UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS CARRERA DE INGENIERÍA EN
MECATRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA ETIQUETADORA
AUTOMÁTICA DE ENVASES CILÍNDRICOS PARA LA LÍNEA
DE PRODUCTOS KINU
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
FRANCISCO ESTEBAN VITERI LÓPEZ
DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO
© Universidad UTE 2019.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
TRABAJO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723920789
APELLIDO Y NOMBRES: VITERI LÓPEZ FRANCISCO ESTEBAN
DIRECCIÓN: Las Anonas N 53-330 Y Pedro Guerrero
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023280329
TELÉFONO MOVIL: 0987150135
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO:
IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA ETIQUETADORA AUTOMÁTICA DE ENVASES CILÍNDRICOS PARA LA LÍNEA
DE PRODUCTOS KINU
AUTOR O AUTORES: VITERI LÓPEZ FRANCISCO ESTEBAN
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 5/11/2019
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Luis Hidalgo
PROGRAMA
PREGRADO POSGRADO
TÍTULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO MECATRÓNICO
RESUMEN:
A medida que la demanda de productos KINU ha aumentado, la empresa se ve en la necesidad de reducir tiempos en varios de sus procesos, por ese motivo se determinó que el proceso de etiquetado representa un cuello de botella en su línea de producción. Por tal motivo, se requiere una máquina etiquetadora que se adapte a su empresa y reduzca los tiempos en este proceso. El presente trabajo muestra el diseño y construcción de una máquina etiquetadora para envases cilíndricos, en los cuales se va a aplicar etiquetas autoadhesivas.
El método que más se adaptó a las necesidades de la empresa es un sistema de conjunto de rodillos, en el cual el envase debe encontrarse horizontal para que se aplique la etiqueta cuando el envase se encuentre en medio de los dos rodillos. La máquina también cuenta con un sistema de entrada en el cual los envases se apilan uno tras otro, de tal manera que gracias a unas compuertas van a permitir el paso ordenado de cada uno de los envases al sistema de etiquetado.
El funcionamiento en conjunto de estos dos sistemas se lo controla a través de un panel de control en el cual se encuentra un display táctil en el cual es posible seleccionar el modo de funcionamiento entre automático y manual.
Se realizaron pruebas de etiquetado entre un operario y la máquina para visualizar las mejoras que se obtienen al implementar la máquina etiquetadora. Se tomaron en cuenta tres aspectos, entre ellos se encuentran tiempo de etiquetado, posición de la etiqueta y calidad del etiquetado. En estas pruebas se observó que existe una reducción de tiempo de etiquetado por envase de un 60 % respecto al etiquetado por un operario; de igual manera la calidad del etiquetado aumento y se obtuvo un etiquetado uniforme a lo largo de todo el envase.
PALABRAS CLAVES:
etiquetador, autoadhesivas, compuertas, rodillos, botellas, panel, tiempo.
ABSTRACT:
As the demand of KINU products has been increasing, the company needs to reduce production times. The company determined that the labeling process represents a bottleneck in its line of production. For that reason, they require a labeling machine that reduces time in this process.
This project shows the design and construction of a labeling machine for cylindrical containers, in which self-adhesive labels wide must be applied.
The method that this project use is a roller assembly system in which the container must be horizontally so that the label is applied when the container is in the middle of the two rollers. The machine also has an entry system, in which the containers are stacked one after the other in such a way that thanks to some gates they will allow the orderly passage of each of the packages to the labeling system.
Labeling tests were performed between an operator and the machine in order to visualize the improvements obtained by implementing the labeling machine. Three aspects were considered, including labeling time, label position and label quality. In these tests it was observed that there is a 60% reduction in labeling time per container compared to labeling by an operator; in the same way the quality of the labeling increased and a uniform labeling was obtained throughout the entire package
KEYWORDS labeler, self-adhesive, gates, rollers, bottles, panel, time.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
VITERI LÓPEZ FRANCISCO ESTEBAN
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, VITERI LÓPEZ FRANCISCO ESTEBAN, CI 1723920789 autor del trabajo de titulación: Implementación de una máquina etiquetadora automática de envases cilíndricos para la línea de productos KINU previo a la obtención del título de INGENIERO MECATRÓNICO en la Universidad UTE.
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 titulación de grado 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 UTE a tener una copia del referido trabajo de titulación de grado con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 5 de noviembre 2019
DECLARACIÓN
Yo, Francisco Esteban Viteri López, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad UTE puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
DEDICATORIA
A mis padres que, gracias a sus experiencias, y soporte diario en mis actividades me permiten cosechar muchos éxitos ya que son el pilar fundamental para mi formación académica y personal.
AGRADECIMIENTOS
A todas las personas que durante este camino me ayudaron y confiaron en mi para que logre alcanzar mis objetivos, en especial a mis padres que a diario estuvieron a mi lado apoyándome, brindándome su amor y transmitiéndome todos sus consejos y experiencias.
A mi hermana Andrea por mostrarme que hay que luchar por los sueños a pesar de las adversidades y a Kate por todos sus consejos que me ayudan enfocarme en cumplir todas mis metas.
De igual manera a todos mis amigos y personas especiales que gracias a sus consejos, apoyo y experiencias vividas me permitieron ver de una forma distinta el mundo.
ÍNDICE DE
CONTENIDOS
PÁGINA
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ... 8
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 2
1.1 PROCESOS DE PRODUCCIÓN ... 4
2. METODOLOGÍA ... 8
2.1 ANÁLISIS DEL PROBLEMA ... 9
2.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 9
2.3 DISEÑO CONCEPTUAL ... 11
2.3.1 COMPONENTES PRINCIPALES ... 11
2.4 DISEÑO ESPECIFICO ... 12
2.4.1 DISEÑO MECÁNICO ... 12
2.4.1.1 Sistema de entrada ... 14
2.4.1.2 Sistema de etiquetado ... 21
2.4.2 DISEÑO ELECTRÓNICO ... 34
2.4.2.1 Selección de componentes ... 34
2.4.2.2 Circuito de control principal ... 37
2.4.3 DISEÑO DE CONTROL ... 40
2.3.4.1 Interfaz gráfica... 43
2.5 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN ... 45
2.5.1 Construcción del sistema de entrada de envases ... 46
2.5.2 Construcción del sistema de etiquetado ... 47
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 48
3.1 CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA ... 49
3.2 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN... 50
3.3 RESULTADOS DE FUNCIONAMIENTO ... 51
3.4 RESULTADO DE PRUEBAS ... 52
3.4.1 Tiempo de etiquetado ... 52
3.4.2 Posición de la etiqueta ... 53
3.4.3 Calidad de adherencia de la etiqueta ... 55
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 57
CONCLUSIONES ... 58
RECOMENDACIONES ... 59
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Distribución de la planta de producción ... 4
Figura 2. Etiquetadora manual TACH IT SH430 ... 6
Figura 3. Flexlabeller PE-E de Stellin ... 7
Figura 4. Máquina etiquetadora SIDEL MATRIX SL70 ... 8
Figura 5. Metodología en V ... 9
Figura 6. Etiqueta de envase cilíndrico ... 10
Figura 7. Diagrama de requerimientos para la máquina etiquetadora ... 11
Figura 8. Estructura general de la máquina etiquetadora de envases ... 11
Figura 9. Vista explosionada del sistema de entrada ... 12
Figura 10. Sistema horizontal con dispensador de etiquetas ... 13
Figura 11. Vista explosionada del sistema de etiquetado ... 14
Figura 12. Diagrama de cuerpo libre del envase sobre la base ... 16
Figura 13. Diagrama de cuerpo libre de la compuerta ... 18
Figura 14. Diagrama resultante de fuerzas ... 19
Figura 15. Diagrama resultante de momentos ... 19
Figura 16. Análisis de deformación en compuerta inicial y final ... 19
Figura 17. Diagrama de cuerpo libre de la base ... 20
Figura 18. Diagrama cortante de la base ... 21
Figura 19. Diagrama de momento flector de la base ... 21
Figura 20. Diagrama de fuerzas rodillos de soporte – envase ... 22
Figura 21. Diagrama de cuerpo libre del rodillo de etiquetado ... 23
Figura 22. Diagrama de cortante de rodillo de etiquetado... 24
Figura 23. Diagrama de momento flector de rodillo de etiquetado ... 24
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre del eje principal ... 26
Figura 25. Diagrama cortante del eje principal ... 26
Figura 26. Diagrama de momento flector del eje principal ... 26
Figura 27. Resistencia a la fatiga en función de la resistencia a la………… ………tensión acero forjado con varias condiciones de superficie ... 27
Figura 28. Pared exterior sistema de etiquetado ... 30
Figura 29. Soporte de sensor ... 32
Figura 30. Panel de control parte inferior ... 33
Figura 31. Panel de control parte superior ... 33
Figura 32. Arquitectura del sistema ... 34
Figura 33. Diagrama del circuito electrónico principal ... 38
Figura 34. Desarrollo de placa PCB ... 39
Figura 35. Vista explosionada del panel de control y sus componentes ... 40
Figura 36. Diagrama de flujo de la pantalla principal ... 41
Figura 37. Diagrama de flujo del comportamiento del sistema ... 42
Figura 38. Página inicial de la interfaz gráfica ... 43
Figura 39. Página de configuración de ajuste de etiqueta... 43
Figura 40. Página de configuración de modo de función ... 44
Figura 41. Página de inicio modo automático ... 44
Figura 42. Página de inicio modo manual ... 45
Figura 43. Página de inicio retirar rollo ... 45
Figura 44. Cursograma sistema de entrada de envases ... 47
Figura 45. Cursograma sistema de etiquetado ... 48
Figura 47. Dimensiones generales de máquina etiquetadora ... 49 Figura 48. Gráfica resultante de tiempo de etiquetado manual y…………..
………automático ... 53 Figura 49. Envase y descripción de partes ... 54
Figura 50. Gráfica resultante de posición de etiquetado entre manual……. ………y automático ... 55
Figura 51. Comparación de resultados del etiquetado manual frente al…..
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1.Listado de componentes del sistema de entrada ... 12
Tabla 2.Listado de componentes del sistema de etiquetado ... 14
Tabla 3.Cálculo de inercias de elementos del sistema de entrada ... 15
Tabla 4.Especificaciones del envase ... 15
Tabla 5.Selección del motor principal ... 20
Tabla 6.Selección de eje de rodillos ... 25
Tabla 7.Selección de rodamientos del eje principal ... 29
Tabla 8.Comparación de especificaciones de NX3224T028 frente a... ………...Arduino TFT Touch ... 34
Tabla 9. Especificaciones de atmega32U4... 35
Tabla 10. Comparación de especificaciones entre LJC18A3-H-Z frente a… …………..E18-D80NK ... 35
Tabla 11. Consumo de corriente del sistema ... 36
Tabla 12. Comparación de especificaciones entre S60-12 frente a………… …………..S250-12 ... 36
Tabla 13. Simbología de cursograma ... 46
Tabla 14. Operaciones de procesos de construcción y ensamblaje ... 46
Tabla 15. Costos totales de la elaboración de la máquina etiquetadora ... 50
Tabla 16. Relación de tiempos entre etiquetado manual y automático ... 52
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Carta de conformidad ... 62
Anexo 2. Catálogo de rodamientos ... 63
Anexo 3. Catálogo de ejes de acero inoxidable ... 64
RESUMEN
A medida que la demanda de productos KINU ha aumentado, la empresa ve la necesidad de reducir tiempos en varios de sus procesos, por ese motivo se determinó que el proceso de etiquetado representa un cuello de botella en su línea de producción. Se requieren una máquina etiquetadora que se adapta a su empresa y reduzca los tiempos en este proceso.
El presente trabajo muestra el diseño y construcción de una máquina etiquetadora para envases cilíndricos, en los cuales se va a aplicar etiquetas autoadhesivas.
El sistema que se adaptó a las necesidades de la empresa es un sistema de conjunto de rodillos en el cual el envase debe encontrarse horizontal para que se aplique la etiqueta cuando se encuentre en medio de los dos rodillos. La máquina también cuenta con un sistema de entrada, en el cual los envases se apilan uno tras otro de tal manera que unas compuertas van a permitir el paso ordenado de cada uno hacia el sistema de etiquetado.
El funcionamiento en conjunto de estos dos sistemas se lo controla a través de un panel de control en el cual se encuentra un display táctil en el cual es posible seleccionar el modo de funcionamiento entre automático y manual.
Se realizaron pruebas de etiquetado entre un operario y la máquina para poder visualizar las mejoras que se obtienen al implementar la máquina etiquetadora. Se tomaron en cuenta tres aspectos, tiempo de etiquetado, posición de la etiqueta y calidad del etiquetado. En estas pruebas se observó que existe una reducción de tiempo de etiquetado por envase de un 60 % respecto al trabajo de un operario; de igual manera la calidad aumento y se obtuvo un etiquetado uniforme a lo largo de todo el envase.
ABSTRACT
As the demand of KINU products has been increasing, the company needs to reduce production times. The company determined that the labeling process represents a bottleneck in its line of production. For that reason, they require a labeling machine that reduces time in this process.
This project shows the design and construction of a labeling machine for cylindrical containers, in which self-adhesive labels wide must be applied.
The method that this project use is a roller assembly system in which the container must be horizontally so that the label is applied when the container is in the middle of the two rollers. The machine also has an entry system, in which the containers are stacked one after the other in such a way that thanks to some gates they will allow the orderly passage of each of the packages to the labeling system.
The joint operation of these two systems is controlled through a control panel in which there is a touch display in which it is possible to select the operating mode between automatic and manual.
Labeling tests were performed between an operator and the machine in order to visualize the improvements obtained by implementing the labeling machine. Three aspects were considered, including labeling time, label position and label quality. In these tests it was observed that there is a 60% reduction in labeling time per container compared to labeling by an operator; in the same way the quality of the labeling increased and a uniform labeling was obtained throughout the entire package.
Los productos KINU se crearon con el fin de ofrecer una alternativa saludable a los consumidores, a través de la preparación de productos alimenticios artesanales endulzados con stevia (Viteri, 2017). La empresa se especializa en la producción y venta de mermeladas y gelatinas. Todos los procesos de producción que ellos utilizan para la elaboración de sus productos son artesanales. Actualmente, los productos se distribuyen en supermercados y locales comerciales reconocidos a nivel nacional, esto ha llevado a que la producción aumente significativamente.
Normalmente, el proceso de etiquetado se lo realiza de forma manual por un operario, el cual tiende a cometer varios errores, como por ejemplo, etiqueta descuadrada, generación de bolas de aire, etiqueta con bordes doblados y despegables, o etiquetas manchadas o en mal estado. La calidad de etiquetado de una máquina es muy superior a la que tiene una persona, ya que podría realizar el proceso de etiquetado de una forma continua e ininterrumpida con un mejor control durante todo el proceso (Barahona & Bayardo, 2011).
Por las razones expuestas, la empresa requiere mejorar y agilitar los procesos de producción, pues la mayoría de ellos son manuales y se necesita de al menos tres operarios que estén de manera permanente durante todo el proceso de fabricación. Esto genera altos costos a la empresa que se ven reflejados en el producto adquirido por el consumidor final.
1.1 PROCESOS DE PRODUCCIÓN
La planta de la empresa está formada de tres áreas principales: procesamiento de la materia prima, envasado, etiquetado y empacado. La distribución está indicada en el plano, como se muestra en la Figura 1:
Figura 1. Distribución de la planta de producción
A continuación, se detalla las actividades que se realizan en cada una de las áreas mencionadas anteriormente:
Área de selección de materia prima
En esta área se realizan los procesos de lavado, selección y preparación de la fruta que se va a utilizar durante todo el proceso. Dentro de la etapa de preparación de las frutas, se considera retirar la cascara y tronco de las frutas.
Área de procesamiento
Área de envasado
En el área de envasado se encuentra un cilindro neumático que dosifica la mermelada y con la ayuda de un operario se realiza todo el proceso de envasado y sellado al vacío. Previo a la realización de este proceso los envases deben pasar por una inspección visual para detectar imperfecciones y así garantizar su total integridad.
Conforme se va realizando el envasado de cada uno de los frascos se etiqueta cada uno de ellos. Generalmente, este proceso lo realiza un operario y cuando el pedido es mayor a 200 envases por lote, se designa un segundo operario. El proceso de etiquetado consiste en aplicar un sticker de seguridad entre la tapa y el envase. Después, se procede a aplicar la etiqueta alrededor de todo el envase. Actualmente, las etiquetas y sellos de seguridad vienen en planchas troqueladas de etiquetas autoadhesivas.
1.2 Comparación de máquinas etiquetadoras
En el mercado existe una gran variedad de máquinas etiquetadoras que se adaptan a cada una de las necesidades de la industria alimenticia. De acuerdo con el mismo, se pueden clasificar tres tipos de máquinas: manuales, semiautomáticas y automáticas.
MANUALES
Esta máquina se caracteriza por ser fácil de usar y adaptable a los diferentes tipos de envases cilíndricos existentes, ya que cuenta con una variedad de accesorios para garantizar la colocación perfecta de la etiqueta apropiada para cada ocasión.
En la Figura 2, se indica la máquina TACH IT SH430, usada para envases desde 250 ml hasta 4546 ml y con la posibilidad de etiquetar hasta aproximadamente 20 botellas por minuto. Esta máquina dispone de un indicador que le permite al operario saber cuándo ha terminado el proceso de etiquetado de una botella (Flexibles, 2013).
Figura 2. Etiquetadora manual TACH IT SH430
(Flexibles, 2013)
SEMIAUTOMÁTICA
Las máquinas etiquetadoras semiautomáticas constan principalmente de un sensor fotoeléctrico el cual al detectar un cambio de luz en el ambiente es capaz de identificar la etiqueta. En este caso, la etiquetadora Flexlabeller Pe-E De Stellin, indicada en la Figura 3, no utiliza una manivela. Pe-Esta máquina se acciona con un pulsador y la etiquetadora empieza el proceso. Esta máquina es adaptable para distintos tamaños de envases gracias a un mecanismo de ajuste que le permite regularse con mayor facilidad. Con estas características presenta un menor tiempo y esfuerzo durante el proceso de etiquetado (Espier, 2018).
Figura 3 Flexlabeller PE-E de Stellin
(Espier, 2018)
AUTOMÁTICA
También se puede encontrar en el mercado máquinas más robustas para un volumen de producción alto, como es el caso de la SIDEL MATRIX SL70, que se encuentra ilustrada en la Figura 4. La SL70 es una etiquetadora de bobina muy eficiente, capaz de alcanzar velocidades de hasta 60.000 botellas por hora. Se menciona a continuación las características más importantes de esta máquina:
• Un sistema versátil para responder a las necesidades específicas de producción en materia de formas de botellas y velocidad.
• Una capacidad exclusiva para manejar rotaciones positivas y negativas.
• Puede instalarse en distintas disposiciones y reconfigurarse fácilmente.
La estación de etiquetado SL70 realiza manipulaciones y aplicaciones precisas para envases de cualquier forma.
• Los colectores separados de distribución neumática y vacío garantizan una aplicación precisa de las etiquetas a cualquier velocidad.
• El perfil lobulado del tambor de vacío permite dar a las etiquetas una tensión óptima para resultados de alta calidad.
• El diseño geométrico del rodillo encolador y del rascador hace posible que la cola se aplique de un modo uniforme y muy controlable.
• La posibilidad de sustituir y actualizar las placas de superficie aumenta la autonomía y la resistencia al desgaste (Sidel, 2018).
Figura 4. Máquina etiquetadora SIDEL MATRIX SL70 .
(Sidel, 2018)
El objetivo general del presente trabajo de titulación es implementar una máquina etiquetadora automática de envases cilíndricos para la línea de productos KINU
Para lograr el objetivo general se consideran los siguientes objetivos específicos:
• Diseñar los componentes mecánicos de la máquina etiquetadora automática
• Diseñar un circuito electrónico para el control de la máquina
• Integrar los componentes mecánicos y electrónicos
• Implementar la máquina etiquetadora automática en la línea de productos KINU
La metodología que se va a utilizar para el desarrollo de la máquina etiquetadora es el modelo en V. Este tipo de metodología se adapta al proyecto a razón que involucra un vínculo entre el desarrollo de hardware y software, como se puede observar en la Figura 5. La metodología empieza a partir de los requerimientos, continua con el diseño del sistema mecánico, electrónico y control. Seguido de la integración del sistema con el desarrollo de prototipos y elaboración de pruebas de funcionamiento, para finalizar con la construcción del equipo y la obtención de un producto final.
Figura 5. Metodología en V
(Deutshcher, 2014).
2.1 ANÁLISIS DEL PROBLEMA
Todos los procesos de producción que la empresa realiza para la elaboración de sus productos son completamente artesanales. Con el ingreso de la marca en supermercados reconocidos, su producción ha aumentado significativamente y es por esto, que han visto la necesidad de automatizar algunos de sus procesos de producción.
La demanda ha aumentado de tal forma que en la actualidad se envasan y etiquetan 600 envases de cada uno de los sabores cada 15 días. El etiquetado de estos envases se lo realiza con 3 operarios trabajando de manera simultánea durante 4 horas. Por este motivo, es necesario implementar una máquina que permita disminuir los recursos utilizados por cada uno de los operarios en el proceso de etiquetado.
2.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
inferior. Por lo tanto, la máquina debe posicionar de la mejor manera los envases.
Además, la máquina debe constar de un sistema principal de etiquetado, en el cual se desprende la etiqueta adhesiva y un subsistema de ubicación del rollo de etiquetas. Se debe contar también, con un sistema de entrada de envases ubicado junto al sistema de etiquetado para que el operario apile los envases antes de empezar el procedimiento y de igual manera el operario los retire una vez que sean etiquetados.
Los requerimientos principales presentados por la empresa para el adecuado funcionamiento de la máquina etiquetadora son los siguientes:
• Envase:
El envase que se utiliza para la elaboración de los productos es cilíndrico con cambios de diámetro en la parte superior e inferior, el envase es de vidrio y tiene unas dimensiones de 95 mm de alto y 65 mm de diámetro.
• Etiqueta:
La etiqueta es de papel adhesivo, estas deben venir en presentaciones de rollo para que se acople en la máquina. La etiqueta debe estar colocada en el centro del envase y rodear todo el contorno de este como se puede observar en la Figura 6, la etiqueta tiene unas dimensiones de:
o Ancho: 54 mm
o Largo: 150 mm
Este tipo de etiquetas pueden ser aplicadas a temperatura ambiente sin ningún problema y están fabricadas de plástico o de polipropileno.
Figura 6. Etiqueta de envase cilíndrico
• Dimensiones de la máquina:
Las dimensiones de la máquina deben ser las requeridas por parte de la empresa. Al manejar un solo tipo de envases, de dimensiones ya especificadas, no es necesario elaborar una máquina de gran tamaño, debe ser una modular que sea de fácil almacenamiento y limpieza.
Figura 7. Diagrama de requerimientos para la máquina etiquetadora
2.3 DISEÑO CONCEPTUAL
2.3.1 COMPONENTES PRINCIPALES
Los principales elementos que conforman la máquina etiquetadora de envases son: dos sensores infrarrojos, dos servomotores, un microcontrolador, un display, un motor acoplado a un eje rebobinador y una fuente de alimentación para todo el sistema.
En la Figura 8, se muestra los componentes por los cuales va a estar compuesto la máquina etiquetadora de envases.
2.4 DISEÑO ESPECÍFICO
2.4.1 DISEÑO MECÁNICOLa máquina etiquetadora de envases consta principalmente de dos sistemas, un sistema de entrada y un sistema de etiquetado que trabajan conjuntamente.
En el sistema de entrada se agrupan los envases para que bajen sucesivamente hacia el sistema de etiquetado de forma ordenada gracias a dos paletas reguladoras. El operador apila los envases que van a ser etiquetados y de esta forma, mediante dos compuertas, se permite el paso uno a uno de los envases hacia el sistema de etiquetado.
Figura 9. Vista explosionada del sistema de entrada
En la siguiente tabla se muestra cada uno de los componentes que conforman el sistema de entrada y una descripción de su función.
Tabla 1. Listado de componentes del sistema de entrada
SISTEMA DE ENTRADA
NOMBRE DESCRIPCIÓN
Paleta reguladora
Compuerta inicial y final
Dos paletas acopladas a dos servomotores que van a permitir el paso ordenado y por etapas de cada uno de los envases.
Base
Camino por el cual los envases son colocados alineadamente y circulan a través de este.
Paredes laterales Soportan a los componentes del sistema. Soporte inferior Da rigidez al sistema.
Eje regulador Camino sobre el cual giran las paletas reguladoras
Para el sistema de etiquetado, se optó por un sistema horizontal con dispensador de etiquetas, en el cual los envases se colocan de forma horizontal sobre el sistema de rodillos como se observa en la Figura 10. Este sistema es un conjunto de rodillos el cual solo permite un tipo de etiqueta de dimensiones preestablecidas durante cada procedimiento. La ventaja de este sistema se encuentra en la capacidad de admisión de distintos tamaños de envases, y su costo es muy inferior a sistemas verticales de dispensación de etiquetas.
Figura 10. Sistema horizontal con dispensador de etiquetas
Figura 11. Vista explosionada del sistema de etiquetado
En la siguiente tabla se muestran cada uno de los componentes que conforman el sistema de etiquetado y una descripción de su función.
Tabla 2. Listado de componentes del sistema de etiquetado
SISTEMA DE ETIQUETADO
NOMBRE DESCRIPCIÓN
Rodillos de etiquetado Soportan el envase y transmiten el movimiento hacia el mismo.
Eje de motor Se encuentra acoplado al motor y transmite movimiento a todo el sistema.
Pared interior y exterior Soporta los componentes del sistema. Tensador de rollo Genera tensión en el papel autoadhesivo y
despega la etiqueta del papel sobrante. Eje tensador Guía al papel autoadhesivo y genera tensión
en el mismo.
Soporte sensor infrarrojo Camino por el cual circulan las paletas reguladoras
Pared lateral Genera rigidez en toda la estructura.
2.4.1.1 Sistema de entrada
En el sistema de entrada se puede encontrar elementos que están sujetos a inercia, estos elementos son los siguientes:
• Compuerta inicial y final • Base
𝐼 = 𝑚 (𝑏
2
12)
[1]
Donde:
• I inercia del cuerpo [kg*mm2]
• m masa del cuerpo [kg] • b ancho del cuerpo [mm]
Para obtener la masa se utilizará la siguiente fórmula:
𝑚 = 𝑉 × 𝜌 [2]
Donde:
• V volumen [mm3]
• 𝜌 densidad del material [kg/mm3]
Aplicando las dos fórmulas con los datos de cada elemento se obtiene la Tabla 3.
Tabla 3Cálculo de inercias de elementos del sistema de entrada
ELEMENTO VOLUMEN DENSIDAD MASA ANCHO INERCIA
mm3 g/mm3 g mm g∙mm2
BASE 674602.5 4.5 * 10-7 0.303 212.50 1140.19
COMPUERTAS 42600.54 4.5 * 10-7 0.019 30 1.425
En el caso del envase es necesario sacar el momento de inercia, este envase es un cilíndrico hueco, pero al momento de pasar por los distintos sistemas de la máquina se va a encontrar lleno en su totalidad. Por este motivo se lo va a considerar como un cilindro sólido:
𝐼 =1 2 𝑚𝑅
2 [3]
Donde:
• R radio del cilindro
Tabla 4 Especificaciones del envase
ELEMENTO MASA RADIO INERCIA
g mm g∙mm2
• Envase y la interacción en el sistema
Tomando en cuenta la Figura 12, se puede observar el diagrama de cuerpo libre del envase durante el proceso apoyado en la base del sistema de entrada.
Figura 12. Diagrama de cuerpo libre del envase sobre la base
El operario necesita apilar los envases en la base. Mientras se realiza este proceso, los envases van a descender por la base hasta chocar con la compuerta inicial con una aceleración:
𝑎𝑐 =
𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 1 + 𝑘
[4]
Donde:
• 𝑎𝑐 aceleración [m/s2]
• g gravedad [m/s2]
• 𝑘 = 0.25 (vidrio - madera) coeficiente de rozamiento dinámico
𝑎𝑐 = 9.8𝑠𝑒𝑛4.57
1 + 0.25 = 0.62 𝑚 𝑠⁄ 2
De igual manera, durante este proceso va a estar presente una fuerza de rozamiento que será calculada de la siguiente manera:
𝐹𝑟 = 𝑘𝑚𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 1 + 𝑘
[5]
𝐹𝑟 = 𝑘𝑚𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 1 + 𝑘 =
1 4(
3.6 𝑁 𝑠𝑒𝑛(4.57)
1 + 0.25 ) = 0.057 𝑁
Al recorrer una longitud desde el punto inicial hasta el final de 415 mm, cada envase llega a la compuerta con una velocidad de:
mg N
𝑉𝑐2 = 2𝑎𝑐𝑥 [6]
Donde:
• 𝑉𝑐 velocidad envase [m/s] • 𝑥 distancia recorrida [m]
𝑉𝑐2 = 2𝑎
𝑐𝑥 =
2𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 1 + 𝑘 𝑥 =
2(9.8)𝑠𝑒𝑛4.57
1 + 0.25 (0,415) = 0.51 = 0. 71 𝑚 𝑠⁄
La energía con la que circula el envase durante el trayecto involucra energía cinética y potencial:
Donde:
𝐸𝑘 energía total
𝐸𝑘 = 1 2𝑚𝑉𝑐
2 +1
2𝐼𝑐𝑤
2 [7]
𝐸𝑘 = 0.13 𝐽
Fuerza de rozamiento
𝐹𝑟 ≤ 𝜇𝑠𝑁 [8]
𝑁 = 𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝜃 = 3.588𝑁
Donde:
𝜇𝑠 es el coeficiente de rozamiento estático
𝜇𝑠= 0.53 (vidrio-madera)
0.0956 ≤ 0.5380
• Compuerta inicial y final
𝐹𝑚𝑒𝑑 ∙ 𝑑 =1 2𝑚𝑣
2 [9]
Donde:
• 𝐹𝑚𝑒𝑑 fuerza requerida para detener los envases
• d distancia necesaria para detener los envases
Es necesario tener en cuenta que, en el momento de utilizar la máquina, la carga máxima que se va a aplicar es de 10 envases apilados uno tras otro, por este motivo, se toma en cuenta la sumatoria de masa de todos los envases.
La distancia aplicada para detener los envases será aproximada, tomando en cuenta la forma en que los envases ingresan al sistema y la cantidad de envases apilados. Por esta razón se considera una distancia de 10 cm sobre la compuerta inicial.
𝐹𝑚𝑒𝑑 ∙ 0.1 𝑚 =1
2(3.7)(0.67)
2 = 8.3 𝑁
Aplicando la fuerza generada por la pieza sobre la compuerta y teniendo en cuenta la carga distribuida que actua sobre la compuerta se obtuvo la Figura 13 de fuerzas de la pieza.
Figura 13. Diagrama de cuerpo libre de la compuerta
Figura 14. Diagrama resultante de fuerzas
Figura 15. Diagrama resultante de momentos
Teniendo en cuenta que se va a utilizar una plancha de MDF de 5.5 mm se desarrolló un análisis de deformación máxima de esta pieza en el punto más crítico (Figura 16).
Figura 16. Análisis de deformación en compuerta inicial y final
la máxima deformación ocurre en el caso más crítico, o sea, que se introduzcan los envases agilmente sobre el sistema.
Para seleccionar los motores que van a estar acoplados directamente sobre las compuertas se va a obtener el trabajo resultante sobre la pieza y se va a utilizar la siguiente fórmula:
𝑊 =1
2(𝑚)(𝑣)
2 [10]
𝑊 =1
2(3.7)(0.67)
2
𝑊 = 0.83 𝐽 = 0.83 𝑁𝑚
De acuerdo con el resultado obtenido, en la siguiente tabla se puede observar dos motores que se encuentran en el mercado y la selección de uno de ellos de acuerdo con sus especificaciones.
Tabla 5. Selección del motor principal
Motor Voltaje Par Motor Corriente Peso
V Nm A g
Servo MG996 7.2 1.176 0.8 55
Nema 17 1.2 A 12 4 1.2 290
• Base
La base debe soportar la carga de los 10 envases que van a estar apilados sobre él. Por lo general es recomendable que los envases se encuentren ubicados en el centro de la base según la posición del rollo de etiquetas. Teniendo en cuenta la sección lateral, se realizó el análisis de cargas respecto a cada uno de los envases y las fuerzas que ejercen sobre la base (Figura 17-19).
Figura 18. Diagrama cortante de la base
Figura 19. Diagrama de momento flector de la base
Por lo tanto, se obtuvo que el momento máximo aplicado sobre la base en la sección donde se encuentra un envase es de 124.5 Nm
2.4.1.2 Sistema de etiquetado
El sistema de etiquetado cuenta con dos rodillos que van a soportar el envase. En medio de los dos rodillos se encuentra el tensor del rollo, que es una pieza en L metálica y que está colocado a 45 grados respecto al plano. Sobre el mismo, la cinta con el papel adhesivo circula y genera una tensión al papel permitiendo que se separe la etiqueta.
Además, en el sistema de etiquetado se encuentra un soporte de rollo de etiquetas y un eje principal. En este va a estar acoplado un motor y se debe colocar el papel del rollo de etiquetas para que, de esta manera, al momento en el que el motor empiece su funcionamiento la cinta se desplace por los dos rodillos de etiquetado y el tensor del rollo que permitirá un movimiento uniforme a través de todo el sistema.
Este proceso se puede llevar a cabo, en el momento en el que el sensor infrarrojo detecta el paso del envase, este va a estar colocado en un soporte de forma perpendicular del envase.
• Rodillos de etiquetado
Los dos rodillos de etiquetados sostienen el envase que debe estar posicionado de tal manera que la cinta de etiquetas pase a través del envase. El eje se encuentra sujeto en sus dos extremos por lo que el análisis que se debe realizar sobre este es como un eje con dos apoyos fijos.
Se empieza desarrollando los cálculos para determinar las cargas que soportan los ejes. La carga que soporta el eje es la producida por el peso de los envases.
Para realizar los cálculos de los rodillos de soporte es necesario empezar elaborando un diagrama de fuerzas sobre cada uno de ellos para así determinar las magnitudes de las fuerzas que actúan sobre ellos.
Figura 20. Diagrama de fuerzas rodillos de soporte – envase
En la Figura 20, se puede observar las fuerzas tangenciales y normales que actúan sobre los dos rodillos en el momento que un envase se encuentra postrado sobre ellos. Al ser colocado el envase sobre los dos rodillos se ubicada de tal forma que su centro está en el punto medio de la distancia de los dos rodillos, por este motivo el ángulo formado a partir del eje X de los rodillos hacia el envase es el mismo tanto en el rodillo de la izquierda como en el de la derecha.
Realizando la sumatoria de fuerzas en el eje Y se obtuvo la siguiente ecuación:
𝑠𝑒𝑛𝜃(𝐹𝑁1+ 𝐹𝑁2) + 𝑠𝑒𝑛(90 − 𝜃)(𝐹𝑇1+ 𝐹𝑇2) = 𝑊 [11]
Donde:
• 𝑊 peso del envase
• 𝐹𝑇 fuerza tangencial • 𝐹𝑁 fuerza normal
FT1 FN1 F FT2 N2
Al realizar la sumatoria de fuerzas en el eje X se obtiene que la fuerza normal que actúa tanto en el rodillo de la izquierda como en el de la derecha tienen la misma magnitud. Este mismo concepto también se lo obtiene para la fuerza tangencial.
Reemplazando los resultados obtenidos en la sumatoria de fuerzas en X en la primera ecuación se obtiene que:
𝑠𝑒𝑛𝜃(2𝐹𝑁2) + 𝑠𝑒𝑛(90 − 𝜃)(2𝐹𝑇) = 𝑊
Al desarrollarse el diagrama de fuerzas sobre el envase y este al encontrarse en contacto con el rodillo se deduce que la fuerza tangencial que actúa sobre el envase se puede tratar como una fuerza de rozamiento que va en el lado contrario del movimiento, por este motivo es posible aplicar la siguiente fórmula:
𝐹𝑇 = 𝐹𝑁𝜇 [12]
Se reemplaza la ecuación 11 en la resultante de la sumatoria de fuerzas del eje Y, y se obtiene:
𝐹𝑁=
𝑚𝑔
2(𝑠𝑒𝑛𝜃 + 𝜇𝑠𝑒𝑛(90 − 𝜃)
𝐹𝑇= 1.05 𝑁 𝐹𝑁 = 1.5 𝑁
Se observa que la fuerza normal tiene una magnitud de 1.5 N y la fuerza tangencial una fuerza de 1.05 N.
Al realizar los cálculos sobre cualquiera de los rodillos se toma en cuenta las cargas que actúan sobre él. En este caso se conoce que la carga es 1.5 N, pero para observar el comportamiento del sistema frente a cargas superiores se va a aplicar una carga por el envase de 2 N.
El eje de los rodillos debe soportar la carga de los rodillos y del envase, por este motivo se genera una carga distribuida en la mayor parte del eje de 4 N.
𝑊 = 4 𝑁
0.180 𝑚= 22.2 𝑁/𝑚
Figura 22. Diagrama de cortante de rodillo de etiquetado
Figura 23. Diagrama de momento flector de rodillo de etiquetado
En el diagrama de la Figura 23, se puede observar que el momento máximo aplicado se genera sobre el punto medio del eje y tiene un valor de 0.13 Nmm. La fatiga es un efecto generado en el material debido a la aplicación de cargas dinámicas cíclicas (VV.AA., 2000). Por este motivo el elemento se va a diseñar por resistencia a la fatiga. Se toman los siguientes parámetros para obtener el límite de resistencia a la fatiga, esfuerzo último a la tensión Sut, y el factor de seguridad en base al material que se va a utilizar, en este caso acero AISI 304.
El límite de resistencia a la fatiga S’n
𝑆′n = 0.5 ∗ 𝑆𝑢𝑡 [12]
𝑆′𝑛 = 260 𝑀𝑃𝑎
A partir de la ruta de diseño se puede obtener el método ideal para este caso. Al ser una carga cíclica de amplitud constante aplicado en un material dúctil con una carga uniaxial que actúa sobre él, el esfuerzo es fluctuante y se puede aplicar el método de Goodman con un factor de seguridad de n=3.8.
𝜎𝑎 𝑆𝑛 +𝜎𝑚 𝑆𝑢𝑡 = 1 𝑛 𝑦 𝑛 = 𝜎𝑚 𝜎𝑎 [13] Donde:
• 𝑆𝑢𝑡 resistencia ultima a la tensión 𝜎𝑎 260+ 𝜎𝑚 520= 1 3.8
𝜎𝑚 = 23.59 𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑎 = 6.2 𝑀𝑃𝑎
Con el resultado obtenido se busca determinar el esfuerzo máximo y mínimo que actúan sobre el cuerpo.
𝜎𝑎 = 𝜎𝑚𝑎𝑥− 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 [14] 𝜎𝑚= 𝜎𝑚𝑎𝑥+ 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 [15]
𝜎𝑚𝑎𝑥= 29.79 𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑚𝑖𝑛 = 17.39 𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑚𝑎𝑥=
32𝑀𝑚𝑎𝑥 𝜋𝑑3
[16]
𝑑 = √ 32(0.13) 𝜋(12.34 ∗ 106)
3
𝑑 = 0.0033 𝑚 = 3.31 𝑚𝑚
Una vez obtenido el diámetro se va a maquinar un eje de acuerdo con las opciones encontradas en el mercado y el que más se acopla a nuestras necesidades es el siguiente:
Tabla 6. Selección de eje de rodillos
Designación del material Dimensiones Resistencia mecánica
Punto de fluencia
In N/mm2 N/mm2
AISI 304 5/16” 520 220
• EJE PRINCIPAL
peso máximo de la película de papel resultante tras el posicionamiento de las etiquetas.
𝐹𝐶 = 4𝑇
𝐷 ≅ 0.8𝑘𝑔 ∗ 9.8 = 7.84 𝑁
[17]
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre del eje principal
Figura 25. Diagrama cortante del eje principal
Figura 26. Diagrama de momento flector del eje principal
Según el gráfico se puede observar que el momento máximo que experimenta el eje es de 352.8 Nm, en ese punto se tiene una fuerza cortante de 3.92 N. Se va a utilizar un acero inoxidable AISI 304
𝑆𝑢𝑡 = 520 𝑀𝑃𝑎
Una vez obtenido la resistencia a la tensión el procedimiento que permite calcular la resistencia a la fatiga se lo realiza observando la Figura 27, que al relacionar la resistencia a la tensión y el hecho que la pieza este maquinado o estirado en frio se obtuvo que:
Figura 27. Resistencia a la fatiga en función de la resistencia a la tensión para acero forjado con varias condiciones de superficie
Con la obtención de la resistencia a la fatiga es posible obtener la resistencia a la fatiga estimada real (Sn′) con la siguiente ecuación:
Sn′ = Sn(Cm)(Cst)(C
R)(Cs) [18]
Donde Cm es el factor del material, se debe tener en cuenta que el mercado nacional se obtiene con facilidad aceros especialmente el acero forjado que tiene un factor de:
Cm= 1 (L Mott,2006)
El factor de confiabilidad aproximado CR este dado por el diseñador de acuerdo con un rango de precisión que él lo define entre 50% y 99.9%. Para este caso se va a usar un rango de precisión del 90% obteniendo una confiabilidad de:
CR= 0.9 (L Mott, 2006)
El factor de tipo de esfuerzo Cst al ser un esfuerzo flexionante tiene un valor de:
Cst= 1 (L Mott, 2006)
Para calcular el factor de tamaño Cs se utilizó la siguiente fórmula:
Cs = (D/7.62)−0.11 (L Mott, 2006) [19]
Donde:
Reemplazando el diámetro deseado del eje de 8mm se obtuvo:
Cs= 0.994
Una vez obtenido todos los factores necesarios para obtener la resistencia a la fatiga se obtiene que:
Sn’ = 196 MPa
Sy = 241 MPa
Teniendo en cuenta que sobre el eje existe un esfuerzo torsional en el punto C se obtiene la siguiente fórmula:
Dc = [32 N ᴨ ] √
3 4∗ (
T Sy)
2 1
3 [20]
Dc = 7.58 mm
En el punto A no existen fuerzas cortantes o momentos de flexión, pero si se puede observar un momento torsor generado por el motor que este acoplado en el eje. Este motor genera un par torsor de 4 Nm
Da = [32 N ᴨ ] √
3 4∗ (
4 Nm 241x106)
2 1 3
Da = 7.15 mm
Una vez obtenido el diámetro del eje es necesario seleccionar el rodamiento que se va a utilizar:
C = Pd(Ld 106)1/k
[21]
Donde:
• C carga con la cual se selecciona el rodamiento en el catalogo
• Pd carga de diseño (reacciones)
• Ld duración de diseño [rev]
• K factor de tipo de rodamientos (rodamiento de bolas = 3,
En primer lugar, se debe obtener el valor de Ld con la siguiente fórmula tomando en cuenta un giro máximo de 60 rev que va a tener el eje:
Ld = L10n [22]
Donde:
• L10 duración del 90% de los rodamientos a seleccionar
• n número de revoluciones
Ld = 15000 h ∗ 60rev
min= 54x10
6rev
Una vez obtenido la duración de diseño se puede obtener la carga del rodamiento.
C = 3.92(54x10
6
106 )1/3= 14.81 N
Con este valor que se obtuvo catálogos de los fabricantes de rodamientos y en las especificaciones de los rodamientos que tienen disponibles se observó de acuerdo con los resultados de carga obtenidos y se seleccionó tres rodamientos que más se adaptan al diseño.
Tabla 7. Selección de rodamientos del eje principal
Designación Carga C Diámetro interno D Peso
kN mm kg
618 0.011 7 0.0022
619 0.016 7 0.0049
607 0.04 7 0.0076
(SKF, 2015).
El diámetro final del eje en el punto A una vez seleccionado el rodamiento es de:
Da = 7 mm
En el punto B se va a utilizar un rodamiento de igual forma de 7 mm de diámetro interno ya que al ser una carga distribuida que se encuentra en el centro del eje se generan los mismos esfuerzos sobre los dos soportes, por este motivo es posible utilizar el mismo rodamiento en las dos secciones.
• PARED DE SISTEMA DE ETIQUETADO
realizar el análisis en los huecos más amplios que presenta este modelo con el fin de ver las posibles deformaciones presentes en la pared.
Figura 28. Pared exterior sistema de etiquetado
El siguiente análisis se realizará sobre el punto en el cual se va a alojar el eje que contiene al motor y se encarga de trasmitir la potencia a todo el sistema. El diámetro del orificio es de 19 mm.
De acuerdo con el análisis de una placa plana con un orificio central se aplicó la siguiente fórmula para la obtención del factor Kt con la ayuda de la gráfica que se encuentra en el Anexo 1.
Kt ≅ d w
[23]
Donde:
• Kt factor placa plana • d diámetro del orificio
• W ancho de la placa plana
Kt = σ max σ nom
[23]
σ nom = 13825.75 Pa
2.75 = 5.027 K Pa
σ nom = Fd
(w − d)t [23]
Donde:
• T espesor
t = 3.98 N
(0.21 − 0.019) ∗ 5.027 K Pa= 4.14 mm
Por este motivo se va a escoger una plancha de MDF equivalente de 5.5 mm. para proporcionar una mayor rigidez.
• SOPORTE DE SENSOR
Figura 29. Soporte de sensor • PANEL DE CONTROL
Figura 30. Panel de control parte inferior
En la parte superior del panel de control se encuentra un interruptor de encendido y de igual forma un led que indica el estado de la máquina, también se observa un espacio en el cual está ubicado una pantalla TFT que permite su control.
2.4.2 DISEÑO ELECTRÓNICO
La arquitectura general del sistema de etiquetado se muestra en la Figura 32. Este sistema se compone de un microcontrolador principal, el cual se encuentra conectado a un display, en el cual el operario puede gestionar distintos modos de funcionamiento con los que cuenta la máquina. De igual forma los sensores y los tres motores van a entrar en funcionamiento con el mismo microcontrolador de acuerdo con el modo de funcionamiento seleccionado y de las condiciones de los dos sistemas. Todo esto va a ser alimentado con una fuente que se deberá conectar al tomacorriente de la red doméstica.
Figura 32. Arquitectura del sistema
2.4.2.1 Selección de componentes DISPLAY
Los parámetros para la selección de la pantalla son: tamaño, tipo de tecnología de proyección de imágenes, capacidad de recepción y envió de datos al microcontrolador y el precio.
La Tabla 8 muestra las características de las alternativas de pantallas que se encuentran en el mercado.
Tabla 8. Comparación de especificaciones de NX3224T028 frente a Arduino TFT Touch
Especificaciones Unidades NX3224T028 Arduino TFT Touch Shield
Tamaño In 2.8 3.2
Resolución Px 320*240 240*320
Color K 65 65
Flash MB 4 -
RAM B 2048 -
Precio $ 23 32
La pantalla seleccionada es la del fabricante Nextion y el modelo NX3224T028. Cumple con el requerimiento principal de costo – beneficio ya que al incorporar su propio software de programación es muy sencillo desarrollar una interfaz gráfica y de igual forma el envío y recepción de datos con el microcontrolador es más eficiente. Su consumo de energía es menor en relación con la Arduino TFT Touch Shield.
CONTROLADOR
El procesador que se va a utilizar es un Atmega32U4, el cual se encuentra acoplado en un Arduino Leonardo. Esta placa dispone de todos los puertos digitales para obtener la adquisición de datos de los sensores y de igual manera para el control de cada uno de los motores.
Tabla 9. Especificaciones de Atmega32U4
Especificaciones Unidades Atmega32U4 (Arduino Leonardo)
Voltaje de operación V 5
I/O Digitales Unidad 20
Entradas Análogas Unidad 12
Corriente DC a la salida mA 40
Memoria carga kB 32
Memoria remanente kB 1
(ATMEL, 2016).
SENSOR DE PRESENCIA
Para observar el paso de los envases por el sistema de entrada y de igual forma por el sistema de etiquetado se requiere de un sensor que logre detectar el paso y de la misma forma tener un conteo de los que van circulando. Se requiere que el sensor no interfiera en el paso de los envases y de igual forma que realice un conteo rápido durante el proceso.
Tabla 10. Comparación de especificaciones entre LJC18A3-H-Z frente a E18-D80NK
Especificaciones Unidades LJC18A3-H-Z/BX E18-D80NK
Voltaje de operación V DC 6-36 5
Consumo de corriente mA 300 100
Tipo de salida NPN NPN
Frecuencia de
respuesta Hz 100 -
Materiales detectables Hierro/ aleaciones
de hierro Cualquiera
Rango de detección mm 4 30 a 800
(Naylamp mechatronics, 2019).
cm a diferencia de LJC18A3-H-Z que solo es capaz de detectar hierro y aleaciones de hierro y mantener una distancia mínima frente al material que se trabaje.
MOTOR
De acuerdo con el diseño mecánico previamente realizado se obtuvo que el motor que se va a usar es a pasos, NEMA 17 1.2 A, un motor generalmente utilizado en máquinas CNC es ideal para esta aplicación ya que, al existir en el mercado accesorios para la elaboración de distintos proyectos, se lo puede adaptar en ejes que se acoplan en esta máquina. Este motor va a estar en funcionamiento directamente a un controlador A4988 que le permite trabajar con tensiones de hasta 35 V. y corrientes de hasta 2 A.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA EL CIRCUITO PRINCIPAL • CÁLCULO DEL CONSUMO DE CORRIENTE
Para obtener el consumo total de los componentes que trabajan en el sistema y así determinar la fuente de alimentación adecuada para el sistema se procedió a realizar la siguiente Tabla 12, en la que se observa detallado los componentes que actúan en el sistema y la corriente máxima que consume cada uno de ellos de acuerdo con sus respectivas hojas de especificaciones.
Tabla 11. Consumo de corriente del sistema
Especificaciones CANTIDAD CONSUMO
UNITARIO TOTAL
unidad mA A
Sensor E18-D80NK 2 100 0.2
Motor nema 17 1 1200 1.2
NX3224T028 1 85 0.085
Servomotor 2 300 0.6
Arduino 1 50 0.05
TOTAL 2.135 A
De acuerdo con la Tabla 11 se obtiene que el consumo máximo de corriente de todo el sistema es de 2.135 A. Para la selección de la fuente ideal para el sistema se tomará en cuenta las fuentes de alimentación existentes en el mercado.
Tabla 12. Comparación de especificaciones entre S60-12 frente a S250-12
Especificaciones Unidades S 60-12 S 250-12
Alimentación V AC 100-120 100-120
Voltaje de salida V AC 12 12 v
Corriente máxima de
salida A 5 20
Temperatura
funcionamiento C -20 – 60 -20 a - 60
Dimensiones mm 38 x 159 x 97 49 x 200 x 110
(Mean Well, 2012).
Con el consumo total de corriente de todos los componentes se pudo determinar que cumple con los requerimientos establecidos la fuente S-60-12 ya que su corriente máxima de salida es de 5 A y es suficiente para alimentar todo el circuito que tiene un consumo máximo de 2.135 A.
2.4.2.2 Circuito de control principal
Este circuito principal consta inicialmente de un microcontrolador, el cual se va a encargar de controlar todos los motores que actúan en la máquina, de igual forma mediante la pantalla NX3224T028 permite una comunicación HMI (Human Machine Interfaz) en el cual el operario puede tener el control del tamaño de los envases que se van a utilizar y también de los modos de operación con los que va a contar la máquina. Para el envío y recepción de datos desde y hacia la pantalla respectivamente se usa el puerto serial del microcontrolador RX-TX a una taza de 115200 baudios.
El motor Nema 17 se conecta con el microcontrolador a través de un controlador de motores A4988 y necesita ser alimentado con una fuente externa. Para este proyecto se usó una fuente de 12v a 5 A con la cual a través de un módulo regulador de voltaje se puede alimentar el Arduino y así obtener un sistema totalmente independiente.
Figura 33. Diagrama del circuito electrónico principal
DISEÑO DE PCB
ser requerido sea fácil la manipulación de los elementos y no exista complicaciones en posibles cambios de elementos que se necesite hacerlo.
Figura 34. Desarrollo de placa PCB
Figura 35. Vista explosionada del panel de control y sus componentes
Como se muestra en la figura se encuentra la fuente de poder que va conectado a un regulador de voltaje. Este va a ser el encargado de alimentar el controlador, los motores y el display LCD. El motor se encuentra apoyado en el porta-motor y en su eje tiene incorporado un acople que va conectado juntamente con el eje rebobinador.
2.4.3 DISEÑO DE CONTROL
diagrama de flujo en el cual se observa cada una de las funciones que realiza la máquina.
Figura 36. Diagrama de flujo de la pantalla principal
etiquetado, se puede ver la interacción existente entre los sensores y motores con la finalidad de cumplir los requerimientos deseados.
2.3.4.1 Interfaz gráfica Gráfica
La interfaz de la pantalla TFT consta de una página inicial, menú principal y tres secundarias de acuerdo con el modo de funcionamiento seleccionado. La página inicial se muestra en la Figura 38, en esta pantalla se observa que se despliega esta imagen con el logotipo de la empresa hasta inicializar el equipo.
Figura 38. Página inicial de la interfaz gráfica
Para empezar con el funcionamiento del equipo el rollo de etiquetas ya se debe encontrar colocado en su eje, en la posición que se desee, de igual forma la parte inicial del rollo ya se debe encontrar acoplado con el eje rebobinador. La siguiente etapa es acomodar la primera etiqueta. Hay que tener en cuenta que la etiqueta debe estar en una ubicación de tal forma que este al borde de desplegarse, esto se regula mediante los dos botones que se tienen de adelantar y retroceder hasta encontrar la ubicación adecuada.
El siguiente paso es seleccionar el modo de funcionamiento al cual se desea ingresar.
Figura 40. Página de configuración de modo de función Como se muestra en la Figura 40, se tiene:
• Modo automático:
En este modo de operación los envases se deben apilar en el sistema de entrada y las compuertas se van a abrir de forma automática hasta que el envase llegue y se posicione en los dos rodillos de etiquetado. Una vez en su lugar se realiza de forma autónoma la colocación de la etiqueta y el operario retira el envase y continúa el procedimiento con el envase siguiente.
Figura 41. Página de inicio modo automático • Modo manual:
un tiempo preestablecido empieza el proceso de etiquetado y por último el operario retira el envase ya etiquetado.
Figura 42. Página de inicio modo manual • Retirar rollo:
La opción de retirar rollo tiene la finalidad de que una vez terminado el proceso de etiquetado o el rollo de cinta autoadhesiva ya no tiene etiquetas, se retira el papel sobrante sobre el eje rebobinador hasta retirarlo por completo y así de esta forma iniciar el proceso nuevamente.
Figura 43. Página de inicio retirar rollo
2.5 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN
Tabla 13. Simbología de cursograma
SÍMBOLO NOMBRE DESCRIPCIÓN
О Operación Indica las principales fases del proceso
□ Inspección Verifica la calidad y cantidad.
Δ Almacenamiento Indica depósito de un objeto bajo vigilancia en un almacén.
De acuerdo con la metodología ya establecida se pueden enumerar los siguientes procesos de construcción y ensamblaje que se muestran en la siguiente Tabla 14.
Tabla 14. Operaciones de procesos de construcción y ensamblaje
NUMERACIÓN OPERACIÓN
1 Diseño CAD de los componentes
2 Corte laser
3 Corte de elementos
4 Rectificado
5 Limpieza
6 Pintura
7 Impresión 3D
8 Ensamblaje con pernos
9 Montaje de los componentes mecánicos
10 Montaje motor
11 Ensamblaje componentes mecánicos
12 Montaje de componentes electrónicos
13 Cableado y acabados
2.5.1 Construcción del sistema de entrada de envases
Figura 44. Cursograma sistema de entrada de envases 2.5.2 Construcción del sistema de etiquetado
cuenta con el sistema HMI para el control de la máquina. Las paredes se encuentran elaboradas en MDF de 6 mm en la Figura 45, se muestra la interacción existente entre todos los componentes y su procedimiento de ensamblaje.
3.1 CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA
Una vez construido el equipo final con la unidad de control, se obtuvo como resultado el sistema integrado con todos sus componentes, como se puede ver en la Figura 46, se visualiza la integración del sistema de entrada junto con el sistema de etiquetado y el panel de control ubicado en la parte lateral.
Figura 46. Prototipo final
El equipo final cuenta con los componentes especificados anteriormente para cada una de las dos etapas de la máquina. En la Figura 47, se observa una descripción general de las dimensiones de la máquina.
Se observa que las dimensiones generales de la máquina son las siguientes.
• Largo 925. 5 mm
• Ancho 221 mm
• Altura máxima 299.17 mm
El material que predomina para la elaboración de la máquina es en su gran mayoría MDF. También se puede observar que la distancia entre la compuerta inicial y el inicio de la base es de:
• Distancia 373.5 mm
Esto quiere decir que, utilizando los envases de 65 mm de diámetro se tiene una capacidad de 5 envases para apilarlos uno tras otro.
El panel está elaborado en PLA de color negro y se encuentra acoplado en la parte externa de la máquina. Cuenta con un interruptor de encendido y una pantalla táctil para el control de todas sus funciones. El cual cuenta con las siguientes características.
• Largo 186 mm
• Ancho 150 mm
• Altura máxima 75 mm
3.2 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN
El presupuesto presentado por la empresa fue de un valor máximo de $ 600, por este motivo al momento de seleccionar los materiales y componentes de la máquina se optó por las opciones que mejor se adapten y que de igual forma sean las más asequibles.
En la Tabla 15 se muestran todos los componentes necesarios para la elaboración de la máquina con sus respectivas cantidades y el costo total que no sobrepasa el presupuesto y se cumplió con los requerimientos deseados.
Tabla 15. Costos totales de la elaboración de la máquina etiquetadora
DESCRIPCIÓN CANTIDAD COSTO UNITARIO TOTAL
Base, rodillos 1 $250 $250
Sensor 2 $12 $24
Motor nema 1 $14 $14
Stepper shield 2 $5 $10
Ejes 3 $1.67 $5
Rodamientos 4 $1 $4
LCD 1 $22 $22
Extra – base 1 $14 $14
Corte sistema entrada 1 $40 $40
Fuente 1 $6.87 $6.87
Pie de rey 1 $6.50 $6.50
Regulador 1 $5.38 $5.38
Soporte motor 1 $5 $5
Servo 2 $11 $22
PLA 1 $30 $30
TOTAL: USD $461.75
3.3 RESULTADOS DE FUNCIONAMIENTO
Al ser construido el prototipo final se procedió a realizar las respectivas pruebas para corroborar un correcto funcionamiento del hardware y del software. Estas fueron las siguientes:
• Funcionamiento del sistema de entrada
El sistema de entrada conformado por dos compuertas controladas por dos servomotores, un sensor infrarrojo acopladas en una estructura con una base inclinada funcionaron perfectamente, porque las compuertas no interfirieron en ningún momento con el paso de las botellas. El sensor infrarrojo envió la lectura en su tiempo para la apertura de la compuerta y no hubo maltrato alguno al envase y este fluyo con normalidad durante su paso.
• Funcionamiento del sistema de etiquetado
El sistema de etiquetado compuesto principalmente de un eje rebobinador que se encuentra acoplado a un motor, dos rodillos de etiquetado y el soporte juntamente con el rollo de etiquetas funcionan correctamente, esto se lo comprobó realizando pruebas manuales y automáticas del proceso de etiquetado. No se registraron maltratos sobre el envase al momento de que este cae e ingresa al sistema. El sensor infrarrojo acoplado en este sistema lee con precisión el envase y los rodillos de etiquetado junto con el eje rebobinador no presentan deformaciones o esfuerzos durante sus operaciones.
• Funcionamiento del sistema de control
Se encuentra compuesto principalmente por el microcontrolador y su fuente de alimentación juntamente con la pantalla TFT no presentaron ninguna no conformidad durante su funcionamiento es por este motivo que se afirma que el funcionamiento del sistema de control se encuentra en óptimas condiciones. La pantalla es intuitiva para el usuario permitiéndole de esta forma poner en funcionamiento la máquina sin complicaciones, de igual manera la pantalla TFT presenta una buena conexión, envío y recepción de datos con el microcontrolador.
• Interacción del operario con el equipo
