “Símbolo de un Motor Neumático”

23 3.2 Válvulas higiénicas

Las válvulas higiénicas se han diseñado especialmente para aplicaciones sanitarias y asépticas en las industrias de productos lácteos, cerveza, bebidas, productos farmacéuticos y bioquímicos. La línea incorpora las válvulas mariposa Keystone , TYCO Hovap, que son adecuadas para servicios de aislamiento y control. Las válvulas de proceso operadas neumáticamente se pueden proveer como matrices de flujo para una completa automatización. Las válvulas de proceso están disponibles como válvulas con doble asiento, angulares y de múltiples vías, diversoras y válvulas de fondo de tanque. Las válvulas mariposa también se presentan en los tipos "wafer" o "lug".

3.3 Válvulas de proceso

• Aprobadas por EHEDG

• Múltiples opciones de diseño

• Tamaños desde DN10 a DN150

• Presión máxima de 5 bar sobre y debajo del asiento (con un suministro de aire a 6 bar)

• Temperatura máxima: +110ºC

Múltiples higiénicos integrados

Diseñados de acuerdo con las especificaciones del cliente y hasta 150 válvulas de proceso por múltiple (cabezal). Disponemos de cabezas de control electrónicas

Figura 3.9 “Válvulas Higiénicas”

24 3.4 Sensores

En un sistema de control automático el sensor es el elemento que cierra el lazo de control y tiene como tarea captar, el proceso o maquina sobre la que se ejerce control, la información de cómo se esta comportando o realizando el trabajo.

Esta información es transmitida al controlador que la usara para tomar la acción de control correspondiente

- Con PLC´s los sensores se conectan a las entradas, y básicamente pueden ser de dos tipos:

- Analógicos - Digitales

Los sensores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.

Los sensores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

3.4.1 Características de los sensores

Exactitud

La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.

Precisión

La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable.

La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.

25 Rango de funcionamiento

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango.

Velocidad de respuesta

El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

Figura 3.10 “Tipos de sensores”

Existe en el mercado una gran variedad de marcas y tipos de sensores, pero la mayoría pertenece a alguna de las clasificaciones dadas a continuación, según su accionamiento

 De acción mecánica o de contacto

 De acción magnética

 De acción capacitiva

 Accionados por luz

 De acción ultrasónica

 De acción neumática

Mecánicos (Limit Switch)

Ultrasónicos

Inductivos

Capacitivos

Fotoeléctricos

26 3.4.2 Sensores de Proximidad

Estos sensores que pueden ser implementados con diferentes técnicas de accionamientos, tienen un común que para una reacción sea producida, solo se requiere la proximidad física entre el objeto y el sensor, sin necesidad de contacto mecánico alguno entre ambos.

A este tipo de sensores también se le conoce con el nombre de detectores o interruptores de proximidad

Sensores de proximidad más comúnmente usados con PLC´s

 Inductivos

 Magnéticos

 Capacitivos

 Opto-eléctricos

 Ultrasónicos

27 CAPITULO IV

AUTOMATIZACION DE MAQUINA VENDING DE MICHELADAS 4.1 Generalidades para automatizar una máquina Vending de Micheladas.

De acuerdo a lo mencionado en los capítulos anteriores, ahora podemos automatizar una maquina vending especialmente para la venta de micheladas.

En este capitulo se especifica los componentes de la máquina así como el funcionamiento automático de la misma con fin de que el lector pueda entender fácilmente el funcionamiento de la máquina.

En el diagrama 4.1 se da información de la secuencia de operación que habrá de seguir el sistema, tomando en cuenta que el ciclo no es continuo.

De acuerdo con los croquis mostrados posteriormente y la secuencia de operación se cuenta con un sensor de inicio (S0) que al detectar la moneda dará inicio al ciclo de trabajo para lo cual el actuador neumático de giro (1.0) deberá rotar como lo indica la secuencia de operación, simultáneamente se encenderá el motor eléctrico (2.0) para darle paso a la caída de un vaso, una vez tirado el vaso será detectado por el sensor S20 el cual activara los actuadores que escarcharan el vaso impregnando limón y sal (3.0 y 4.0), posteriormente cuando dichos actuadores estén en contacto con el vaso mandaran la señal mediante el sensor (4.2) activando el giro del vaso, la apertura de la compuerta de la tolva para suministrar sal al vaso y posicionar el popote de suministrar cerveza mediante los elementos (5.0, 6.0, 7.0/8.0 respectivamente) ,y así comenzar la apertura de la válvula del tanque de cerveza, se contara un pequeño retardo para suministrar solo la cantidad suficiente de sal y cerrar compuerta (6.0), una vez que el sensor 3.0 detecte el nivel de llenado cerrara la válvula y desactivara los actuadores de limón y sal, al desactivarse los elementos antes mencionados el actuador que sostiene el vaso se retrae depositándolo en la base que lo enviara a la entrega, posteriormente manda la señala al elemento 10 para enviarlo a una ventanilla de entrega, esperando a que el cliente retire el vaso.

Una vez efectuada la operación del retiro del vaso todos los elementos se regresan a su posición para poder iniciar de nuevo el ciclo.

28 La descripción de lo que se dio arriba de lo que debe ocurrir es básicamente lo que el PLC tendrá que realizar.

Diagrama 4.1 “Diagrama de funcionamiento de la Máquina Vending de Micheladas”

29

Diagrama 4.2 “Diagrama de funcionamiento de la Máquina Vending de Micheladas”

30 En la figura 4.1. se muestro el diagrama de situación el cual describen los elementos de trabajo (1.0, 2.0, 3.0, etc.) , mando (1.1, 2.1) y señal (S0, S1.1, S1.2 etc.) que forman parte de la maquina Vending.

Para apoyarnos en la programación nos valdremos en el diagrama de tiempos y movimientos el cual representa el sistema neumático y se muestra en el diagrama 4.2.

Diagrama 4.3 “Tiempos y movimientos de la Máquina de Micheladas”

A continuación se muestran los diagramas esquemáticos del diseño de la máquina Vending, cabe mencionar al lector que en este trabajo no se profundizo al diseño de la máquina, si no que fue un enfoque a la automatización de esta máquina. También se

31 muestran los Diagramas Neumático y Eléctrico del funcionamiento de la máquina de micheladas.

Diagrama 4.4 “Diagrama esquemático de la Máquina Vending de Micheladas”

32

Diagrama 4.5 “Diagrama esquemático de la Máquina Vending de Micheladas”

33

Diagrama 4.6 “Diagrama esquemático de la Máquina Vending de Micheladas”

34

Diagrama 4.7 “Diagrama Eléctrico de los motores en la Máquina Vending de Micheladas”

35

Diagrama 4.8 “Diagrama Neumático de la Máquina de Micheladas”

36 En el diagrama 4.2 se muestran los movimientos de los elementos de trabajo en los diferentes instantes del tiempo del ciclo. En las tablas 4.1, 4.2 y 4.3 se muestran los códigos que se emplearon para la programación de la automatización de la máquina.

Las divisiones verticales o columnas, muestran el número de eventos del ciclo, mientras que las divisiones horizontales o renglones definen el elemento de trabajo de que se trate y el estado en que se encuentra, el estado 0 (retraído o desactivado) o el estado 1 (extendido o activado). Otra información de este diagrama, es la ubicación de los elementos de señal y las acciones que habrán de tomar de acuerdo a la información enviada.

Una vez que se haya definido de una manera clara lo que se busca que el PLC realice, es necesario relacionar y documentar los elementos de entrada y salida del PLC o sea los sensores y las bobinas de las válvulas.

Como se muestra en la siguiente tabla.

ENTRADAS

ELEMENTO DIRECCION

S0 I:Ø/Ø

S_1.2 I:Ø/1

S₂₀ I:Ø/2

S4.2 I:Ø/3

S7.2 I:Ø/4

S30 I:Ø/5

S_4.1 I:Ø/6

S_10.1 I:Ø/7

S40 I:Ø/8

S11.1 I:Ø/9

Tabla 4.1 “Tabla de Entradas para la automatización de la Máquina”

37 SALIDAS

ELEMENTO DIRECCION

Y1 O:Ø/Ø

Y3 O:Ø/1

Y4 O:Ø/2

Y₅ O:Ø/3

Y6 O:Ø/4

Y7 O:Ø/5

Y9 O:Ø/6

Y₁₀ O:Ø/7

Y₁₁ O:Ø/8

Tabla 4.2“Tabla de Salida para la automatización de la Máquina”

REGISTROS

ELEMENTO DIRECCION

R₁ B3:Ø/Ø

R₂ B3:Ø/1

R3 B3:Ø/2

R4 B3:Ø/3

R₅ B3:Ø/4

R₆ B3:Ø/5

R₇ B3:Ø/6

R8 B3:Ø/7

R9 B3:Ø/8

R10 B3:Ø/9

Tabla 4.3 “Tabla de Registros para la automatización de la Máquina”

38 Para este caso se utilizara el software RSLogicx500 ^MR para la programación del PLC.

Basado en el diagrama de tiempos y movimientos, el programa a ejecutar se muestra en las figuras siguientes.

Este es una simulación del programa en escalera que indica el inicio de cada elemento desde la activación y control de cada uno con entradas y salidas de señal

Figura 4.1 “Programación para la automatización de la Máquina de Micheladas”

39

Figura 4.2 “Programación para la automatización de la Máquina de Micheladas”

40

Figura 4.3 “Programación para la automatización de la Máquina de Micheladas”

41

Figura 4.4 “Programación para la automatización de la Máquina de Micheladas”

42

Figura 4.5 “Programación para la automatización de la Máquina de Micheladas”

43 ANEXO

En la siguiente tabla se muestra una descripción y características técnicas de los componentes de la maquina vending.

ELEMENTOS DESCRIPCION DEL COMPONENTES DE TRABAJO

DESCRIPCION DEL

COMPONENTES DE SEÑAL

1.0 Actuador neumático de giro, simple o doble efecto, presión hasta 10 bar, ángulo de giro 360° longitud de carrera de 0-210 mm, bridas DIN e ISO

Sensor de posición para cilindros hidráulicos y neumáticos 25 mm – 1600 mm Disponible en una opción de dos estilos de montaje (internos o

externos), estos sensores se pueden suministrar en longitudes a los movimientos del actuador del juego hasta 1100m m.

2.0, 5.0 Motor de la C.C. del imán permanente a partir de 30 hasta 2500 W (1/25 HP hasta 4).

* P.M. 56:

Imanes permanentes N° del poste: 2 Deber: S1 – S2 – S3 Clase de la protección:

IP2O – Fuente de IP44Power:

24V Salida de energía: de 15W hasta 200W Cubierta de cepillo: reemplazo total

incluido/rápido/columna externa Freno electromagnético disponible

3.0, 4.0, 6.0 Actuadores tipo miniatura con Ø de tubo de 32 mm y Ø de barra de 12 mm, carrera 0- 210 mm

9.0 Presión de servicio Temperatura

Coeficientes de caudal Material del diafragma Material del cuerpo

Óptimos ángulos de drenaje Acabado superficial interno Tamaños de la válvula Conexiones finales

Hasta 10,0 bar (145 psig) Hasta 150°C (302°F) 0,3 a 214

EPDM o PTFE con EPDM

Acero inoxidable AISI 316L forjado 15° a 37°

BPE-SFV1 a BPE-SFV6

¼ a 4 pulg.

Brida Kwik, Brida sanitaria serie TS y soldad de tubo a tope

7.0, 8.0 Actuadores tipo miniatura con Ø de tubo de 32 mm y Ø de barra de 12 mm, carrera 0- 210 mm,

neumáticos de acero inoxidable 10.0, 11.0

tanque de cerveza (7.0/8.0 )

Tanque de 50 litros de capacidad, acero inoxidable AISI 304 con termómetro incorporado

44 BIBLIOGRAFIA

http://cerveza-casera.iespana.es/notasapuntes/llenador.htm

http://www.tycoflowcontrol-

la.com/products_results.asp?Selection=Hygienic+Valves&m=1

http://www.tycoflowcontrol-la.com/brands_results.asp?Selection=Keystone+Valves

http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/actuadoresneumaticos

http://www.monografias.com/trabajos14/bombas/bombas.shtml

http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/transductoressensores

Grupo Kopar Soluciones en Automatización Industrial