II
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA EL SELLADO DE CAFÉ CON AZÚCAR EN FUNDAS DE PAPEL FILTRO”
TESIS PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
AUTOR: DARÍO FRANCISCO MENA POLO
DIRECTOR DE TESIS: ING. VLADIMIR BONILLA
QUITO - ECUADOR
III
DECLARACIÓN
Del contenido del presente trabajo se responsabiliza
Darío Francisco Mena Polo
_____________________________
IV
CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS
Este trabajo fue supervisado y dirigido por
Ing. Vladimir Bonilla
V
AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida y unos padres incondicionales quienes me han permitido estudiar
y seguir una carrera para ser un buen profesional y una persona de bien.
A mi director de tesis Ing. Vladimir Bonilla quien siempre ha sido un amigo guiándome por
el camino correcto para la culminación de este trabajo.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial y a sus profesores por compartir sus
conocimientos a lo largo de la carrera y por ser amigos incondicionales, pues siempre
estuvieron prestos a responder cada inquietud reforzando lo aprendido.
Agradezco de manera especial al colegio San Francisco donde realicé mi educación
secundaria, por brindarme todo el conocimiento necesario y tener las bases muy bien
VI
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado a mis padres Iván y Nancy, por apoyarme a lo largo de mi vida y
sobre todo en mi carrera, quienes han sido un pilar fundamental para la culminación exitosa
en mi vida profesional, sin ellos esto no hubiera sido posible.
Dedico de manera especial a mi familia, Alejandra por estar junto a mí y apoyarme en todo
y a mis hijos Francisco y Alejandro ya que son mi inspiración y la razón de luchar cada día.
A mis hermanos Wladimir y Xavier, por ayudarme en momentos difíciles durante mi
carrera y en el desarrollo de este trabajo, quienes son un ejemplo a seguir. Y demás
familiares y amigos quienes estuvieron a mi lado dándome palabras de aliento, las mismas
VII
ÍNDICE GENERAL
CARÁTULA……….II
DECLARACIÓN………III
CARTA DEL DIRECTOR DE TESIS……….IV
AGRADECIMIENTO....………...………...V DEDICATORIA……..………….………..………....VI
ÍNDICE GENERAL…….………....VII
ÍNDICE DE CUADROS………...XIII ÍNDICE DE FIGURAS………...XIV
ÍNDICE DE FOTOS………...XV
ÍNDICE DE GRÁFICOS……….………...XVI
ÍNDICE DE TABLAS……….………...XVII
ÍNDICE DE ANEXOS……….XIX RESUMEN………...XX
VIII
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CAPÍTULO I ... 1
1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1ANTECEDENTES ... 1
1.2.SISTEMATIZACIÓN ... 2
1.2.1. Diagnóstico ... 2
1.2.2. Pronóstico ... 3
1.2.3. Control Del Pronóstico ... 4
1.3.FORMULACIÓNDELPROBLEMA ... 5
1.4.OBJETIVOS ... 5
1.4.1. Objetivo General ... 5
1.4.2. Objetivos Específicos ... 6
1.5.JUSTIFICACIÓN ... 6
1.6.ALCANCE ... 7
1.7.FACTIBILIDAD ... 9
1.7.1. Factibilidad Técnica ... 9
1.7.2. Viabilidad... 12
CAPÍTULO II ... 16
2. MARCO TEÓRICO ... 16
2.1MATERIAPRIMA ... 16
IX
2.2.1 Máquinas Dosificadoras ... 20
2.2.1.1 Dosificador Por Peso ... 21
2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín ... 22
2.2.1.3 Dosificador Por Pistón ... 22
2.2.1.4 Dosificador Por Volumen ... 23
2.2.2 Máquinas Selladoras ... 24
2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales ... 24
2.2.2.2 Técnicas De Sellado ... 25
2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión ... 26
2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente ... 27
2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido ... 27
2.3MATERIALESINDICADOSPARAELCONTACTOCONALIMENTOS ... 28
2.3.1 Aceros Inoxidables ... 28
2.3.2 Papel Filtro ... 30
2.4CONTROLDELASMÁQUINAS... 31
2.4.1 Microcontrolador ... 31
CAPÍTULO III ... 34
3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA ... 34
3.1ANÁLISISDEREQUERIMIENTOSDELPROYECTO ... 34
3.1.1 Análisis De La Máquina ... 35
3.1.2 Estructura De La Empacadora ... 36
X
3.1.2.2 Sistema Dosificador ... 38
3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador ... 38
3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador ... 39
3.1.2.2.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Dosificador ... 45
3.1.2.3 Sistema Sellador ... 47
3.1.2.3.1 Módulo Del Sistema Sellador ... 47
3.1.2.3.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Sellador ... 48
3.1.2.3.3 Lógica De Funcionamiento Del Sistema Sellador... 54
3.1.2.4 Control De La Máquina ... 56
3.1.2.5 Fuentes De Alimentación ... 56
3.2DISEÑOSIMULTÁNEODELOSCOMPONENTESMECATRÓNICOSDEL PROYECTO ... 57
3.2.1 Sistema Mecánico ... 57
3.2.2 Sistema Dosificador ... 58
3.2.2.1 Hardware Del Sistema Dosificador ... 58
3.2.2.2 Software Del Sistema Dosificador ... 60
3.2.3 Sistema Sellador ... 61
3.2.3.1 Hardware Del Sistema Sellador ... 61
3.2.3.2 Software Del Sistema Sellador ... 64
3.2.4 Simulación ... 65
XI
3.2.4.1.1 Simulación De Sistema Dosificador ... 66
3.2.4.1.2 Simulación De Sistema Sellador ... 68
3.2.5 Sistema Eléctrico ... 71
3.2.5.1 Panel De Control ... 71
CAPÍTULO IV ... 73
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO ... 73
4.1CONSTRUCCIÓNDELPROTOTIPO ... 73
4.2PRUEBASYRENDIMIENTODELPROTOTIPO ... 76
4.2.1 Verificación Del Peso Y Tiempo Del Producto Dosificado ... 77
4.3MANUALDEFUNCIONAMIENTO ... 83
4.3.1 Descripción De La Máquina ... 83
4.3.2 Identificación De Los Componentes De La Máquina ... 84
4.3.3 Condiciones Generales De Operación ... 84
4.3.4 Instrucciones De Seguridad De La Máquina ... 86
4.3.5 Funciones De Los Componentes Principales De La Máquina. ... 87
4.3.5.1 Componentes Del Sistema Dosificador ... 87
4.3.5.2 Componentes Del Sistema Sellador ... 88
4.3.6 Panel De Control ... 88
4.3.6.1 Distribución Del Panel De Control ... 88
XII
CAPÍTULO V ... 92
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 92
5.1CONCLUSIONES ... 92
5.2RECOMENDACIONES ... 93
XIII
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas de
aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos... 30
Cuadro No. 2. Pesos dosificados en las cinco fundas ... 78
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura No. 1. Café ... 16
Figura No. 2. Azúcar ... 17
Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza ... 21
Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín ... 22
Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón... 23
Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica ... 24
Figura No. 7. Selladora manual... 25
Figura No. 8. Selladora por fusión ... 26
Figura No. 9. Selladora por aire caliente... 27
Figura No. 10. Selladora por cosido... 28
Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable ... 29
Figura No. 12. Funda de papel filtro ... 31
XV
ÍNDICE DE FOTOS
Foto No. 1. Módulo general del sistema ... 37
Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador ... 39
Foto No. 3. Módulo del sistema sellador ... 48
Foto No. 4. Silo de almacenamiento ... 57
Foto No. 5. Palanca de sellado ... 58
Foto No 6. Panel de control interior ... 72
XVI
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema... 36
Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina ... 36
Gráfico No. 3. Secciones del silo ... 41
Gráfico No. 4. Diagrama de flujo de lógica de funcionamiento de sistema dosificador ... 45
Gráfico No. 5. Diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema sellador ... 54
Gráfico No. 6. Esquema de hardware del sistema dosificador ... 60
Gráfico No. 7. Esquema de hardware del sistema sellador ... 64
Gráfico No. 8. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema dosificador .. 66
Gráfico No. 9. Simulación en condiciones iniciales de falta de producto en el silo ... 67
Gráfico No. 10. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema dosificador .... 67
Gráfico No. 11. Simulación de aviso de falta de producto en el silo de almacenamiento ... 68
Gráfico No. 12. Simulación de hardware de condiciones iniciales del sistema sellador ... 69
Gráfico. No 13. Simulación de la niquelina en condiciones iniciales ... 69
Gráfico No. 14. Simulación de hardware del sensado de funda del sistema sellador ... 70
Gráfico No. 15. Simulación de la niquelina al sellar la funda ... 70
Gráfico No. 16. Componentes principales de la máquina ... 84
XVII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores ... 9
Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado ... 10
Tabla No. 3. Comparación de motores ... 10
Tabla No. 4. Comparación de sensores ... 11
Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual ... 11
Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación ... 12
Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina ... 12
Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor. ... 13
Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo. ... 14
Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina ... 15
Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina ... 34
Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador ... 44
Tabla No. 13. Tamaño de la funda de papel filtro en centímetros ... 52
Tabla No. 14. Características técnicas de los componentes del sistema sellador ... 52
Tabla No. 15. Componentes de hardware del sistema dosificador ... 58
Tabla No. 16. Componentes de hardware del sistema sellador... 62
Tabla No. 17. Materiales para la construcción de la máquina. ... 73
Tabla No. 18. Datos del peso dosificado en diez fundas con un peso de 11 gramos ... 77
Tabla No. 19. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto ... 77
XVIII
Tabla No. 21. Datos del peso dosificado en cinco fundas con un peso de 11 gramos
(proceso manual) ... 80
Tabla No. 22. Número de fundas que dosifica y sella en 1 minuto (proceso manual) ... 81
Tabla No. 23. Tiempos de dosificado y sellado en 10 fundas elaboradas por un proceso
manual ... 82
XIX ANEXOS
Anexo 1: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 311 Estándar
Anexo 2: Datasheet (hoja de datos) del servomotor Hitec – HS 755HB
Anexo 3: Datasheet (hoja de datos) del sensor de presencia QRD1114
Anexo 4: Información general del Pic 16F877A
Anexo 5: Fotos de construcción del prototipo
Anexo 6: Planos de diseño del prototipo
XX RESUMEN
El café y el azúcar son alimentos que se consumen habitualmente, los cuales son
procesados para obtener diferentes productos, por lo tanto, se necesita de maquinaria para
la elaboración de éstos.
Ésta tesis se basa en el diseño y construcción de un prototipo de una máquina
semi-automática para dosificar café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El objetivo es
llegar a implementar ésta máquina en una empresa relacionada con este tipo de producción,
cuyos procesos sean realizados de forma manual para disminuir costos de producción.
Éste prototipo fue diseñado de tal manera que un operador sea capaz de manejarlo. Consta
de dos módulos, uno es el sistema dosificador y el otro es el sistema sellador. Se construyó
por medio de un análisis de cada uno de sus componentes, dependiendo de su
funcionamiento y su costo, para que llegue a ser competitivo en el mercado de éste tipo de
empacadoras.
El prototipo ha sido sometido a pruebas, tomando en cuenta su rendimiento en comparación
XXI SUMMARY
Coffee and sugar are commonly consumed foods, which are processed for different
products, therefore, is required machinery for the production of them.
This thesis is about the design and construction of a machine as prototype for dispensing
coffee with sugar in filter paper bags and seal them. It´s objective is to implement this
machine in a company connected with this production, whose processes are carried out
manually to reduce production costs.
This prototype was designed so that an operator could be able to handle it. It consists in two
modules, one is the feeder system and the other is the sealant system. It was constructed
through an analysis of each of its components, depending on their performance and cost to
become competitive in the market for this type of packing.
The prototype has been tested, taking into account its performance against the performance
1 CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
A continuación se presenta un breve análisis de la maquinaria necesaria para obtener un
producto final, relacionado con alimentos de consumo humano dentro del Ecuador.
1.1 ANTECEDENTES
Debido a la ubicación geográfica del Ecuador, su café es de los mejores producidos en
América del Sur y de los más demandados en Europa, al igual que el Cacao. Por otro lado,
la mayor parte de la demanda del café se encuentra desde hace tiempo concentrada en
pocas empresas estadounidenses y europeas que compran café verde para luego procesarlo,
mezclarlo y venderlo con mayores precios. Ecuador al ser un país altamente productivo, se
plantea la industrialización del café producido por los ecuatorianos, para eliminar la
importación de este producto ya procesado, consumiendo y apoyando lo nuestro. En un
futuro se podría exportar el café procesado, ya no solo como materia prima, sino con un
valor agregado para el resto del mundo.
Actualmente en el Ecuador solo las grandes empresas tiene la posibilidad de acceder a la
tecnología necesaria para producir el café en fundas de papel filtro por sus altos costos de
inversión, y las empresas pequeñas tienen una desventaja tecnológica para lanzar nuevos
productos al mercado, por lo que es importante la implementación de maquinaria de fácil
2 1.2. SISTEMATIZACIÓN
A continuación se presenta un diagnóstico, pronóstico y control del pronóstico de la
situación actual de las empresas ecuatorianas que trabajan con maquinaria para la
elaboración de un producto.
1.2.1. Diagnóstico
En la actualidad existen empresas dedicadas a la manufactura de productos alimenticios, y
Ecuador al ser un país rico en materia prima es fundamental poder implementar procesos
que transformen a dicha esta en productos elaborados.
La industria cafetera en el Ecuador es poco reconocida a pesar de que este sea uno de los
pocos países que posee café de alta calidad, pero los procesos de transformación del mismo
han dado lugar a que este tenga propiedades organolépticas inferiores, pues en otros países
los procesos productivos son más eficientes y cada día los están renovando, por lo tanto es
imprescindible crear máquinas innovadoras las cuales puedan ayudar a que las empresas de
nuestro país sobresalgan en la industria cafetera, especialmente aquellas que ya tiene un
mercado establecido para poder aumentar su producción logrando satisfacer las necesidades
requeridas, y no solo exportar materia prima, sino que también se pueda brindar al resto del
mundo un producto procesado de alta calidad.
Las máquinas que se usan para la elaboración de un producto son muy costosas ya que la
mayoría son fabricadas en países desarrollados y su costo de importación es muy elevado,
3
dichos costos y tendrían la facilidad de adquirirla, beneficiando al aumento de volumen de
producción.
1.2.2. Pronóstico
Las pequeñas empresas cafeteras continuarían con procesos manuales, por lo que sus costos
de producción serían muy altos obteniendo productos con limitaciones de competencia en
el mercado, por lo que se plantea la implementación de esta máquina para tratar de reducir
sus costos de producción.
Si la empresa, con procesos manuales produce un volumen de 4 unidades por minuto, se
espera que al implementar la máquina, aumente su volumen a 8 fundas por minuto, lo cual
representa un 50% aproximadamente de aumento en la producción.
Al no implementar este sistema, las empresas seguirían pagando a 2 o más operadores por
realizar el mismo proceso, obteniendo un volumen limitado de producción, por lo que se
plantea que 1 solo operario lo puede realizar.
La empresa se limita al crecimiento de su producción por tener procesos manuales,
especialmente cuando se tiene un mercado estable y en aumento.
La calidad del producto puede variar cuando se lo elabora manualmente, en cambio con
esta máquina siempre elaborará un mismo producto.
Al implementar esta máquina se puede disminuir factores de contaminación cruzada con
una adecuada desinfección de esta, en cambio cuando se trabaja con varios operadores el
4 1.2.3. Control Del Pronóstico
Actualmente los procesos en varias pequeñas empresas cafeteras se los realiza
manualmente, a pesar de que tienen un mercado establecido pero con una limitada
producción, en la cual se puede implementar una máquina que dosifique y selle café con
azúcar en fundas de papel filtro, ya que dentro de dicha empresa existen varias desventajas
por no implementar ningún tipo de máquina. Para llegar a obtener el producto sellado y
dosificado se necesitan algunos pasos:
En un proceso manual, el primer paso a seguir es coger el producto con un recipiente que
tenga aproximadamente la cantidad requerida y colocarlo dentro de una funda de papel
filtro, lo cual se demora 5 segundos, el que puede ser reemplazado por un dosificador el que
consiste en almacenar el producto en un silo, el cual deja caer automáticamente la cantidad
exacta al momento que una funda de papel filtro se la coloca en la parte inferior. Por lo
tanto, al implementar un dosificador se puede ahorrar 4 segundos aproximadamente, y
además en el proceso manual, la cantidad llenada con el recipiente no es siempre igual a
cantidad requerida, por lo que es necesario quitar o aumentar café hasta lograr la cantidad
exacta.
En el proceso manual, el segundo paso a seguir es colocar la funda papel filtro en un
sellador y presionar la palanca para sellarla, lo cual se demora 4 segundos
aproximadamente, el que se puede reemplazar por un sellador automático el que consiste en
colocar la funda de papel filtro bajo el sellador donde se encuentra un sensor de presencia,
5
tanto, al implementar un sellador automático se puede obtener un buen sellado ya que se
mantiene presionada la palanca 0,8 segundos, el que se puede regular dependiendo del tipo
de material de la funda, ya sea un plástico delgado, plástico grueso, papel filtro, etc.
Con la implementación una máquina que dosifique y selle café con azúcar en fundas de
papel filtro las empresas procesadoras de café obtendrán grandes beneficios. Pues esta
máquina será de gran ayuda para poder aumentar la productividad de la empresa ya que 1
sola persona capacitada puede manejarla, lo cual hace que en la empresa se disminuya la
mano de obra y por lo tanto los costos de producción bajarían y las utilidades crecerían.
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Es posible aumentar el volumen de producción en un 50% reemplazando los procesos
manuales por un prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro en
una empresa cafetera manufacturera?
¿Es posible disminuir costos de producción al implementar un prototipo para el sellado de
café con azúcar en fundas de papel filtro en una empresa cafetera manufacturera?
1.4. OBJETIVOS
A continuación se presentan los objetivos del presente trabajo:
1.4.1. Objetivo General
Construir un prototipo de una máquina dosificadora y selladora de café con azúcar
6 1.4.2. Objetivos Específicos
Recopilar información acerca del diseño y construcción de máquinas dispensadoras
y selladoras de un producto.
Diseñar y construir el sistema de dispensado en las fundas pequeñas de papel filtro.
Diseñar y construir el sistema de sellado de las fundas pequeñas de papel filtro.
Implementar los sistemas de dosificado y sellado en la estructura metálica.
1.5. JUSTIFICACIÓN
Para las empresas ecuatorianas manufactureras que se encuentran en la producción continua
de un producto, es indispensable poseer maquinaria que ayude a la fabricación del mismo,
ya que con procesos manuales la calidad el producto puede variar y su producción podría
ser muy costosa.
Las pequeñas empresas cafeteras que poseen un mercado definido, se encuentran en la
necesidad de mejorar y aumentar su producción con productos ya establecidos en el
mercado y ofreciendo productos innovadores, por lo que se ha resuelto construir un
prototipo semiautomático que dosifique y selle café con azúcar en una funda de papel filtro,
el cual ayuda a obtener una producción de mejor calidad, mayor volumen y con bajos
costos.
Actualmente existen empresas grandes que han surgido a lo largo de su trayectoria, y se han
7
con el tiempo han crecido y han adquirido maquinaria que sirva como ayuda para su
producción, logrando colocarse en una posición de alta competencia en el mercado actual.
Además existen empresas que han tratado de crecer con procesos manuales, pero su
mercado es limitado debido a la cantidad de productos fabricados, por lo que deberían
implementar maquinaria que les ayude a satisfacer a la mayor parte del mismo
incrementando su volumen de producción, para lo cual no se necesita de manera obligatoria
una máquina de alta tecnología, sino un sistema que sea de fácil adquisición por su costo y
sea capaz de producir lo suficiente para la satisfacer las necesidades requeridas.
Finalmente, la implementación de un prototipo semiautomático que dosifique y selle café
con azúcar en una funda de papel filtro, en cualquier empresa manufacturera cafetera podría
ser muy importante por las ventajas de dosificado y sellado automáticos, siendo un sistema
más económico en comparación con maquinaria extranjera que realiza el mismo trabajo, la
cual únicamente cuenta con la supervisión de un operador capacitado para su manejo, sin la
necesidad de tener a varias personas en procesos diferentes, ya que de esta manera la
empresa se puede ahorrar el pago a cada uno de ellos, logrado un beneficio al implementar
el sistema propuesto.
1.6. ALCANCE
El prototipo planteado consiste en un sistema semiautomático cuyo objetivo es dispensar
café con azúcar en fundas de papel filtro y sellarlas. El prototipo tendrá una estructura
metálica de 52 cm de alto, 50 cm de ancho y 30 cm de profundidad, la cual se encontrará
8
de sellado, las mismas que tienen un funcionamiento independiente. El sistema de
dosificado tendrá un silo de acero inoxidable para almacenamiento del producto, en el cual
se colocará un sensor de presencia QRD1114 en la salida para detectar la funda de papel
filtro y activar al servomotor Hitec HS-311 permitiendo la apertura de la compuerta del
silo. El llenado del silo con producto se lo realiza manualmente. La funda a dosificar debe
llegar a una distancia de 1 centímetro del sensor para que pueda ser detectada. Una vez que
la funda sea dosificada, debe ser retirada inmediatamente, ya que el sistema puede llegar a
sensar y dosificar la misma funda. El sistema de sellado tendrá un sensor de presencia
QRD1114, el cual detectará la funda de papel filtro con café y azúcar, para activar a dos
servomotores Hitec HS-755HB, y colocar sus ejes en una determinada posición por medio
de software para unir la palanca de sellado con la niquelina fija en la estructura. La
niquelina se activa cuando el fin de carrera es presionado por uno de los brazos de la
palanca de sellado. El tiempo de encendido de la niquelina depende del tiempo que el fin de
carrera se encuentra presionado, el cual es controlado por medio de la programación al
momento de girar los ejes de los servomotores. La parte superior de la funda de papel filtro
debe llegar al tope máximo de sellado para que sea detectada por el sensor y ser sellada con
la respectiva palanca. Los sistemas dosificador y sellador utilizan dos microcontroladores
que son pic 16F877A en los que se encuentran los programas respectivos, realizados en
programa Protón. El panel de control contará con un interruptor ON/OFF para encender o
apagar la máquina al igual que tendrá luces piloto para que el operador verifique el
funcionamiento del proceso de dosificado y sellado y un paro de emergencia general del
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apropiado para la comodidad del operador. El prototipo funciona con 110 voltios de
corriente alterna.
1.7. FACTIBILIDAD
A continuación se presenta las factibilidades del presente trabajo:
1.7.1. Factibilidad Técnica
Los elementos utilizados en el prototipo son escogidos por su funcionamiento y por su
beneficio al momento de la producción de un producto. Para cada elemento se da un valor
de ponderación dependiendo de su descripción, como se muestra en las siguientes tablas:
Tabla No. 1. Comparación de sistemas controladores
CARACTERÍSTICA PLC MICROCONTROLADOR
Número de pines de entradas y salidas 10 8
Costo 7 10
Total 17 18
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Siemens y Microchip
Para realizar el control del sistema se escoge un microcontrolador, como resultado de la
tabla comparativa, especialmente por su costo y además es capaz de realizar todas las
10
Tabla No. 2. Comparación de sistemas de sellado
CARACTERÍSTICA CALOR COSIDO SOPLETE
Costo 10 9 8
Fuente de energía 10 8 7
Seguridad en sellado 9 8 9
Total 29 25 24
Elaborado por: Darío Mena Fuente: (INGESIR, 2010)
Para realizar el sellado de las fundas se escoge el sistema de calor, como resultado de la
tabla comparativa, ya que este sistema es el más utilizado en máquinas industriales, por
tener una buena seguridad en el sellado.
Tabla No. 3. Comparación de motores
CARACTERÍSTICA SERVOMOTOR MOTOR AC MOTOR DC
Control de posición 10 6 8
Costo 9 8 10
Consumo de corriente 9 7 10
Torque 9 10 8
Total 37 31 36
Elaborado por: Darío Mena Fuente: All power microcontroller
Para realizar los movimientos de la palanca de sellado y abrir la compuerta de salida del
silo de almacenamiento, se escoge al servomotor, ya que es el más indicado para obtener un
11
Tabla No. 4. Comparación de sensores
CARACTERÍSTICA CAPACITIVO PRESENCIA
Fuente de energía 9 10
Distancia de sensado 10 7
Costo 9 10
Total 28 27
Elaborado por: Darío Mena Fuente: All power microcontroller
Para detectar la presencia de las fundas de papel filtro se escoge el sensor capacitivo por ser
un sensor industrial, indicado para esta máquina.
Para el caso del prototipo se escogerá el sensor de presencia, ya que su costo es más
económico, con características similares al otro sensor, teniendo el mismo funcionamiento
del requerido.
Tabla No. 5. Comparación de programas para moldeado del prototipo virtual
CARACTERÍSTICA AUTOCAD SOLID WORKS
Moldeados en 3D 9 10
Costo licencia 10 7
Simulación 8 9
Total 27 26
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Autocad y Solid Works
Para realizar el prototipo virtual en un computador se escoge el programa de autocad, ya
que es un programa en el que se pueden fabricar piezas en tres dimensiones con
12
Tabla No. 6. Comparación de lenguajes de programación
CARACTERÍSTICA ASSEMBLER BASIC
Rapidez de respuesta 9 8
Costo de licencia 8 10
Memoria de código limitada 9 10
Total 26 28
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Assembler y Pic Basic
Para los diseños de programación para los diferentes sistemas de la máquina, se escoge el
lenguaje Basic, el cual es apropiado y capaz de cumplir con los requerimientos de la
activación y funcionamiento de los dispositivos electrónicos.
1.7.2. Viabilidad
A continuación se presenta la lista de materiales y costos para la fabricación de la máquina.
Tabla No. 7. Lista de costos de materiales para la construcción de la máquina
MÓDULO CANT. UNIDADES MATERIALES
COSTO UNIT.
COSTO TOTAL
(DÓLARES) (DÓLARES)
ESTRUCTURA 9,2 metro lineal Tubo cuadrado 3/4 pulgadas 2,00 18,40
4 m2 Tol galvanizado 7,00 28,00
0,5 m2 Lámina de acero 2mm espesor 0,80 0,40
50 unidades Tornillo 0,03 1,50
20 unidades Perno 0,08 1,60
1 unidad Soldar acero inoxidable 40,00 40,00 1 unidad Pintura electrostática 100,00 100,00
PANEL DE 1 unidades Interruptor ON/OFF 1,00 1,00
CONTROL 7 unidades Luz piloto 0,75 5,25
1 unidad Paro de emergencia 5,00 5,00
1 unidad Fuente de computador 25,00 25,00
4 m Cable UTP categoría 5 0,50 2,00
3 m Cable gemelo #20 0,30 0,90
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SISTEMAS: 2 unidades Servomotor industrial 11 kg/cm 600,00 1200,00 SELLADOR 1 unidad Transformador 110VAC-24VAC 30,00 30,00 Y 2 unidad Fin de carrera industrial 5,00 10,00
DOSIFICADOR 1 unidad Niquelina 5,00 5,00
1 unidad Tela térmica 3,00 3,00
1 unidad Silicona térmica 3,00 3,00
2 unidades Baquelita 2,00 4,00
2 unidades Resistencia 220 ohmios 0,02 0,04 2 unidades Resistencia 1k ohmios 0,02 0,04 2 unidades Resistencia 10k ohmios 0,02 0,04
2 unidades Cristal de 4 MHz 1,50 3,00
4 unidades Borneras de 2 pines 0,75 3,00
2 unidades Bornera de 3 pines 0,90 1,80
2 unidades Zócalo de 40 pines 0,50 1,00
9 unidades Espadines macho 0,02 0,18
2 unidades Pic 16F877A 8,00 16,00
2 unidades Sensor capacitivo 75,00 150,00
1 unidad Servomotor industrial 3 kg/cm 250,00 250,00
2 m2 Acero inoxidable 45,00 90,00
TOTAL 2000,65
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Ferroindustrial, ubicada en Ibarra y All Power Microcontroller (APM)
Tabla No. 8. Lista de costos de software y desarrollo del autor
CANT. DESCRIPCIÓN PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL
DÓLARES DÓLARES
1 Licencia programa PROTON PICBASIC LITE 150 150
200 Horas de desarrollo del autor 10 2000
TOTAL 2150
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Para la elaboración del diseño de software de cada uno de los programas, tanto del sistema
dosificado como del sistema sellador, es necesaria la licencia del programa Proton Pic
14
Para la construcción física de la máquina se necesitan los materiales de la tabla No. 7 y los
elementos de la tabla No. 8, por lo que el costo de la máquina sería de 4150,65 dólares.
El prototipo de la máquina contiene otros componentes no industriales, pero tienen un
funcionamiento similar que los de la máquina y son los siguientes:
Tabla No. 9. Lista de costos de materiales para la construcción del prototipo CANT. COMPONENTE PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL
(DÓLARES) (DÓLARES)
2 Servomotor Hitec-HS 755HB 65 130
1 Servomotor Hitec-HS 311 Estándar 17 17
2 Sensor de presencia QRD1114 2.5 5
Elaborado por: Darío Mena Fuente: All Power Microcontroller (APM)
Para la construcción física del prototipo, los servomotores y sensores de la Tabla No. 9, son
reemplazados en la tabla No. 8 por los respectivos componentes, además se toma en cuenta
el desarrollo del autor, por lo que se necesitan 2650,65 dólares.
El costo de la licencia no se toma en cuenta en la construcción del prototipo por ser una
licencia académica.
A continuación se presenta una tabla comparativa entre el prototipo y la máquina, a cerca
15
Tabla No. 10. Tabla comparativa entre el prototipo y la máquina
COMPONENTE CARACTERÍSTICA PROTOTIPO MÁQUINA
Servomotor Número de operaciones por hora 414 unidades 414 unidades
Velocidad servomotor 1 0,19 seg 0,17 seg
Velocidad servomotor 2 0,28 seg 0,25 seg
Torque servomotor 1 3 kg/cm 3 kg/cm
Torque servomotor 2 11 kg/cm 11 kg/cm
Tiempo de vida útil 5 años 12 años
Mantenimiento Cada 6 meses Cada 1 año
Control de posición 1° 0,5°
Robustez Plástico Hierro
Material de engranes internos Plástico Hierro
Sensor Rapidez de respuesta Normal Mayor
Tiempo de vida útil 10 años 25 años
Mantenimiento Cada 1 año Cada 3 años
Distancia de sensado 1.5 cm máx. 8 cm máx.
Precisión de sensado Normal Mayor
Eficiencia Dosificado 85% 95%
Sellado 89% 97%
Elaborado por: Darío Mena
16 CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
A continuación se describe la teoría necesaria para el desarrollo del presente tema.
2.1 MATERIA PRIMA
La materia prima a utilizar en el presente trabajo se describe a continuación:
Café
La especie de café más antiguamente conocida y difundida a nivel mundial es la coffea
arábiga, originaria de Etiopía, África. Se puede decir, que la producción mundial del café
descansa en un 90% sobre esta especia, la cual tiene como patrón representativo la variedad
Typica o Arábigo que presenta las características específicas de poseer hojas elípticas.
(Instituto salvadoreño de investigación del café, 1999)
Figura No. 1. Café
17 Producción
Se prevé que la producción mundial del café tendrá un crecimiento de 2,7 % anual entre
1995 y 2005, es decir, una tasa de crecimiento algo superior a la del decenio anterior. En
2005 la producción mundial ascenderá a 7,31 millones de toneladas.
Consumo
Se estima que el consumo mundial de café aumentará anualmente en 1,7 % de 5,63
millones de toneladas en 1995 a 6,74 millones de toneladas en 2005. (Instituto salvadoreño
de investigación del café, 1999)
Azúcar
El azúcar es un edulcorante natural, conocido normalmente en forma de cristales
solidificados de sacarosa, y se puede ser producido utilizando la materia prima como es la
caña de azúcar.
Figura No. 2. Azúcar
18
Se cree que la caña de azúcar, de la cual se derivan sus variedades modernas, es originaria
de Nueva Guinea. Existen registros en los que es posible determinar que allí se desarrollo y
cultivó por más de 9 mil años.
La caña de azúcar es producida principalmente en regiones de clima tropical, pues necesita
de una exposición solar intensa y requiere de gran cantidad de agua para su desarrollo. Se
trata de una planta de la familia de las gramíneas, por lo que, después de cosechada, el brote
vuelve a crecer de la misma planta son tener que volver a sembrar. Por esta característica, la
producción de caña tiene mejor rendimiento en los primeros cortes. A través de los años se
han desarrollado infinidad de variedades de caña de azúcar, y hoy existen algunas que
ofrecen rendimientos aceptables comercialmente después de siete u ocho cortes. Sus
rendimientos son de entre 60 a 120 toneladas por hectárea y sui rendimiento en contenido
de azúcar puede fluctuar entre el 10% y 12,5% base azúcar cruda.
Producción
En la actualidad, el azúcar se produce en más de 120 países, con una producción total
cercana a los 145 millones de toneladas y con una tendencia creciente de la producción para
hacer frente a la demanda mundial.
Consumo
El azúcar es un producto de consumo básico y cumple dos roles fundamentales en la dieta
alimenticia de las personas: actúa como endulzante y es un alimento que proporciona
19
El sabor dulce es una sensación básica para el paladar humano, con una gran carga
emocional. Lo dulce es placentero y se obtiene en los primeros días a través de la leche
materna. Antes de 1650 los principales endulzantes eran la miel y las frutas.
El comportamiento del consumo en el mundo es similar al de la producción; es decir,
presenta una tendencia creciente. (Bolívar, Galetovic, & Jana, 2005)
2.2 MÁQUINAS EMPACADORAS
Una máquina empacadora es un sistema que tiene como objetivo controlar la concentración
de la materia prima y realizar el sellado dentro de un empaque. Tiene dos sistemas
principales como es el de dosificación y de sellado. Existen máquinas manuales,
semiautomáticas y automáticas. Usualmente en este tipo de máquinas se utilizan sistemas
como la neumática y la hidráulica porque los actuadores realizan desplazamientos rápidos y
precisos, pero cuando se realiza el diseño de una máquina se debe tomar en cuenta la
energía con la que trabaja, elementos de mando, sistemas de control, etc., por lo que este
prototipo trabajará con elementos mecánicos, electromecánicos y electrónicos, los cuales
permiten un control eficiente.
Las máquinas empacadoras semiautomáticas son diseñadas para realizar el empaquetado de
productos, ya sean sólidos, líquidos o en polvo, las cuales tienen una combinación de
procesos automáticos y procesos manuales. Cada máquina puede tener diferentes elementos
mecánicos o electrónicos y pueden ser unas más sofisticadas que otras pero con la misma
finalidad. La gran mayoría de estas máquinas poseen un sistema metálico por donde pasa el
20
determinada temperatura, para que el producto pase por el interior del tubo de plástico para
ser sellado en la parte inferior y cortar los empaques individuales y así obtener el producto
final. Además existen máquinas empacadoras divididas en dos partes en una sola estructura,
la primera es un sistema de dosificado y la segunda es el sistema de sellado. La mayoría de
las máquinas poseen una estructura de forma vertical, ya que el producto granulado se
encuentra almacenado en una tolva en la parte superior y con la ayuda de la gravedad baja
al proceso de dosificado.
2.2.1 Máquinas Dosificadoras
El sistema dosificador es un mecanismo que se utiliza para regular la salida del producto, el
mismo que está compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores,
electroimanes y actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es
diferente y depende del tipo de producto a dosificar.
Existen varios tipos de dosificadores, los cuales dependen de su producto como
dosificadores de líquidos, de gas y de sólidos.
El tema de máquinas dosificadoras es muy extenso, por lo que vamos a considerar a los
dosificadores de sólidos como principales, ya que son los más apropiados para el desarrollo
de este proyecto. Además el dosificado del producto se lo realizará en forma vertical, ya
que se aprovecha a la gravedad para dejar caer el producto en su empaque.
Las dosificadoras de sólidos pueden tener diferentes sistemas, por lo que se dividen en:
21
Dosificador por tornillo sinfín
Dosificador por pistón
Dosificador por volumen
2.2.1.1 Dosificador Por Peso
La dosificación por peso se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento, siendo llevado hacia dos canales transportadores vibratorios, uno fino y
otro grueso, los mismos que son controlados desde el panel de control para que se detengan
(primero el grueso y después el fino) cuando el producto haya sido pesado por una balanza
que se encuentra a continuación de dichos canales y haya completado el peso deseado. La
descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su
empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es
necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)
Figura No. 3. Máquina envasadora semiautomática con balanza
22 2.2.1.2 Dosificador Por Tornillo Sinfín
La dosificación por tornillo sinfín se realiza por medio del producto despachado desde la
tolva de almacenamiento, llevándolo directamente hacia el tornillo sinfín diseñado
especialmente para ajustar diferentes dosis que se requiera, de esta manera cuando el
tornillo sinfín gire un determinado tiempo, el producto caerá por la boquilla de descarga en
su empaque. Para su manejo solo es necesario un operador capacitado. (INGESIR, 2011)
Figura No. 4. Máquina envasadora semiautomática con tornillo sinfín
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.1.3 Dosificador Por Pistón
La dosificación por pistón se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento, llevándolo directamente hacia el pistón dosificador de carrera, el mismo
que se activa abriendo espacio dentro de la boquilla de descarga para que el producto caiga
en el empaque y cuando no se encuentra activado, el paso del producto permanecerá
sellado. La regulación de la dosis dependerá de la distancia de apertura dentro de la
23
Figura No. 5. Máquina envasadora semiautomática con pistón
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.1.4 Dosificador Por Volumen
La dosificación volumétrica se realiza por medio del producto despachado desde la tolva de
almacenamiento llenando recipientes con la dosis deseada, los mismos que son colocados
sobre una bandeja central que gira con velocidad controlada desde el panel de control. La
descarga del producto se la realiza presionando un pedal eléctrico dejándolo caer en su
empaque pre fabricado que es colocado bajo la boquilla de descarga. Para su manejo solo es
24
Figura No. 6. Máquina envasadora semiautomática volumétrica
Fuente: www.ingesir.com.ar
2.2.2 Máquinas Selladoras
El sistema sellador es un mecanismo que se utiliza para unir las partes abiertas de un
empaque logrando que el producto dosificado quede protegido, el mismo que está
compuesto por electroválvulas, motores eléctricos, servomotores, electroimanes y
actuadores neumáticos. El funcionamiento y control de cada actuador es diferente y
depende del tipo de producto a sellar. (INGESIR, 2011)
2.2.2.1 Máquinas Selladoras Manuales
Las máquinas selladoras manuales generalmente son utilizadas para unir fundas de
polietileno, poliéster, polipropileno, papel filtro, etc. Usualmente son utilizadas para una
producción de bajo volumen de un determinado producto. Para realizar el sellado es
25
Figura No. 7. Selladora manual
Fuente: www.bonomi-resistencias.com.ar
Descripción:
1. Agarradera
2. Palanca
3. Silicona térmica
4. Estructura metálica
5. Tela térmica
6. Lámina metálica
7. Luz indicador
8. Control temperatura
2.2.2.2 Técnicas De Sellado
El sistema de sellado consiste en unir los extremos de las fundas de papel filtro para que se
26
Entre los principales tipos de sellado tenemos:
Sellado por fusión
Sellado por gas calentado
Sellado por cosido
2.2.2.2.1 Sellado Por Fusión
Las superficies del material a sellar se funden y se deben comprimir con una pequeña
presión una contra otra durante el tiempo programado para lograr el sellado. Para conseguir
el calentamiento de las superficies se utilizan elementos de conducción de calor, que se
calientan por medio de corriente eléctrica, transformándola en calor, como una niquelina El
tiempo y la cantidad de calor ejercida sobre las superficies dependen del material a sellar.
Figura No. 8. Selladora por fusión
27 2.2.2.2.2 Sellado Por Aire Caliente
Es un sistema combinado con varios elementos que consiste en un soplete interno de sellar
por aire caliente, que funciona eléctricamente. La punta del soplete es similar a la de un
soplete para soldar metal, por la que sale aire caliente comprimido. El aire sale a una
determinada presión producida por un ventilador que se encuentra en el interior del soplete.
Figura No. 9. Selladora por aire caliente
Fuente: www.logismarket.es
2.2.2.2.3 Sellado Por Cosido
Las superficies a sellar son unidas con hilo de manera que el producto interno no salga por
ningún orifico ya que el sistema cuenta con un sellado seguro por pasar dos veces el hilo
por el mismo lugar, reforzando la unión. El sistema cuenta con un riel fijo por el que un
motor recorre de un lado al otro realizando el sellado y regresando a su inicio. El motor
puede activarse por medio de un pulsador o por medio de un sensor cuando detecte la
28
Figura No. 10. Selladora por cosido
Fuente: www.agroterra.com
2.3 MATERIALES INDICADOS PARA EL CONTACTO CON ALIMENTOS
Los materiales que se encuentren en contacto con los alimentos deben estar en condiciones
normales y libres de corrosión. Los materiales correctos para el contacto con los alimentos
pueden ser los aceros inoxidables, plásticos, fundas de papel filtro, enlatados, entre otros.
Al fabricar o comprar una máquina para producción de alimentos, se debe tomar en cuenta
el material que se encuentra en contacto con estos, ya que deben ser los correctos para
obtener una producción libre de contaminación del producto.
2.3.1 Aceros Inoxidables
Son elementos de aleaciones combinadas donde el cromo forma una capa sobre la
superficie con resistencia a la corrosión, elevada resistencia y ductilidad. Las propiedades
29
reciclables y ayudan a no contaminar el medio ambiente. Poseen una alta resistencia
mecánica, además soportan altas y bajas temperaturas; al igual que tienen un buen acabado
estético, al cual se lo puede someter a diferentes procesos para obtener terminados de
espejo, coloreados, satinado, entre otros.
Figura No. 11. Plancha de acero inoxidable
Fuente: www.equipcenter.com.ar
La mayoría del equipo para el procesamiento de alimentos, en cocinas, áreas de servicio de
alimentos, máquinas y herramientas, está construido de acero inoxidable (tipo 304). El
acero inoxidable no se corroe fácilmente, es de fácil limpieza, no reacciona con los
alimentos ni es tóxico. Para que el acero inoxidable dure por tiempo largo, debe limpiarse
en forma adecuada y luego secarse totalmente, no debiendo sufrir rayones, golpes o
impactos que alteren el pulido de la superficie. No es aconsejable colocar sobre el acero
inoxidable concentraciones elevadas de sal por tiempos largos. (Kalpakjian, 2002)
Los aceros inoxidables son utilizados en amplios campos como en la alimentación,
transporte, salud construcción, energía, etc. Se llaman inoxidables porque en presencia de
oxígeno forman una película delgada y dura muy adherente de óxido de cromo, que protege
al metal contra la corrosión. Esta película protectora se vuelve a formar en caso que se raye
30
Cuadro No. 1. Propiedades mecánicas a temperaturas ambiente y aplicaciones típicas de aceros inoxidables recocidos seleccionados de los diferentes tipos
AISI Resistencia Resistencia Elongación Características y aplicaciones típicas
Tensil a cedencia en
(UNS)
máx.
(MPa) (MPa) 50mm (%)
303 550-620 240-260 53-50 Productos de máquinas de roscar , flechas, válvulas, pernos, (S30300) bujes y tuercas; acoplamientos para aeronaves; pernos;
tuercas; remaches; tornillos; prisioneros.
304 565-620 240-290 60-55 Equipo químico y de procesamiento de alimentos, equipo (S30400) para cervecerías, recipientes criogénicos, canalones,
tubos de descenso, botaguas.
316 550-590 210-290 60-55
Elevada resistencia a la corrosión y alta resistencia a la cedencia
(S31600) Equipo para manejar productos químicos y pulpas, equipo
fotográfico, cubas para brandy, piezas de fertilizantes, marmitas
de cocción de salsa de tomate y tinas de fermentación.
410 480-520 240-310 35-25 Piezas para maquinaria, flechas de bombas, pernos, bujes,
(S41000)
rampas para carbón, cuchillería, implementos de pesca, herrajes,
piezas de motor a chorro, maquinaria para la industria minera,
cañones para rifles, tornillos y válvulas.
416 480-520 275 30-20 Acoplamientos para aeronaves, pernos, tuercas, insertos (S41600) para extintores de incendio, remaches y tornillos.
Elaborado por: Darío Mena Fuente: (Fauquié, 2000)
2.3.2 Papel Filtro
Un papel filtro es lo mismo que un tamiz: tiene orificios finos de cierto tamaño que
permiten que algunas partículas lo atraviesen, mientras que otras quedan retenidas, según su
31
diámetro. Algunas partículas mayores son retenidas por el papel filtro; se pueden fabricar
filtros de papel con diferentes tamaños de los poros, según los empleos a que estén
destinados.
Figura No. 12. Funda de papel filtro
Fuente: www.cecomex.com.ec
En general las partículas sólidas son mucho más grandes que las líquidas, y cuando se
intenta que una mezcla de sólidas y líquidas pase a través de un filtro de papel, las sólidas
son retenidas en el filtro mientras que las líquidas pasan a través del mismo. Las partículas
sólidas han sido filtradas de las partículas líquidas. (Sellwood, 1995)
2.4 CONTROL DE LAS MÁQUINAS
El control de las máquinas puede ser por medio de microcontroladores.
2.4.1 Microcontrolador
Un microcontrolador combina los recursos fundamentales disponibles en un
microcomputador, es decir, la unidad central de procesamiento CPU, la memoria de los
recursos de entrada y salida, en un único circuito integrado. La siguiente figura muestra en
32
Figura No. 13. Diagrama de bloques general de un microcontrolador
Elaborado por: Valdés & Pallas, 2007 Fuente: Valdés & Pallas, 2007
Igual que en un microcomputador, la CPU es el “cerebro” del microcontrolador. Esta
unidad trae las instrucciones del programa una a una, desde la memoria donde están
almacenadas, las interpreta (descodifica) y hace que se ejecuten. En la CPU se incluyen los
circuitos de la ALU para realizar operaciones aritméticas y lógicas elementales con los
datos binarios.
La CPU de un microcontrolador dispone de diferentes registros, algunos de propósito
general y otros para propósitos específicos, entre estos últimos están el registro de
instrucción, el acumulador, el registro de estado, el contador de programa, el registro de
direcciones de datos y el puntero de la pila.
La memoria del microcontrolador el es lugar donde son almacenadas las instrucciones del
programa y los datos que manipulan. En un microcontrolador siempre hay dos tipos de
memoria, la memoria RAM (Random Access Memory) y la memoria ROM (Ready Only
33
es decir, pierde la información almacenada cuando falta la energía que alimenta a la
memoria. La memoria ROM es una memoria de sólo lectura y no volátil.
La entrada y salida es particularmente importante en los microcontroladores, pues a través
de ella el microcontrolador interacciona con el exterior. Forman parte de la entrada y salida
los puertos paralelo y serie, los temporizadores y la gestión de las interrupciones. El
microcontrolador puede incluir también entradas y salidas analógicas asociadas a
34
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA MECATRÓNICA
A continuación se presenta el análisis de requerimientos del proyecto:
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
A continuación se realiza una tabla con datos del análisis de requerimientos de la máquina.
Tabla No. 11. Análisis de requerimientos de la máquina
REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN
ESTRUCTURA
Tipo de estructura Metálica, por su consistencia y resistencia
Tipo de material Tol galvanizado y acero inoxidable en las partes que tenga contacto físico con el alimento
Tipo de pintura Electrostática, para evitar descargas eléctricas
DOSIFICADO Y SELLADO
Dosificación Desde 7 hasta 1000 gramos
Rendimiento 8 fundas en 1 minuto aproximadamente
Sellado Niquelina a alta temperatura
Modificar cantidad de dosificado Por medio de tiempo, volumen o peso
Modificar tiempo de sellado Depende del material a sellar
Capacidad de detectar cualquier tipo de empaque
Para dosificar y sellar en plástico grueso, delgado, papel filtro, etc.
35
PRODUCTO Y EMPAQUE
Material de empaques Plástico grueso, delgado, papel filtro.
Tipos de productos Grano fino(azúcar), mediano (arroz) y grueso (fréjol)
Tamaño empaque Mínimo 5cm x 5cm, hasta 15 cm x 15cm
VARIOS
Tensión de funcionamiento 110 voltios y/o 220 voltios
Protección tarjetas electrónicas Dentro de un panel de control
Tipos de motores Servomotores para control de posición
Dimensiones 1m largo x 1m ancho x 1m profundidad
Temperatura ambiente Mínimo 10oC y máximo 30oC
Peso aproximado 40 kilos
Movilidad Capaz de ser llevado con facilidad
Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana
Interfaz amigable al usuario Por medio de un panel de control
Elaborado por: Darío Mena
3.1.1 Análisis De La Máquina
Las condiciones iniciales de la máquina para iniciar son: llenar el silo con producto y
energizar el sistema.
La máquina realiza cuatro funciones principales que son:
Detectar la funda a dosificar, cuyo tiempo es de 0,01 segundos; llenar la funda con
36
segundos y sellar la funda, cuyo tiempo es de 1,2 segundos, los cuales tiene como finalidad
conseguir un producto empacado que cumpla los requerimientos de fabricación.
Gráfico No. 1. Diagrama de bloques de condiciones iniciales del sistema
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
Gráfico No. 2. Diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2 Estructura De La Empacadora
Para realizar el estudio de la empacadora se la divide en dos sistemas:
Sistema de Dosificado
Sistema de Sellado
37
Foto No. 1. Módulo general del sistema
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.1 Material De La Máquina
La máquina estará compuesta por tres tipos de materiales que son:
Tol galvanizado
Acero inoxidable
Hierro
El tol galvanizado es un material que pertenece al conjunto de materiales que son sometidos
a procesos electroquímicos, el cual es formado por el recubrimiento de un metal con otro.
La mayor parte de la máquina irá cubierta con tol galvanizado ya que es un material de fácil
maleabilidad y se pueden fabricar piezas específicas sin tener problemas en el
funcionamiento. La protección de la estructura y de todos los componentes internos irán
38
El silo de almacenamiento del producto será de acero inoxidable por sus propiedades frente
a los alimentos. Existen varios tipos de aceros inoxidables, de los cuales, el más indicado
para esta máquina es el A.I.S.I. 304 ya que estará en contacto con el alimento a empacar.
El A.I.S.I. 304 tiene una gran resistencia a la corrosión en todos los estados que este pueda
estar, soportando a los ácidos inorgánicos y orgánicos, productos alimenticios etc. Es
utilizado en industria química, alimenticia, automotriz, estanterías, etc.
El soporte de la estructura metálica es de tubo de hierro cuadrado de ¾ pulgadas, el cual
forma una estructura sólida donde se asientan todos los componentes del sistema,
manteniéndose fijos a ésta.
3.1.2.2 Sistema Dosificador
La función de este sistema es llenar la funda con producto, que en este caso es café con
azúcar. Para realizar este proceso hay que detectar la funda a dosificar, activar el
servomotor y llenar la funda.
3.1.2.2.1 Módulo Del Sistema Dosificador
En la parte inferior del silo de almacenamiento se ha colocado un tope de forma cilíndrica
alrededor del tubo más pequeño a una cierta altura, de tal manera que la funda ingresa por
este, hasta llegar al tope cilíndrico para que el producto pueda caer libremente por el
orificio de 1 centímetro de diámetro. La funda debe llegar hasta el tope cilíndrico para que
39
Foto No. 2. Módulo del sistema dosificador
Fuente: Prototipo para el sellado de café con azúcar en fundas de papel filtro
3.1.2.2.2 Descripción De Los Componentes Principales Del Sistema Dosificador
A continuación se describen los componentes principales del sistema dosificador:
Sensor
El sensor de presencia QRD1114, es un sensor óptico compuesto por un diodo infrarrojo y
un fototransistor para detectar el reflejo de luz infrarroja y así poder detectar cualquier
objeto a una distancia de 1 centímetro, la cual puede alcanzar a detectar la funda de papel
filtro, dependiendo en la posición que este se encuentre en el silo.
Se ha escogido este tipo de sensor por su funcionamiento especialmente en ésta máquina,
ya que se requiere detectar a una funda de papel filtro a una distancia de 1 centímetro y
debe ser pequeño para ser colocado en cualquier lugar de la máquina, por lo que es
40 Servomotor
Los servomotores de corriente continua son pequeñas máquinas especialmente diseñadas
para el control de posicionamiento de su eje. Aunque el principio de funcionamiento es el
de una máquina de continua convencional con excitación independiente, su forma
constructiva está adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par
de arranque importante. (Balcells & Romeral, 1997)
El servomotor Hitec HS-311 Estándar se encuentra fijo en la estructura, cuyo eje realiza la
acción de abrir y cerrar la compuerta del silo de almacenamiento. Se ha escogido este
servomotor por tener el torque adecuado de 3.7 kg.cm para la acción requerida y es
activado cuando el sensor detecta la presencia de la funda de papel filtro. (HITECRCD,
2008)
Al momento de dosificar la funda de papel filtro, la compuerta se queda abierta durante 225
milisegundos con el torque respectivo del servomotor, cuyo tiempo es adecuado para
dosificar la cantidad de 11 gramos con producto.
Silo
El silo consiste en una tolva para almacenar el café con azúcar. El silo es de acero
inoxidable por sus características propias frente a los alimentos de consumo humano, y
tiene la forma de un cono cilíndrico para que el producto no se quede atascado en uniones o
esquinas con un mejor flujo en la salida y posee una tapa en la parte superior para evitar el
41 Cálculos del volumen del silo
Para calcular el volumen de producto que debe haber en el silo, se lo divide en tres partes
por estar compuesto de diferentes secciones, y se realizan las siguientes operaciones:
Gráfico No. 3. Secciones del silo
3
2
1
Elaborado por: Darío Mena Fuente: Autocad
Volumen sección 1: Prisma cilíndrico
Se aplica la fórmula 1 para obtener el volumen de la sección 1 del silo.
[1]
Donde: r es el radio del cono,
h es la altura del cono.
Volumen sección 2: Prisma cónico truncado
42
[2]
Donde: h es la altura del cono truncado,
R es el radio mayor del cono truncado,
R es el radio menor del cono truncado.
Volumen sección 3: Prisma cilíndrico
Se aplica la fórmula 1 para obtener el volumen de la sección 3 del silo.
Volumen Total del Silo
Se aplica la fórmula 3 para obtener el volumen total del silo.
[3]
Donde: volumen1 es el volumen de la sección 1 del silo,
volumen2 es el volumen de la sección 2 del silo,
43
Se necesitará de 1778 gramos aproximadamente del producto para que el silo se haya
llenado hasta su tope máximo requerido.
Acople de sujeción
El acople de sujeción es una pieza fija en la estructura en la que se ajusta el servomotor
Hitec-HS 311 estándar, el que realiza la apertura o cierre de la compuerta del silo
dosificador. Su material es de acero de 3mm de espesor, ya que es una lámina robusta
manteniéndose firme sin tendencia a doblarse cumpliendo su requerimiento.
Compuerta
La compuerta de salida del producto consiste en una lámina de acero inoxidable sujetada al
eje del servomotor por medio de un acople. Ésta lámina gira conjuntamente con el eje del
servomotor cuando es activado. Permite la apertura del dosificador al coincidir el centro de
la salida del silo de almacenamiento con el orificio en la compuerta, dejando caer el
producto hacia la funda.
Funda de papel filtro
Los granos a dosificar tienen un diámetro aproximado de 1 milímetro por lo que la funda de
papel filtro es adecuada para este prototipo.
44
Tabla No. 12. Características técnicas de los componentes del sistema dosificador
COMPONENTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
SILO Material: A.I.S.I. 304
Espesor: 1 mm
Volumen: 1778 cm3 aproximadamente
Fuente: www.salonemprendedor.com
SENSOR Tipo: Sensor de presencia
Dimensiones cabeza (mm): 6.1 x 4.39 x 4.65 Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC Rango: 1 centímetro
Fuente: www.me.ucsb.edu
SERVOMOTOR Tipo: Hitec-HS311 Estándar Dimensiones (mm): 40 x 20 x 37
Voltaje de funcionamiento: 5 voltios DC Torque: 3.7 kg.cm
Rango de giro: 0° a 180°.
Fuente: www.hitecrcd.com
ACOPLE DE SUJECIÓN Tipo: Lámina
Material: Acero de 3 mm
Fuente: AutoCad
COMPUERTA Tipo: Lámina
Material: Acero de 3 mm
Fuente: AutoCad
