UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO DE DISPENSADOR AUTOMÁTICO DE ALIMENTO
PARA ANIMALES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
DIEGO MAURICIO MALES HINOJOSA
DIRECTOR: ING. FAUSTO FREIRE, PhD.
© Universidad Tecnológica Equinoccial 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172539869-5
APELLIDO Y NOMBRES: Diego Mauricio Males Hinojosa
DIRECCIÓN: Av. Isidro Ayora y N-88
EMAIL: dm09mv15@hotmail.com
TELÉFONO FIJO: 025122838
TELÉFONO MOVIL: 0989623259
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO DE DISPENSADOR AUTOMÁTICO
DE ALIMENTO PARA ANIMALES
AUTOR O AUTORES: DIEGO MAURICIO MALES HINOJOSA
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 4 Octubre 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: ING. FAUSTO FREIRE, PhD.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA:
INGENIERO EN MECATRÓNICA
RESUMEN: Esta investigación, promueve el
diseño de un dispensador
mecatrónico de alimento para animales en las calles, que almacena alimento herméticamente, funciona mediante la recolección de monedas que se introducen a un tragamonedas electrónico que identifica su valor monetario. Una vez identificado el valor monetario el tragamonedas emite una señal equivalente al valor
ingresado, que acciona el
dispensador por lapsos de tiempo que permiten la liberación del alimento. En el primer capítulo, se detalla una recopilación de información dedicada a los dispensadores de alimento existentes, sus características y tecnologías de funcionamiento así también se muestran conceptos y definiciones afines a la construcción y diseño de dispensadores de alimento.
En el segundo capítulo, se describe la metodología y procesos a los que está guiado el presente proyecto, detallando todas y cada una de las consideraciones necesarias que permitan el cumplimiento de los objetivos.
El tercer capítulo, detalla los parámetros de diseño considerados para el cumplimiento de las necesidades físicas y funcionales del proyecto, factores técnicos como la selección de materiales, dispositivos y mecanismos para la dosificación del alimento, se valoran alternativas y
posibles combinaciones entre
sistemas para un mejor diseño.
En el cuarto capítulo se detallan los cálculos, consideraciones técnicas y resultados experimentales del diseño de cada uno de los componentes que funcionan en el sistema, se muestran resultados que guían la construcción del prototipo, permiten la selección de componentes para la máquina y pronostican el funcionamiento final de misma.
La investigación permite diseñar un prototipo funcional de un dispensador
automático de alimento para
animales, controlado por un sistema de ingreso y valoración de monedas, que almacena herméticamente 50[kg] de alimento sólido granulado que se
extrae de un tanque de
almacenamiento mediante un tornillo de transporte y lo suministra a un recipiente en cantidades equivalentes al valor monetario ingresado.
PALABRAS CLAVES: Dispensador mecatrónico, valoración monetaria, nutrición animal, automatización, nuevas tecnologías.
dispenser in the streets, which stores hermetically, works by collecting coins that are entered into an electronic slot that identifies its monetary value. Once the monetary value has been identified, the slots emit a signal equivalent to the value entered, which activates the dispenser for time periods that allow the release of the food.
In the first chapter, a compilation of information dedicated to existing food dispensers, their characteristics and operating technologies is presented, as well as concepts and definitions related to the construction and design of food dispensers.
In the second chapter, it describes the methodology and processes to which the present project is guided, detailing each and every one of the necessary considerations that allow the fulfillment of the objectives.
The third chapter details the design parameters considered for the fulfillment of the physical and functional needs of the project, technical factors such as the selection of materials, devices and mechanisms for food dosing, alternatives and possible combinations of systems are evaluated for a better design.
The fourth chapter details the calculations, technical considerations and experimental results of the design of each of the components that work in the system, show results that guide the construction of the prototype, allow the selection of components for the machine and predict the final operation.
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN……….ix
ABSTRACT………...….x
1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. ESTADO DEL ARTE ... 2
1.1.1. NUTRICIÓN EN ANIMALES CALLEJEROS ... 6
1.1.2. DISPOSITIVOS DOSIFICADORES ... 6
1.1.2.1. COMPARTIMIENTO DE ALMACENAMIENTO ... 7
1.1.2.2. TIPOS DE DOSIFICADORES ... 8
1.1.2.3. DOSIFICADORES POR VOLUMEN ... 8
1.1.2.4. DOSIFICADORES POR GRAVEDAD ... 8
1.1.2.5. DOSIFICADORES DE BANDA TRANSPORTADORA ... 9
1.1.2.6. DOSIFICADORES DE TORNILLO TRANSPORTADOR ... 9
1.1.2.7. DOSIFICADORES ROTATIVOS ... 10
1.1.2.8. ELEMENTOS GENERADORES DE FLUJO ... 10
1.1.2.9. COMPARTIMIENTO DE SALIDA ... 11
1.1.3. MATERIALES PARA CONSTRUCCION DE PROTOTIPOS ... 11
1.1.3.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ... 12
1.1.3.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS ... 12
1.1.3.3. TIPOS DE MATERIALES DE DISEÑO ... 12
1.1.4. SISTEMAS DE CONTROL ... 13
1.1.5. ELEMENTOS DE CONTROL ... 14
1.1.5.1. SENSOR ... 14
1.1.5.2. ACONDICIONADORES DE SEÑAL ... 14
1.1.5.3. MICROCONTROLADORES ... 15
1.1.5.4. COMPONENTES DE UN MICROCONTROLADOR ... 15
1.1.5.5. ACTUADORES / ACCIONADORES ... 16
1.1.5.6. TRANSMISIÓN DE POTENCIA ... 19
2. METODOLOGÍA ... 22
2.1. REQUERIMIENTOS ... 22
2.2. DISEÑO ESTIMADO DEL SISTEMA ... 22
2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA ... 25
2.4. INTEGRACIÓN DE SISTEMAS ... 26
2.5. VERIFICACIÓN DE PROPIEDADES ... 27
2.6. PRODUCTO ... 27
3. DISEÑO ... 22
3.1. REQUERIMIENTOS ... 29
3.2. CARACTERIZACIÓN ... 29
3.3. FUNCIONAMIENTO ... 30
3.3.1. SUBSISTEMAS IMPLÍCITOS ... 31
ii
3.3.1.2. SUBSISTEMA DOSIFICADOR ... 31
3.3.1.3. SUBSISTEMA ENERGÉTICO ... 32
3.3.1.4. SUBSISTEMA CONTROLADOR ... 32
3.3.1.5. SUBSISTEMA DE RECONOCIMIENTO DE DINERO ... 32
3.3.1.6. SUBSISTEMA DE RECOLECCIÓN DE ALIMENTO ... 32
3.3.1.7. SUBSISTEMA DE ALERTA ... 32
3.3.2. INTERACCIÓN DE SISTEMAS ... 33
3.3.2.1. SUBSISTEMA DE ALMACENAJE ... 33
3.3.2.2. SUBSISTEMA DOSIFICADOR ... 34
3.3.2.3. SUBSISTEMA ENERGÉTICO ... 34
3.3.2.4. SUBSISTEMA DE RECONOCIMIENTO DE DINERO ... 34
3.3.2.5. SUBSISTEMA CONTROLADOR ... 34
3.3.2.6. SUBSISTEMA RECOLECTOR DE ALIMENTO ... 34
3.3.2.7. SUBSISTEMA DE ALERTA ... 35
3.3.3. SOLUCIONES CANDIDATAS PARA SISTEMAS IMPLÍCITOS . 35 3.3.3.1. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA DE ALMACENAJE ... 35
3.3.3.2. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA DOSIFICADOR ... 36
3.3.3.3. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA ENERGÉTICO ... 37
3.3.3.4. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA CONTROLADOR ... 38
3.3.3.5. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA DE RECONOCIMIENTO Y RECOLECCIÓN DE DINERO ... 39
3.3.3.6. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA RECOLECTOR DE ALIMENTO ... 40
3.3.3.7. PROPUESTAS PARA SUBSISTEMA DE ALERTA ... 40
3.3.4. COMBINACIÓN DE POSIBLES SOLUCIONES ... 40
3.3.5. CONFIGURACIÓN FINAL ... 43
3.4. DISEÑO DE UNIDAD DE ALMACENAMIENTO ... 45
3.4.1. CÁLCULOS ... 47
3.4.2. MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN ... 51
3.4.3. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS ... 52
3.5. DISEÑO DE SISTEMA DOSIFICADOR ... 53
3.5.1. CÁLCULO DEL DIÁMETRO DEL EJE Y PASO ... 59
3.5.2. CÁLCULO DE VELOCIDAD DE TRANSPORTE ... 64
3.5.3. CÁLCULO DE FLUJO DE TRANSPORTE ... 68
3.6. DISEÑO DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA ... 72
3.6.1. CÁLCULO DE CADENA DE TRANSMISIÓN GENERADORA DE FLUJO ... 73
3.6.2. CÁLCULO DE RODAMIENTOS PARA BARRAS INTERIORES 83 3.7. CÁLCULO DE EJES GENERADORES DE FLUJO ... 87
3.8. DISEÑO DE CANAL DE EVACUACIÓN ... 89
3.9. IMPLEMENTACIÓN DE TRAGAMONEDAS DIGITAL ... 91
3.10. IMPLEMENTACIÓN DE TARJETA DE CONTROL ... 91
3.11. CONFIGURACIÓN DE SISTEMA DE CONTROL ... 93
iii
4.1. CANTIDADES DE ALIMENTO PARA DOSIFICACIÓN ... 97
4.2. PRUEBA 1: CANTIDAD DOSIFICADA EN TIEMPO t = 1s CON VOLTAJE DE TORNILLO V = 12[V] ... 100
4.3. PRUEBA 2: CANTIDAD DOSIFICADA EN TIEMPO t = 1s CON VOLTAJE DE TORNILLO V = 6[V] ... 101
4.4. PRUEBA 3: CANTIDAD DOSIFICADA EN TIEMPO t = 1s CON VOLTAJE DE TORNILLO V = 3.5[V] ... 102
4.5. VOLTAJE IDEAL DE DOSIFICACIÓN ... 102
4.6. DATOS DE DOSIFICACIÓN CON 25 ctvs. ... 103
4.7. DATOS DE DOSIFICACIÓN CON 50 ctvs. ... 105
4.8. DATOS DE DOSIFICACIÓN CON 1 DÓLAR. ... 106
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 108
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Dosificador por gravedad. ... 3
Figura 2. Dosificador Animal Planet. ... 4
Figura 3. Dosificador Healthy Pet Simply Feed de PetSafe. ... 4
Figura 4. Dosificador de 5 Comidas de PetSafe. ... 5
Figura 5. Diagrama de tipos de dispensadores de alimento. ... 8
Figura 6. Esquema físico de una banda transportadora. ... 9
Figura 7. Transportador de tornillo. ... 10
Figura 8. Dispensador de compuerta rotativa. ... 10
Figura 9. Clasificación de materiales ... 12
Figura 10. Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado. ... 13
Figura 11. Diagrama de bloques de un sistema de lazo abierto. ... 14
Figura 12. Acondicionamiento de señal. ... 15
Figura 13. Diagrama de bloques de un microcontrolador. ... 15
Figura 14. Principio de funcionamiento de actuadores eléctricos. ... 16
Figura 15. Clasificación de actuadores neumáticos. ... 18
Figura 16. Clasificación de actuadores hidráulicos. ... 19
Figura 17. Tipos de transmisores de potencia. ... 20
Figura 18. Diagrama de metodología en V. ... 21
Figura 19. Función principal de dispensador. ... 23
Figura 20. Diagrama de bloques del esquema eléctrico del dispensador. .. 24
Figura 21. Diagrama de bloques del esquema mecánico del dispensador. ... 24
Figura 22. Modelado preliminar del dosificador de alimento. ... 28
Figura 23. Diagrama de entradas y salidas del dosificador. ... 31
Figura 24. Diagrama de interrelación de sistemas. ... 33
Figura 25. Diagrama de bloques del funcionamiento del dosificador. ... 33
Figura 26. Flujo de salida desde la unidad de almacenamiento. ... 46
Figura 27. Ángulo de reposo estático. ... 46
Figura 28. Maqueta preliminar de boca de evacuación de tanque de almacenamiento. ... 47
Figura 29. Recipiente de medición estandar y balanza. ... 48
Figura 30. Esquema físico del tanque de almacenamiento. ... 50
Figura 31. Construcción de tanque de almacenamiento en acrílico transparente. ... 51
Figura 32. Silumación de la deformación total en el tanque de almacenamiento. ... 52
Figura 33. Factor de diseño de tanque de almacenamiento. ... 53
Figura 34. Esquema físico del sistema dosificador. ... 54
Figura 35. Esquema físico del sistema dosificador implementado. ... 54
Figura 36. Componentes de dosificador industrial por tornillo sin fin. ... 55
v
Figura 38. Carcasa, canalón y tornillo de transporte real. ... 57
Figura 39. Boca de salida de tanque de almacenamiento. ... 58
Figura 40. Unión entre tanque de almacenamiento y canalón del tornillo CAD. ... 58
Figura 41. Unión entre tanque de almacenamiento lleno y canalón del tornillo. ... 59
Figura 42. Diagrama de esfuerzo cortante y momento flector del tornillo de transporte. ... 60
Figura 43. Diagrama de momento de inercia de un círculo. ... 60
Figura 44. Alimento granulado marca PROMIX. ... 62
Figura 45. Paso del tornillo sin fin. ... 64
Figura 46. Tornillo impreso en 3D en poliácido láctico (PLA) . ... 64
Figura 47. Diagrama de deformación de tornillo de transporte con motor de 15 RPM. ... 67
Figura 48. Diagrama de factor de diseño del tornillo dosificador en PLA. .. 68
Figura 49. Cadenas generadoras de flujo vista frontal. ... 72
Figura 50. Coeficiente K1. ... 74
Figura 51. Coeficiente K2. ... 74
Figura 52. Coeficiente K3. ... 75
Figura 53. Coeficiente K5. ... 77
Figura 54. Componentes de un rodamiento radial de bolas. ... 83
Figura 55. Cargas para selección de rodamientos. ... 83
Figura 56. Diagrama de cuerpo libre (DCL) del eje crítico. ... 84
Figura 57. Diagrama de cuerpo libre (DCL) del eje crítico. ... 87
Figura 58. Diagrama de momento de inercia de un círculo. ... 88
Figura 59. Factor de diseño de ejes de flujo de material. ... 89
Figura 60. Diseño del canal de evacuación. ... 90
Figura 61. Ángulo de inclinación de canal de evacuación. ... 90
Figura 62. Tragamonedas SINTRON modelo CH-926. ... 91
Figura 63. Tarjeta temporizadora JY-15. ... 92
Figura 64. Circuito de la tarjeta de control JY-15. ... 92
Figura 65. Entradas y salidas de tragamonedas SINTRON CH-926. ... 93
Figura 66. Flujograma de programación de tragamonedas. ... 94
Figura 67. Flujograma para escaneo de monedas. ... 95
Figura 68. Conexión entre tragamonedas CH-926 y tarjeta temporizadora JY-15. ... 96
Figura 69. Conexión entre tragamonedas CH-926 y tarjeta temporizadora JY-15. ... 96
Figura 70. Prototipo final construido. ... 97
Figura 71. Comportamiento de dosificación en t=1s a 12V. ... 100
Figura 72. Comportamiento de dosificación en t=1s a 6V. ... 101
Figura 73. Comportamiento de dosificación en t=1s a 3.5 V. ... 102
Figura 74. Comportamiento de dosificación y ganancia con 25 ctvs. ... 104
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Agentes de diseño requeridos. ... 30
Tabla 2. Tabla de beneficios y limitantes del metal. ... 35
Tabla 3. Tabla de beneficios y limitantes de Materiales Cerámicos. ... 35
Tabla 4. Tabla de beneficios y limitantes de materiales plásticos. ... 36
Tabla 5. Tabla de beneficios y limitantes de materiales textiles. ... 36
Tabla 6. Tabla de beneficios y limitantes del tornillo transportador. ... 36
Tabla 7. Tabla de beneficios y limitantes de las bandas transportadoras. ... 36
Tabla 8. Tabla de beneficios y limitantes de las compuertas rotativas. ... 37
Tabla 9. Tabla de beneficios y limitantes de las unidades vibratorias. ... 37
Tabla 10. Tabla de beneficios y limitantes de las baterías. ... 37
Tabla 11. Tabla de beneficios y limitantes de una fuente eléctrica. ... 37
Tabla 12. Tabla de beneficios y limitantes de los paneles solares. ... 37
Tabla 13. Tabla de beneficios y limitantes del CHIP 16F887 PIC. ... 38
Tabla 14. Tabla de beneficios y limitantes de la tarjeta electrónica ARDUINO. ... 38
Tabla 15. Tabla de beneficios y limitantes de la tarjeta electrónica JYO-15. ... 38
Tabla 16. Tabla de beneficios y limitantes de la tarjeta electrónica Raspberry PI. ... 39
Tabla 17. Tabla de beneficios y limitantes del tragamonedas digital SINTRON CH-926. ... 39
Tabla 18. Tabla de beneficios y limitantes de cámara. ... 39
Tabla 19. Tabla de beneficios y limitantes de bandeja acrílica. ... 40
Tabla 20. Tabla de beneficios y limitantes de las bocinas. ... 40
Tabla 21. Tabla de beneficios y limitantes de las bocinas. ... 40
Tabla 22. Muestras de peso de alimento en volumen específico. ... 48
Tabla 23. Datos estadísticos de la muestra. ... 49
Tabla 24. Tipos de hélices en tornillos transportadores. ... 63
Tabla 25. Tabla de velocidades máximas de transporte en tornillos. ... 67
Tabla 26. Tabla de coeficiente de relleno. ... 68
Tabla 27. Coeficientes de disminución de flujo por inclinación. ... 70
Tabla 28. Coeficientes de resistencia del material al transporte. ... 71
Tabla 29. Coeficientes de resistencia del material al transporte. ... 76
Tabla 30. Costos de componentes y desarrollo del prototipo. ... 98
Tabla 31. Cantidad de alimento equivalente al valor económico de cada moneda. ... 99
Tabla 32. Cantidad de alimento dosificado con 12V. ... 100
Tabla 33. Datos estadísticos de la muestra a 12 [V]. ... 100
Tabla 34. Cantidad de alimento dosificado con 6V. ... 101
Tabla 35. Datos estadísticos de la muestra a 6[V]. ... 101
vii
Tabla 37. Datos estadísticos de la muestra a 3.5 [V]. ... 102
Tabla 38. Valores esperados de dosificación con monedas determinadas. ... 103
Tabla 39. Valores de dosificación con 25 ctvs. ... 103
Tabla 40. Valores estadísticos con 25 ctvs. ... 104
Tabla 41. Valores de dosificación con 50 ctvs. ... 105
Tabla 42. Valores estadísticos con 50 ctvs. ... 105
Tabla 43. Valores de dosificación con 1 dólar. ... 106
viii
ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Diagramas de selección de cadenas de transmisión. ... 112
Anexo 2. Fórmulas para cálculo de cadenas de transmisión. ... 113
Anexo 3. Velocidades máximas de trabajo de cadenas de transmisión. ... 114
Anexo 4. Características fisicas y mecánicas de cadenas de transmisión. ... 115
Anexo 5. Presiones máximas soportadas de cadenas de transmisión. ... 116
Anexo 6. Manual de usuario del tragamonedas SINTRON CH-926. ... 117
Anexo 7. Datos técnicos y comandos de programación de tarjeta temporizadora de control JY-15 ... 120
Anexo 8. Guía de valores requeridos de vida nominal L10h. ... 122
Anexo 9. Dimensiones de rodamientos de bolas de acero. ... 123
ix
RESUMEN
En la ciudad de Quito la tenencia responsable de animales es un tema pendiente, según, Carlos Realpe, asistente de Bienestar Animal de Protección Animal Ecuador (PAE), comenta que no existe una cantidad exacta de animales por la falta de censos en el tema. Sin embargo, indicó que existe un estudio realizado por la Universidad San Francisco de Quito y la Universidad de California, que determina alrededor de 400 a 600 mil animales en las calles, de los cuales, las fundaciones de protección animal se encargan apenas del 1% (Metro Ecuador, 2017), los mismos que carecen de fuentes de alimentación e hidratación fija.
Esta investigación, promueve el diseño de un dispensador mecatrónico de alimento para animales en las calles, que almacena alimento herméticamente, funciona mediante la recolección de monedas que se introducen a un tragamonedas electrónico que identifica su valor monetario. Una vez identificado el valor monetario el tragamonedas emite una señal equivalente al valor ingresado, que acciona el dispensador por lapsos de tiempo que permiten la liberación del alimento.
En el primer capítulo, se detalla una recopilación de información dedicada a dispensadores de alimento existentes, sus características y tecnologías de funcionamiento, también se muestran conceptos de apoyo en la construcción y diseño de dispensadores de alimento.
En el segundo capítulo, se describe la metodología y procesos a los que está guiado el presente proyecto, incluye consideraciones necesarias para cumplimiento de los objetivos.
El tercer capítulo, detalla los parámetros de diseño considerados para el cumplimiento de las necesidades físicas y funcionales del proyecto, factores técnicos como la selección de materiales, dispositivos y mecanismos de dosificación del alimento.
En el cuarto capítulo se detallan los cálculos, pruebas y resultados experimentales que corroboran el diseño desarrollado, se muestra datos que guían la construcción del prototipo y pronostican el funcionamiento final. La investigación permite diseñar un dispensador automático de alimento granulado, controlado por un sistema de ingreso y valoración de monedas, que almacena herméticamente 50[kg] de alimento que se extrae mediante un tornillo de transporte.
Palabras Claves
x
ABSTRACT
In Quito city, responsible management of animals is a pending issue, according to Carlos Realpe, assistant of Protección Animal Ecuador (PAE), he says that there is no exact amount due to the lack of censuses on the subject. However, he indicated that there is a study carried out by the University San Francisco de Quito and the University of California, that determines about 400 to 600 thousand animals in the streets, of which, the foundations of animal protection take care of hardly 1% (Metro Ecuador, 2017), the same ones that lack of sources of feeding and fixed hydration. This research, which promotes the design of a mechatronic animal food dispenser in the streets, which stores hermetically, works by collecting coins that are entered into an electronic slot that identifies its monetary value. Once the monetary value has been identified, the slots emit a signal equivalent to the value entered, which activates the dispenser for time periods that allow the release of the food.
The first chapter details a collection of information on existing food dispensers, their characteristics and operating technologies, and also show support concepts in the construction and design of food dispensers.
In the second chapter, it describes the methodology and processes to which the present project is guided, including necessary considerations to fulfill the objectives.
The third chapter details the design parameters considered for the fulfillment of the physical and functional needs of the project, technical factors such as the selection of materials, devices and food dosage mechanisms.
The fourth chapter details the calculations, tests and experimental results that corroborate the developed design, shows data that guide the construction of the prototype and predict the final operation.
The research allows the design of an automatic granulated food dispenser, controlled by a coin entry and valuation system, which stores 50 [kg] of food that is extracted by means of a transport screw.
Key Words
1
1 Ecuador es un país donde la mayoría de sus habitantes poseen algún tipo de mascota, en Quito específicamente según Mario Balanzategui, Coordinador General de Operaciones de la Empresa Metropolitana de Aseo, existen alrededor de 600 mil mascotas en la capital, entre las más comunes están perros y gatos, por ser animales domésticos, de los cuales el 20% son tratados como parte de la familia y están bien cuidadas, el 30 % están abandonadas y el 50% de las que viven en hogares, salen en la mañana y regresan en la noche, deambulando en la ciudad durante el día (Metro Ecuador, 2017).
Por lo tanto alrededor de 300 mil animales deambulan por las calles en busca de alimento y agua para sobrevivir, las organizaciones rescatistas buscan de manera voluntaria terminar con esta problemática y brindar una mejor calidad de vida a los animales pero sin resultados alentadores. Esta problemática aumenta exponencialmente con el tiempo, debido al incremento en las cifras de abandono o pérdida de mascotas en la última década y a esto se suma la reproducción desmedida de animales en situación de abandono. Día a día mueren animales de la calle por condiciones de desnutrición, accidentes de tránsito, y enfermedades generadas a raíz del descuido y desinterés de la ciudadanía (El Comercio, 2016).
El avance tecnológico en la actualidad es sorprendente y se implementa en nuevos ámbitos de la ciencia y la vida en general. Específicamente en el ámbito de la veterinaria y cuidado animal, se presentan grandes avances que buscan mejorar la calidad de vida de los animales. En los últimos años a nivel mundial se profundiza en la creación e implementación de dispositivos de ayuda y cuidado para animales, tales como mecanismos que reemplazan extremidades, sistemas de localización y rastreo, prótesis de varios tipos, equipo médico especializado en animales así como también dispositivos dispensadores de alimento y líquido vital (El Comercio, 2017).
Cabe reconocer que los mecanismos y dispositivos tecnológicos ya no están solamente dirigidos a los humanos sino también a los animales, los cuidados animales con implementación tecnológica no siempre han existido, siendo éstos creados e implementados con el paso del tiempo y nuestra mayor cercanía con el entorno animal, innovando día a día en temas de tecnología, prestaciones, viabilidad y adaptabilidad (Tendencias 21, 2016).
2 El dispositivo contará con una unidad de almacenamiento, donde se coloca el alimento en forma de croquetas, la misma está conectada a una tolva y posteriormente a un tornillo transportador, que desemboca en una bandeja de recepción, todo interconectado a un sistema de control electrónico basado en microcontroladores, que activan el sistema por tiempos determinados de acuerdo al valor monetario recolectado. Es un dispositivo de bajo consumo eléctrico, con un diseño dirigido para uso en exteriores, de fácil manipulación para el usuario, y sobretodo un dispositivo automático que busca el bienestar animal a partir de la implementación tecnológica.
En el mercado existen varios tipos de dispensadores con infinidad de prestaciones y con cierta implementación tecnológica, lo que los vuelve costosos en función de los beneficios que brindan, pero en su mayoría se dedican únicamente para mascotas y por lo tanto se usan en entornos controlados(interiores), vulnerables ante condiciones climáticas adversas y carecen de sistemas similares de reconocimiento monetario.
Para el desarrollo del presente trabajo de titulación se plateó el diseño un Dispensador Automático de Alimento para animales, en situación de abandono, a partir de la recolección y reconocimiento de monedas; que implica los siguientes objetivos específicos:
• Analizar la automatización de máquinas y procesos orientados al
bienestar animal.
• Diseñar alternativas de construcción y criterios para la fabricación de un
dispensador hermético que preserve las características del alimento.
• Implementar un diseño integral de fácil manipulación y mantenimiento. • Simplificar las alternativas de interacción usuario/máquina mediante la
implementación de un software sencillo y amigable que facilite procesos.
• Implementar tecnologías sencillas y de bajo costo para solventar
necesidades de índole social.
1.1. ESTADO DEL ARTE
Hoy en día en el mercado existen una infinidad de dispensadores de alimento para mascotas que varían características y prestaciones entre ellos, son más sofisticados con el paso del tiempo, van desde simples comederos mecánicos que dosifican manualmente el alimento, hasta dispositivos semiautomáticos con sensores, interfaz gráfica y programación previa.
3 Los mas sencillos encontrados en el mercado son dosificadores de alimento por gravedad, que cuentan con una unidad de almacenamiento y un recipiente unido al mismo que permite que el alimento fluya al recipiente a medida que el animal consume el alimento del recipiente como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Dosificador por gravedad.
(Fontenla, 2013)
Los dosificadores por gravedad se caracterizan por siempre dosificar el alimento hasta que se agota toda su capacidad, no presentan ningún tipo de control ni automatización y en su mayoría tienen una capacidad muy limitada de almacenamiento, son fabricados en materiales sencillos y de bajo costo. Dosifican todo el alimento de una vez lo que puede ocasionar problemas alimenticios en la mascota y también requieren de un llenado constante. Son de fácil transporte, no requieren alimentación eléctrica, son muy fáciles de conseguir y son económicos (González y Picazo,2014).
4
Figura 2. Dosificador Animal Planet.
(Amazon, 2016)
Marcas como PetSafe, ofrecen al mercado dispensadores con mayor capacidad y la implementación de nuevas características como es el caso del Healthy Pet Simply Feed, dosificador con capacidad de almacenamiento de hasta 10 kg de alimento, fabricado en plástico no tóxico y componentes mecánicos de acero inoxidable, capaz de ser programado para dosificar hasta por 12 veces en un día y también de programar la cantidad a dosificar desde ¼ de taza hasta 4 tazas de alimento por porción. Alimentado eléctricamente por 4 baterias de 1.5 [V] o por un adaptador de corriente, dedicado al uso en interiores y costo moderado, se muestra en la figura 3 (PetSafe, 2017).
Figura 3. Dosificador Healthy Pet Simply Feed de PetSafe.
(PetSafe, 2017)
5 mostrado en la figura 4, que es un dispensador que tiene forma de plato con 5 compartimientos para el alimento, que rota abriendo cada porción para que el animal se alimente, funciona con 4 baterías de 1.5 [V], son programables para ser accionados en horarios determinados, son portables y de bajo costo. Presentan limitaciones en la capacidad de almacenamiento de alimento, requieren ser llenados con frecuencia, están limitados a dosificar 5 porciones fijas de una taza cada una por cada llenado, limitan su alimentación a animales solamente de razas pequeñas. Fabricados en materiales como el plástico y el acero inoxidable que no alteran las características del alimento (PetSafe, 2017).
Figura 4. Dosificador de 5 Comidas de PetSafe.
(PetSafe, 2017)
A partir de los diseños y modelos disponibles en el mercado, se valoran las características determinantes que aportan mejoras e innovación para este proyecto.
Las propiedades que se valoran en los dispensadores disponibles a nivel comercial son; cantidad máxima de almacenaje, tipo de alimentación energética, implementación tecnológica, tamaño, interfaz gráfica, facilidad de uso y manipulación, conservación del alimento y sustentabilidad.
6 En la actualidad como se analizó anteriormente, podemos encontrar una gran variedad de dispositivos dispensadores de alimento con características muy parecidas, pero con muchas limitaciones, por ejemplo la mayoría son dedicadas para mascotas y no para animales callejeros, así como también requieren una programación previa por parte del usuario para un funcionamiento adecuado, los materiales que se usan en la fabricación de los dispensadores existentes no son aptos para el uso e implementación en exteriores siendo vulnerables a las condiciones climáticas, el sistema de control de los dispositivos existentes siempre requiere de un conocimiento previo para manipularlos y no almacenan grandes cantidades de alimento.
1.1.1. NUTRICIÓN EN ANIMALES CALLEJEROS
La manera en que un animal se alimenta influye tanto en su salud como en su calidad de vida, es un factor primordial que asegura su desarrollo y crecimiento óptimo, así como también influye en el correcto funcionamiento de su sistema inmune, el desarrollo del sistema óseo, el desarrollo muscular y el crecimiento adecuado acorde a la edad. Por tanto es necesario que a las mascotas, se les brinde un alimento altamente nutritivo, que sea suministrado en porciones adecuadas y a horas establecidas de acuerdo a la raza y edad del animal (Rey, 2016)
La alimentación de animales en situación de abandono es precaria, sobreviven alimentándose de basura y restos de comida encontrada en las calles, alimento que tienen que buscarlo recorriendo la ciudad sin un lugar fijo de descanso, en la mayoría de casos restos de alimentos en estado de descomposición. Además suponer el entorno al que están expuestos en condiciones climáticas adversas, víctimas de enfermedades, que ponen en riesgo su crecimiento, desarrollo y vida en general (San Martin, 2016).
Se busca compensar la falta de alimento mediante un dispensador público que suministre alimento sólido altamente nutritivo, que será accionado por los peatones que circulen por las calles a través del ingreso de monedas de varias denominaciones. Para la creación de un dispensador de alimento hay ciertos factores que deben ser analizados, varios conceptos que se relacionan en conjunto y aportan en la fabricación de dispositivos dosificadores, para ello se muestra un detalle de los mismos.
1.1.2. DISPOSITIVOS DOSIFICADORES
7 ciclo determinado en cantidades establecidas. En la actualidad existen varios tipos de dispensadores categorizados de acuerdo a su nivel de automatización, tipo de accionamiento, cantidad de almacenamiento, y de acuerdo al tipo de producto a suministrar. Todos ellos compuestos por mecanismos de apertura, sensores, actuadores eléctricos y varios componentes mecánicos y electrónicos (García, 2012).
En la mayoría de los dispensadores existen ciertos componentes en común:
• Unidad de Almacenaje • Sistemas dosificadores
• Mecanismo de accionamiento • Compartimiento evacuación
Los componentes varían a partir de los criterios de diseño aplicados en la construcción, así como también del tipo de producto a dosificar, la cantidad deseada a suministrar y varios factores considerados en el diseño.
Actualmente se pueden encontrar dispensadores de alimento muy parecidos con prestaciones similares, pero ninguno que funcione a partir del reconocimiento de monedas implementado para exteriores y de uso público.
1.1.2.1. COMPARTIMIENTO DE ALMACENAMIENTO
Es un componente hermético cuya función principal es almacenar el alimento previo al suministro, es capaz de almacenar varias cantidades de producto, preservando sus características nutricionales. Requiere un diseño inteligente a partir de factores relacionados al funcionamiento, a la capacidad de almacenamiento, resistencia y a normas de manipulación de la industria alimentaria, para una acertada selección de materiales de fabricación. El material de fabricación es un punto clave para la conservación del alimento, en la actualidad los compartimientos de almacenamiento se fabrican en plástico, acrílico, vidrio, acero inoxidable y varios materiales compuestos (Rodríguez, et al. 2014).
El compartimiento de almacenamiento debe cumplir con características básicas como:
• El material del tanque de almacenamiento no debe modificar la
composición, el color, el sabor, ni el olor del alimento almacenado.
• No debe permitir el ingreso de componentes del medio externo al área de
8
• La fabricación del tanque debe realizarse con materiales y componentes,
que se encuentran en las listas positivas de regulaciones alimenticias.
1.1.2.2. TIPOS DE DOSIFICADORES
Existen varios tipos de dispensadores fabricados de acuerdo a las características del producto, al método de dosificación y a la cantidad a dosificar. Los dispensadores de manera general se clasifican por volumen y por gravedad, ambos dosificadores trabajan de forma continua o por intervalos de tiempo. Diseñados para productos granulados y en polvo, compatibles con todo tipo de formas y densidades del producto a suministrar. (Bulker, 2015)
En la figura 5 se muestra la clasificación general de dispensadores.
Figura 5. Diagrama de tipos de dispensadores de alimento.
(Bulker, 2015)
1.1.2.3. DOSIFICADORES POR VOLUMEN
Dispositivos de suministro de producto que implementan mecanismos mecánicos para la generación de flujo de materia prima, usan tornillos de transporte, bandas, compuertas rotativas y válvulas para mover el producto. Dosifican el producto mediante una velocidad constante de flujo del producto controlando sus tiempos de funcionamiento en base al volumen dosificado (Bulker, 2015).
1.1.2.4. DOSIFICADORES POR GRAVEDAD
9 determina la cantidad de material dosificado de manera precisa (Bulker, 2015).
1.1.2.5. DOSIFICADORES DE BANDA TRANSPORTADORA
Son dosificadores de uso mundial que transportan la materia prima sobre la superficie de una banda transportadora de un extremo a otro, como se muestra en la figura 6, de forma longitudinal, siendo muy populares en el transporte de materia prima en las industrias. Poco eficientes en el transporte productos líquidos y sólidos demasiado grandes, pueden presentar derramamientos y estancamientos respectivamente (Comesaña, 2015).
Figura 6. Esquema físico de una banda transportadora.
(Directorios Industriales, 2005)
1.1.2.6. DOSIFICADORES DE TORNILLO TRANSPORTADOR
10
Figura 7. Transportador de tornillo.
(Grupo Cabo Verde, 2017)
1.1.2.7. DOSIFICADORES ROTATIVOS
Los dispensadores rotativos son sistemas sencillos fundamentados en una tolva o tanque de almacenamiento interconectado a un mecanismo rotativo que da apertura a la salida del producto, como se muestra en la figura 8, este mecanismo actúa como una compuerta rotativa que al girar libera una cantidad determinada de materia prima donde el mecanismo rotativo debe ser sencillo, funcional y resistente (León y Rueda, 2013).
Figura 8. Dispensador de compuerta rotativa.
(Consuegra y González, 2011)
1.1.2.8. ELEMENTOS GENERADORES DE FLUJO
11 producto sólido granulado, requiere elementos físicos que permitan su movimiento sin restricción y evitar atascamientos.
Entre los elementos más usados para crear un flujo en el sistema se pueden nombrar tolvas vibratorias, mecanismos rotativos, agitadores, bandas de transporte, tornillos sin fin y otros (Pinto y Durán, 2006).
Tolvas Vibratorias.- Sistemas accionados por un vibrador acoplado en la tolva que rompe la inercia del material en la tolva y genera movimiento adicional que permite fluir al producto hacia la salida (Miravete, Larrodé, Catejón y Cuartero, 2002)
Bandas de Transporte.- Sistemas de transporte dedicados al transporte de sólidos y materiales a granel, sobre un tapiz rodante, muy utilizados a nivel industrial (Miravete et al.,2002).
Tornillos de Transporte.- Elemento con forma de tornillo helicoidal que gira y crea un flujo de salida de materia prima, se caracterizan por generar un flujo constante a la salida del tornillo y se usan para la extracción de materiales desde un depósito (Miravete et al.,2002).
Mecanismos de apertura rotativos.- Elementos que permiten o interrumpen el paso de una materia prima, recolectan en la geometría de su cuerpo cierta cantidad de producto que se va liberando al momento de su rotación (Pinto y Durán, 2006).
1.1.2.9. COMPARTIMIENTO DE SALIDA
El compartimiento de evacuación del producto se encarga de recolectar el alimento dispensado que fluye por un conducto, y presenta el producto dosificado, para que el animal pueda consumirlo. Tiene forma de recipiente que permite que la cantidad de alimento dosificado no se altere, manteniéndola junta evitando derramamientos.
1.1.3. MATERIALES PARA CONSTRUCCION DE PROTOTIPOS
12
1.1.3.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Un material se caracteriza físicamente por su forma, color, tamaño, densidad, conductividad, resistencia térmica y características que vienen dadas por su estructura atómica. Las características físicas son esenciales en el diseño de elementos de máquinas, para estimar un modelo físico final (Kalpakjian y Schmid, 2002).
1.1.3.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
Describen el comportamiento de un material determinado ante esfuerzos mecánicos, como la tensión, compresión, torsión, fatigas y fuerzas a las que los materiales se exponen durante el trabajo así como también condiciones de cambios de temperatura (Groover, 1997).
1.1.3.3. TIPOS DE MATERIALES DE DISEÑO
Existe una infinidad de materiales dedicados al diseño de máquinas y elementos de las mismas, cada uno con características diferentes entre sí, características únicas de resistencia, conductividad, dureza, etc. Poseen muy variadas estructuras atómicas que brindan prestaciones para todo tipo de aplicaciones (Rodriguez, Castro y Del Real, 2006).
En la figura 9 se muestra la clasificación general de dispensadores.
Figura 9. Clasificación de materiales
13
1.1.4. SISTEMAS DE CONTROL
Sistema se define como un conjunto de partes que actúan de manera conjunta en sinergia y de manera lógica para realizar una tarea o acción, por otra parte el control se define como un agente que verifica y corrige la acción haciéndola tal como se espera a la salida del sistema. Los sistemas de control buscan estabilidad en el desarrollo de la acción con una resistencia alta a posibles errores y alteraciones que se presenten en el desarrollo de la operación (Kuo, 1996).
Existen dos tipos de sistemas control que se detallan a continuación:
Sistemas de Lazo Cerrado.- Son sistemas de control que funcionan a partir de la comparación y corrección de la señal de salida, realizan una realimentación que corrige constantemente los fallos o defectos presentes en el proceso, como se presenta en la figura 10. Estos sistemas de control se usan para procesos que requieren mayor precisión o donde el operario no puede acceder para corregir el proceso directamente, necesitan constante verificación de resultados. Caracterizados por mantener vigilado al sistema sin la presencia de una persona controlando el proceso, son más complejos que los de lazo abierto, con más alternativas y capacidad de control (Gomáriz, Biel, Matas y Reyes, 2000).
Figura 10. Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado.
(Gomáriz et al., 2000)
14
Figura 11. Diagrama de bloques de un sistema de lazo abierto.
(Gomáriz et al., 2000)
1.1.5. ELEMENTOS DE CONTROL
Los sistemas de control son indispensables en la creación de dispositivos con cierto tipo de automatización, se fundamentan en realizar los procesos del dispositivo de una manera lógica y sistemática para cumplir el ciclo de trabajo esperado. Son capaces de controlar desde pequeñas funciones como un simple movimiento hasta procesos complejos completos, que implementan elementos de control como sensores, actuadores, controladores y acondicionadores de señal que receptan información del proceso, la transforman en información que pueda interpretar el sistema de control y genera acciones de control en el proceso (Ñeco, Reinoso, García y Aracil, 2003).
A continuación se detalla brevemente los elementos de control más utilizados.
1.1.5.1. SENSOR
Dispositivo de adquisición de datos que recibe información desde una señal física o química que pueden ser vibración, esfuerzo, sonido, presión, acidez u otras señales, y a partir del principio de transformación de energía convierte la señal adquirida en otro tipo de señal, usualmente eléctrica, para ser interpretada por un controlador (Pallás, 2003).
1.1.5.2. ACONDICIONADORES DE SEÑAL
Son circuitos que transforman las señales obtenidas por los sensores en señales eléctricas de fácil medición previo al procesado. El acondicionamiento de señal parte de los datos obtenidos por el sensor que son modificados, mediante filtros, adaptadores y moduladores de señal que generan una señal apta para el procesamiento en el sistema de control (Granda y Mediavilla, 2015).
15
Figura 12. Acondicionamiento de señal.
(Jiménez, Ortiz, Posada y Carrillo, 2006)
1.1.5.3. MICROCONTROLADORES
Los microcontroladores son procesadores minúsculos en forma de chip, capaces de controlar procesos mediante operaciones lógicas, son programables y están compuestos por unidades de entrada y salida de datos, una unidad central de proceso (CPU) y memorias de almacenamiento, como se detalla en la figura 13. Son dispositivos de bajo costo, fácil implementación, así como de bajo consumo energético, dedicados en su mayoría a la realización de procesos que no requieren un nivel de automatización demasiado compleja (Benchimol, 2011).
Figura 13. Diagrama de bloques de un microcontrolador.
(Valdés y Pallás, 2007)
1.1.5.4. COMPONENTES DE UN MICROCONTROLADOR
Se conforma generalmente de tres unidades principales que se detallan a continuación:
Unidad de Memoria
16 Unidad de Proceso (CPU)
Componente primordial de un microcontrolador, su función procesar la señales eléctricas adquiridas. Decodifica y ejecuta los programas, luego genera señales de control sobre el sistema (Valdés y Pallás, 2007).
Unidades de Entrada y Salida
Son unidades que permiten la interacción del procesador con el exterior permiten la entrada de datos al procesador en forma de señales para ser procesadas, decodificadas y acondicionadas, también envían las instrucciones de control que son transmitidas por las salidas para controlar el proceso y los periféricos conectados en el exterior (Valdés y Pallás, 2007).
1.1.5.5. ACTUADORES / ACCIONADORES
Los actuadores son dispositivos que reciben señales de control enviadas por el procesador y generan algún tipo de reacción, sea esta eléctrica, física, o mecánica, la cual controla el sistema en parte o en su totalidad. Se alimentan por medio de energía suministrada al sistema de manera externa (Corona, Abarca y Carreño, 2014).
Los actuadores se clasifican de acuerdo al tipo de accionamiento que tienen, entre los más utilizados están:
• Actuadores Eléctricos • Actuadores Hidráulicos • Actuadores Neumáticos
Actuadores Eléctricos.- Son dispositivos que funcionan mediante la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, la excitación de una bobina interna dentro de un campo magnético genera el desplazamiento del actuador, como se muestra en la figura 14. Son los mas utilizados por su funcionamiento simple y no incorporan otro tipo de accionamiento que no sea eléctrico (Corona et al., 2014).
17 El motor es el actuador eléctrico más común, puede ser tanto de corriente alterna como de corriente directa, además existen varios actuadores eléctricos de uso común como son: (Corona et al., 2014)
• Motores de paso • Relees
• Motores AC • Motores DC • Servomotores
Motores de paso.- Son motores que convierten la energía eléctrica en movimiento angular, de acuerdo a las bobinas que son excitadas eléctricamente, a diferencia de los motores AC y DC que giran a su máxima velocidad cuando son conectados a una fuente eléctrica, estos manejan movimientos controlados y precisos para realizar una acción de control (Corona et al., 2014)
Relés.- Son dispositivos que funcionan a manera de interruptor controlado mediante el estímulo eléctrico de una bobina que permite o restringe el paso de la corriente, se caracterizan por soportar el paso de potencias mayores en la salida, que las utilizadas en la entrada (Kosow, 2006).
Motores AC.- Motores de funcionamiento por corriente alterna, son máquinas compuestas por un rotor y un estator, usan la energía eléctrica para crear fuerzas de giro mediante la reacción de campos magnéticos generados entre imanes que están en la carcasa del motor y el bobinado que se encuentra en el interior de motor (Corona et al., 2014).
Puede encontrarse de varios tipos:
• Motores de Jaula de ardilla. • Motores síncronos.
• Motores asíncronos.
18 Servomotores.- Son dispositivos similares a los motores DC que controlan su movimiento para localizarse en cualquier punto de su trayectoria y permanecer en una posición determinada por un tiempo definido, cuentan con cajas reductoras y limitadores mecánicos que controlan su velocidad como también su posición, poseen un circuito de control y se caracterizan por ser de bajo consumo eléctrico (Balcells y Romeral, 1997)
Actuadores Neumáticos.- Son dispositivos que transforman la energía almacenada del aire comprimido en movimientos mecánicos a partir del flujo de aire, son muy similares en funcionamiento a los actuadores hidráulicos, pero al usar aire están dedicados a usos de menor fuerza en su acción (Guillén, 1993).
En la figura 15 se muestra la clasificación general de actuadores neumáticos.
Figura 15. Clasificación de actuadores neumáticos.
(Mejía, 2012)
19 compresión, en movimientos mecánicos, en la mayoría de casos el fluido usado es aceite, trabajan siguiendo la Ley de Pascal, que detalla que la presión que se aplica a un fluido se transmite a todos los puntos del fluido transmitiendo la misma fuerza (Corona et al., 2014).
En la figura 16 se muestra la clasificación general de los actuadores hidráulicos.
Figura 16. Clasificación de actuadores hidráulicos.
(Pinto y Durán, 2006)
1.1.5.6. TRANSMISIÓN DE POTENCIA
Un actuador puede transmitir un movimiento deseado directamente sobre algún mecanismo, pero existen casos en donde un accionamiento directo no es aconsejable o viable dentro del diseño, para lo cual se necesitan mecanismos de transmisión de potencia.
Un actuador necesita un mecanismo de transmisión de potencia, cuando la fuerza y velocidad brindada por el actuador no son las esperadas, también cuando el actuador es demasiado voluminoso y altera el diseño realizado de la máquina. Cuando suceda esto se implementan dispositivos adaptables que brindan la posibilidad de transmitir, reducir o aumentar la potencia generada por el actuador (Pinto y Durán, 2006).
20
Figura 17. Tipos de transmisores de potencia.
21 El presente trabajo de titulación implementó la metodología en V, fundamentada en la Ingeniería Mecatrónica, que representa detalladamente los pasos indispensables en el desarrollo y ciclo de vida de un proyecto mecatrónico.
En la siguiente figura 18, se observa la representación de un sistema en V, llamada así por su objetivo de validación y verificación.
Esta metodología representa en la parte izquierda del diagrama, los requerimientos y especificaciones del sistema, continúa con el diseño del sistema e involucra todos los conocimientos requeridos en el ámbito de la mecatrónica, mientras que en la parte derecha del diagrama se ve representada la implementación de piezas y diseños desarrollados, con una respectiva validación de funcionamiento y viabilidad en la implementación.
Figura 18. Diagrama de metodología en V.
(Pepe, 2016)
22
2.1. REQUERIMIENTOS
Requerimientos.- Se partió de la identificación de uno o varios requerimientos solicitados por algún grupo interesado, conocidos como stakeholders, en este caso particular la necesidad fue:
• Crear un dispensador automático de alimento para perros callejeros
implementando nuevas tecnologías que beneficien y ayuden a solventar temáticas sociales.
Stakeholders.- Los stakeholders fueron los interesados, involucrados y participantes en solventar la necesidad inicial, que para este proyecto en particular fueron:
• Usuarios del dispensador
• Inversionistas en la creación del proyecto
• Personal de fabricación y mantenimiento de la máquina • Animales de la calle
• Fundaciones de cuidado y protección animal • Compradores de la máquina
Una vez determinadas las necesidades y los interesados en la construcción del proyecto se procedió al diseño estimado del sistema.
2.2. DISEÑO ESTIMADO DEL SISTEMA
Diseño del sistema.- El diseño del sistema empezó por analizar la necesidad principal para satisfacerla completamente, se consideró todas las posibles soluciones para satisfacer la necesidad original y se buscó alternativas de bajo costo que sean objetivas y funcionales sin alterar el producto final dosificado. Se inició con la identificación de funciones implícitas dentro de todo el proceso.
23 Función principal:
• Suministro controlado de alimento
Subfunciones:
• Reconocimiento mecatrónico de monedas • Dosificación controlada por tiempo
• Extracción del alimento del depósito de almacenamiento • Medición de alimento en tanque
Componentes para solución.- Los componentes para solución son todos aquellos mecanismos, partes o ensambles que buscan facilitar el cumplimiento del requerimiento inicial, cada uno de ellos realiza una función específica que aporta en la solución del problema, en los que a partir de una condición inicial se espera modificarla y obtener una condición final deseada. Se pueden representar mediante diagrama de bloques en donde se ve la secuencia de solución y los componentes que actuaran en cada etapa buscando resolver las etapas del sistema.
Las subfunciones en este caso se relacionaron al método de dosificación, alimentación eléctrica, uso de materiales, diseño exterior, elección de estructuras e implementación de un sistema de control.
En la figura 19 se muestra el funcionamiento general del dispensador.
Figura 19. Función principal de dispensador.
24
Figura 20. Diagrama de bloques del esquema eléctrico del dispensador.
El funcionamiento eléctrico del dosificador, inició con una alimentación de 120 Voltios AC que se transformó en 12 Voltios DC, que alimenta un tragamonedas electrónico, compuesto por una serie de sensores electromagnéticos y mecánicos que validan la moneda ingresada generando pulsos de acuerdo a las características físicas de la moneda, la señal se transmite a la tarjeta de control que interpreta y genera una acción de suministro de alimento sobre los actuadores y genera la dosificación que es validada por el sensor de suministro que emite alertas de funcionamiento y dosificación al usuario.
25 El sistema mecánico y su accionamiento dependen de las señales que ordene el sistema electrónico, el esquema mecánico empieza en la unidad de almacenamiento donde se reúne el alimento a espera de ser suministrado, que se conecta a generadores de flujo interior que rompen la inercia del solido granulado para dirigirse a un sistema de dosificación accionado por un tornillo sin fin de transporte, que genera un flujo de evacuación hacia un plato recolector que agrupa el alimento para el animal.
La combinación entre sistemas electrónico y mecánico buscó solventar el requerimiento esencial de suministrar alimento mediante el reconocimiento de monedas, en cantidades proporcionales al valor ingresado.
Factores para analizar.- En el diseño de cualquier máquina de acuerdo a esta metodología, se consideran factores que pueden dificultar el desarrollo del diseño del proyecto, como son:
• Peso que soportará la máquina
• Cantidad máxima de almacenamiento • Método de dosificación
• Capacidad de mantenimiento • Posible presencia de fallos • Vida útil de la máquina
Resultado de diseño estimado del sistema.- Se determinaron factores para la construcción de la máquina, el funcionamiento y la secuencia lógica que deberá presentar el proceso para cumplir con todas las funciones requeridas al final.
En el caso particular del dispensador se determinó un diseño estimado con una unidad almacenamiento de 50 kg de capacidad, con generadores de flujo internos, que dispensará comida a través de un tornillo de transporte activado por pulsos generados desde un tragamonedas electrónico, que dosifica cantidades de alimento proporcionales al valor monetario ingresado.
2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA
26 En esta fase de la metodología se realiza un diseño eléctrico y mecánico detallado, así como también un modelado del dispensador determinando aspectos físicos que determinan la forma y función final del dispensador.
Resultados del diseño específico.- El diseño específico muestra definidas las formas, tamaños y funcionamiento esperado, de todas los componentes que forman el dispensador definitivo.
2.4. INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
La fase de integración de sistemas combina todos los subprocesos necesarios para cumplir el objetivo principal, conecta componentes, mecanismos y piezas involucradas en el desarrollo del proyecto para construir el dosificador.
Se creó un sistema total, donde se reconocieron posibles incompatibilidades y fallos entre los subsistemas que se integrarán, en esta metodología se pueden integrar los sistemas de varias formas:
• Integrar elementos separados.- Se integran los elementos como
accionadores, motores, mecanismos, sensores y componentes que van conectados a una alimentación eléctrica y a señales de control, también se integran sistemas de comunicación como cables y buses de información, considerando posibles fallos como cortes o errores de comunicación que alterarían la integración.
• Integración de módulos.- La integración de módulos se refiere a la
integración de componentes estándar que vienen en tamaños y características específicas, intercomunicados con sockets y conexiones estandarizadas. Sus capacidades y volumen varían de acuerdo al tipo de modulo y sus características internas.
• Integración espacial.- Hace referencia a una implementación de todos
los sistemas en un solo cuerpo, de manera compacta, buscando ocupar el mínimo espacio posible sin interferir con el funcionamiento óptimo del sistema total. Se toman en cuenta las posibles limitaciones y defectos que se presentan en la implementación total como ruidos, vibraciones, sobrecalentamiento, etc.
27
2.5. VERIFICACIÓN DE PROPIEDADES
La verificación de propiedades consiste en la comprobación del cumplimiento de la necesidad y requerimientos iniciales, validando los procesos implícitos en la solución mediante simulaciones, tomas de datos y comparación de datos obtenidos con datos esperados.
Comprobación.- Se demuestra mediante pruebas que el objetivo del proyecto se cumpla de manera real, determinando que el dosificador es adecuado para satisfacer la dosificación de alimento.
Validación.- Analiza si el sistema final cumple con los requerimientos de funcionamiento iniciales, y con las características establecidas en el proceso de diseño y construcción del proyecto, determinando si son adecuados los métodos que construyen el proyecto.
Hardware in the loop.- Involucra a una simulación o prueba en tiempo real que permite la comprobación del sistema físico.
Software in the loop.- Involucra una simulación en tiempo real que permite la comprobación del software de control del sistema.
2.6. PRODUCTO
28
29 A continuación se detallaron todos los requerimientos, características, y factores que influyen en el diseño de un dispensador automático de alimento para animales. Se determinaron las acciones y procesos necesarios para el cumplimiento de la función principal y secundarias implícitas en el sistema total.
Se analizaron los parámetros de diseño que buscan selección de componentes idóneos, sencillos y funcionales que aporten en la construcción de un dosificador de alimento.
3.1. REQUERIMIENTOS
Son características indispensables del proyecto, pueden ser componentes para el funcionamiento esperado del dosificador o propiedades requeridas para el comportamiento ideal de la máquina.
A partir de la información recopilada se nombró los requerimientos del sistema:
• Accionamiento mediante la recolección de monedas. • Reconocimiento electrónico de dinero.
• Implementación tecnológica en el cuidado animal.
• Diseño dedicado a animales de cualquier raza y tamaño.
• Capacidad de dosificación de sólidos granulados sin interrupciones y
atascamientos.
• Admisión todo tipo de alimentos granulados presentes en el mercado. • Implementación de una interfaz sencilla que no requiera conocimientos
previos.
• Suministro controlado de alimento.
• Capacidad de soportar condiciones climáticas de exteriores.
3.2. CARACTERIZACIÓN
Se establecieron las características necesarias para el cumplimiento de las necesidades en el proyecto siendo estas concretas y cuantificables. Cada una de estas especificaciones buscaron satisfacer una o varias necesidades.
30
Tabla 1. Agentes de diseño requeridos. Agente de
diseño
Valor Cuantificable Unidad Detalle
Tamaño del animal
Pequeños 3kg - 15kg Medianos 15kg – 30kg
Grandes >30kg
kg Tamaño de animales (perros).
Croquetas
almacenadas 50 kg kg
Cantidad en peso de alimento almacenado
Tamaño del dosificador
Largo 120 cm Ancho 90 cm Profundidad 35 cm
cm Tamaño ocupado por el dosificador
Tamaño promedio del
alimento
10 mm – 13 mm mm
Tamaño diametral promedio del alimento
granulado
Cantidad
dosificada 150 g/s g/s
Cantidad que el dispensador puede suministrar en t=1s Volumen de la
unidad de
almacenamiento 378000 𝑐𝑚! 𝑐𝑚!
Volumen admitido por el tanque de almacenamiento
Alimentación
Eléctrica 12 V V
Tipo de alimentación eléctrica y voltaje del
dispensador Cantidad de animales alimentados > 100 animales
Número de animales que se benefician del
dosificador
Peso del
dosificador 30 kg kg
Peso del dosificador
Edad del
usuario > 10 años años
Edad mínima para manipular del
dosificador
A través de la caracterización se establecieron propiedades específicas con las que debe cumplir el diseño del dosificador.
3.3. FUNCIONAMIENTO
31 En el diseño del dosificador de alimento, se realizaron varios procesos por separado y luego fueron interconectados para generar la dosificación controlada de alimento.
Se definió el orden lógico para el desarrollo del dosificador mediante un diagrama de bloques que muestra las entradas, el proceso y la salida del proceso de dosificación, mostrado en la figura 23.
Figura 23. Diagrama de entradas y salidas del dosificador.
3.3.1. SUBSISTEMAS IMPLÍCITOS
Segmentar el sistema de funcionamiento total es ideal, determinó y resolvió las tareas específicas a lo largo del desarrollo del proyecto, se analizó cada fase por partes, transformando entradas en salidas deseadas por medio de procesos independientes.
Los principales subsistemas que serán los encargados de complementar el sistema total son:
3.3.1.1. SUBSISTEMA DE ALMACENAJE
Sistema dedicado al almacenamiento, conservación y disponibilidad del alimento, para su posterior suministro.
3.3.1.2. SUBSISTEMA DOSIFICADOR
32
3.3.1.3. SUBSISTEMA ENERGÉTICO
Sistema encargado de acondicionar y alimentar eléctricamente a los componentes utilizados en el sistema como accionadores, sensores, motores, circuitos, entre otros.
3.3.1.4. SUBSISTEMA CONTROLADOR
‘Sistema encargado de la activación de componentes que generan una acción de control en el dispensador, accionado mediante señales electrónicas, es capaz se ser autómata mediante una programación previa.
3.3.1.5. SUBSISTEMA DE RECONOCIMIENTO DE DINERO
Sistema encargado de recibir e identificar monedas, evalúa el valor monetario ingresado y genera pulsos eléctricos que se envían al subsistema de control.
3.3.1.6. SUBSISTEMA DE RECOLECCIÓN DE ALIMENTO
Sistema dedicado a recolectar, preservar y poner a disposición del animal, el alimento dosificado.
3.3.1.7. SUBSISTEMA DE ALERTA
Sistema que emite alertas sonoras cuando se suministra de alimento hacia la salida.
33
3.3.2. INTERACCIÓN DE SISTEMAS
En la figura 24, se muestra la interacción de sistemas implicitos en el dosificador de alimento.
Figura 24. Diagrama de interrelación de sistemas.
En la figura 25, se muestra el diagrama de bloques del funcionamiento del dosificador.
Figura 25. Diagrama de bloques del funcionamiento del dosificador.
A partir de los diagramas anteriores se determinó las entradas, salidas y el proceso requerido para la solución de cada uno de los subsistemas implícitos en el sistema total.
3.3.2.1. SUBSISTEMA DE ALMACENAJE
Entradas: Alimento granulado (croquetas). Salidas: Subsistema dosificador.
