diseño de maquina
70
23 CAPÍTULO 3 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MÁQUINA SEMI AUTOMÁTICA PARA EMBALAR PALLETS La Máquina Semi Automática para Embalar Pallets implica una serie de consideraciones tanto mecánicas, eléctricas como electrónicas. Para la parte mecánica, se diseñó las estructuras de la base y de la torre en Autocad y luego se fabricó con todas los detalles previstos en los planos. De manera que la estructura mecánica en conjunto esté alineada en cuanto a la rotación de la plataforma y el tornillo sin fin y en la robustez de funcionamiento frente a los diferentes pesos y altitudes de las cargas sobre pallets. Además, el diseño del sistema alimentador de stretch film y el sistema de sujeción se tuvieron que estructurar detalladamente de manera que su funcionamiento sincronizado mecánicamente mantenga la uniformidad, tensado y presión adecuada. Seguidamente, se diseñó la parte electrónica con el objetivo de controlar y automatizar el funcionamiento de la máquina, es decir, se implementaron equipos como variadores de velocidad y sensores para lograr a través del gobernador PLC controlar el sincronismo de funcionamiento. Simultáneamente, se desarrolló un sistema EXSCADA de manera que realce las prestaciones de gestión a la máquina. A continuación se presentarán las consideraciones, especificaciones y detalles que se tomaron en cuenta para el desarrollo de la máquina.
-
Upload
gabriel-blasco -
Category
Documents
-
view
801 -
download
1
Transcript of diseño de maquina
23
CAPÍTULO 3
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MÁQUINA SEMI AUTOMÁTICA PARA
EMBALAR PALLETS
La Máquina Semi Automática para Embalar Pallets implica una serie de
consideraciones tanto mecánicas, eléctricas como electrónicas.
Para la parte mecánica, se diseñó las estructuras de la base y de la torre en
Autocad y luego se fabricó con todas los detalles previstos en los planos. De
manera que la estructura mecánica en conjunto esté alineada en cuanto a la
rotación de la plataforma y el tornillo sin fin y en la robustez de funcionamiento
frente a los diferentes pesos y altitudes de las cargas sobre pallets. Además, el
diseño del sistema alimentador de stretch film y el sistema de sujeción se
tuvieron que estructurar detalladamente de manera que su funcionamiento
sincronizado mecánicamente mantenga la uniformidad, tensado y presión
adecuada.
Seguidamente, se diseñó la parte electrónica con el objetivo de controlar y
automatizar el funcionamiento de la máquina, es decir, se implementaron
equipos como variadores de velocidad y sensores para lograr a través del
gobernador PLC controlar el sincronismo de funcionamiento. Simultáneamente,
se desarrolló un sistema EXSCADA de manera que realce las prestaciones de
gestión a la máquina.
A continuación se presentarán las consideraciones, especificaciones y detalles
que se tomaron en cuenta para el desarrollo de la máquina.
24
3.1. Desarrollo de la solución propuesta
Para afrontar el problema, abordado en el primer capítulo, se presenta este
proyecto con un prototipo a escala de lo que podría ser una máquina industrial,
con la finalidad de comprobar el perfecto funcionamiento de los diseños
mecánicos y los automatismos que se han utilizado para, posteriormente, la
construcción en masa de esta máquina envolvedora industrial.
En la figura 3.1, se muestra la perspectiva inicial de las partes del prototipo de
la máquina envolvedora.
Motores 3ф
Accionamiento vertical
Sistema eléctrico
Sistema alimentador
Control de Calidad
Control de posicionamiento
y tensado
Envolvedora
Figura 3.1: Perspectiva inicial de las partes del
prototipo de la máquina envolvedora
25
El prototipo se desarrolló en dos partes; la parte mecánica y las partes
eléctrica/electrónica, ambas a su vez están divididas en otras. En el diagrama
de flujo que se muestra en la figura 3.2 se indican, de manera general, las
etapas de desarrollo de cada parte (las explicaciones de cada parte serán
desarrolladas en el presente capítulo).
Una de las consideraciones previas a la construcción fue la de decidir cuales
iban a ser las características de funcionamiento y operatividad que iba a contar
la máquina, ante este escenario, las especificaciones optadas fueron:
Velocidad de giro de la plataforma de 10 RPM, debido a que a mayor
velocidad los productos estibados pueden caerse e inclusive, el pallet
desplazarse por efecto de la velocidad centrífuga que se ejerce. A
diferencia que a menor velocidad el empaque iba a ser muy lento y por
lo tanto no eficiente; entonces se eligió que el límite, que en promedio de
las pruebas realizadas fue 10 RPM, no causa ningún problema.
Velocidad de ascenso del carrito de 2.5cm/s., este dato se obtuvo
debido a que el tornillo sin fin utilizado fue torneado con 6mm de paso y
que la máxima velocidad que se podía tener, para que el espacio entre
capas del stretch film fuera la adecuada, es decir, para que cuando
termine una, otra la empiece a cubrir, la cual es óptima para la
compactación. Además, se consideró que existen estibas que necesitan
más recubrimiento que otras, así que se hizo el espacio multicapas
regulable hasta el límite establecido.
26
27
Figura 3.2: Diagramas de flujo del desarrollo de la parte
mecánica y de la parte eléctrica/electrónica
28
Altura máxima de envoltura de 1.20m, como es un prototipo se decidió
que la altura promedio de estibas a envolver tenía que tener esta altura
para poder apreciar los diferentes espaciados entre capas.
Carga máxima aproximada de 90Kg., como el motorreductor utilizado
para girar la plataforma es de 1/8 HP y equivale a 93.25 watts.
Entonces, se sabe que: wP *τ= Donde: P: Potencia en watts τ : torque en N-m ω: velocidad angular en rad/seg. De aquí: )*2(* 93.25 Vrpmπτ= Pero, V(RPM) = 10 rpms y se tiene que pasar a radianes por segundo
eg)10/60rad/s*(2* 93.25 πτ= De donde:
τ = 89 N-m
Alineamiento y tensión regulable mecánicamente, como el stretch film es
pegajoso consigo mismo, se necesitaba un sistema de alineamiento de
manera que el film salga de forma uniforme y continua, es decir, sin
arrugas en la superficie ni atascos producidos por adhesión, para que el
enfardado se recubra con todo el tamaño de film posible. Además, se
consideró un mecanismo que regule la tensión del stretch film debido a
que existen estibas que requieren que el compactamiento sea mayor a
otros; por ejemplo, una estiba de productos de vidrio que necesita la
ω
29
máxima compresión para evitar problemas de ruptura y una estiba de
ladrillos que no requiere un alta presión de enfardado.
Soporte del stretch film de 23cm., debido a que la máquina es un
prototipo y los tubos son fabricados con estándares industriales de 46
cm. se optó por utilizar la mitad, además adecuando las medidas de las
partes, mostradas en la figura 3.1, para que pueda recorrer la altura de
1.2m. que tiene la torre.
Monitoreo y supervisión, como se observa en la figura 3.1, hay una parte
que refiere al control de calidad, es en sentido que se desarrolló un
sistema EXSCADA de manera que ejecute el monitoreo del
funcionamiento de la máquina y supervise la producción a través de la
generación de reportes y la creación de una base de datos. Con la
capacidad de extenderse al control de toda la producción de
manufactura y administrativa.
Con las especificaciones establecidas se inició el desarrollo de la etapa
mecánica y como se observa en la figura 3.2, en primer lugar se diseñaron las
formas y los planos en Inventor y Autocad. Luego se listó lo que era necesario
para el funcionamiento como; un motorreductor trifásico de 10 RPM, un tornillo
sin fin, piñones, catalinas, cadena, hierros, engranajes, un motor trifásico, entre
otras cosas. Para posteriormente integrarlas en estructura mecánica.
En segundo lugar se desarrolló la etapa eléctrica/electrónica y como se
observa en la figura 3.1, se implementaron sensores inductivos que indiquen
límites de carrera, variadores de velocidad para el control de los motores
30
trifásicos, PLC controlador del funcionamiento y comunicación, sensor de
proximidad indicador de existencia de estiba, touch screen como panel de
operador y el sistema de monitoreo y supervisión con la finalidad de dotar a la
máquina de tecnología y automatismos. En el anexo A se muestra el diagrama
de flujo del control de la máquina.
Finalmente la máquina quedará integrada, como se muestra en la figura 3.3, y
funcionará como se describe en el diagrama de flujo mostrado en la figura 3.4.
3.2. Diseño y fabricación de la parte mecánica
Como se mencionó anteriormente, el diseño de la parte mecánica se desarrolló
en primera instancia en el software Inventor, y es en este punto que se tomaron
las decisiones de la forma de la estructura, los tipos de acople y los
mecanismos de funcionamiento.
31
Figura 3.3: Esquema general del proyecto
Cable PC/PPI
PLC
EXSCADA
Variadores de velocidad
TOUCH SCREEN
Torre
Plataforma giratoria
Sistema alimentador de plástico film estirable
Sistema sujeción de plástico film estirable
Red de comunicación
32
33
Figura 3.4: Diagrama de flujo del funcionamiento de la máquina
34
En la figura 3.5, se muestra las partes en explosión de la estructura mecánica y
los detalles generales de su funcionamiento.
En segunda instancia, se utilizó el software Autocad para diseñar en detalle las
partes mecánicas; es decir, los montajes y acoples de los mecanismos con
medidas reales para su posterior fabricación. En los siguientes subcapítulos se
mostrarán los diseños y las fotos de las piezas construidas.
Figura 3.5: Partes en explosión de la máquina envolvedora de pallets
Plataforma contra placado
giratoria
Sistema alimentador
Motor para la base
Motor para la torre
Torre principal
Carrito
Alineador
Corona para acople de la plataforma
Sistema de sujeción
Bastidores
Torre secundaria
35
En cuanto a las dimensiones medidas externas del prototipo se muestran en la
figura 3.6, una vista desde la parte superior con las medidas de la base y de la
plataforma giratoria y una vista de perfil indicando las medidas de la torre.
3.2.1. Selección de motorreductores, catalinas y tornillo sin fin.
Para que los mecanismos funcionen adecuadamente, se tuvo que
seleccionar piezas, en cuanto se refiere a dimensiones, número de
Figura 3.6: Dimensiones externas de la máquina envolvedora
Vista de Perfil
120cm
Vista Superior
105cm
70cm
7.5cm
36
dientes, entre otros, que permitan cumplir las características de
operatividad descritas anteriormente.
3.2.1.1. Especificaciones de piñones, coronas y relación de
transmisión.
Antes de seleccionar las catalinas que van a transmitir el
movimiento desde el eje del motorreductor hasta el eje central de
la plataforma giratoria, se hizo el cálculo de relación entre las
velocidades
Para diferenciar qué es corona y qué es catalina se tiene que
referirse según el tamaño; es decir, cuando la catalina es pequeña
se denomina piñón y cuando es grande se denomina corona, tal
como se observa en la figura 3.7.
Para el cálculo de reducción de transmisión para la base se tuvo
las consideraciones mostradas en la tabla 3.1.
Piñón Corona
Figura 3.7: Diferencia entre piñón y
corona
37
El motivo por el cual se manejó la cantidad de dientes mostradas
es por la dimensión de los discos según el diseño que se tenía en
autocad, las cuales miden 21cm. la corona y 7.5cm. el piñón y en
cuyas dimensiones sólo se pueden tener la cantidad de dientes
mostradas en la tabla 3.1.
La selección de paso o salto de la cadena se hizo por el encaje a
los dientes del piñón y corona que se necesitaba, de la misma
Motorreductor utilizado 30 RPM
Velocidad requerida para la
plataforma giratoria 10 RPM
Diseño de piñón acoplado al
eje del motorreductor de la
base
17 dientes
Diseño de corona acoplado
a la base giratoria 51 dientes
Cálculo de relación 51/17 = 3
Velocidad obtenida con la
reducción calculada de 1/3 10 RPM
Paso de cadena 1.27 cm.(½’)
Piñón templador 18 dientes
Tabla 3.1: Consideraciones de diseño de reducción en la
base
38
forma el templador se diseñó con la cantidad de dientes que se
requería para alinear y mantener una tensión adecuada.
Las consideraciones para la reducción de la velocidad del tornillo
sin fin se muestran en la tabla 3.2.
Debido a que el tornillo sin fin fue torneado con paso de 6mm y
considerando que la velocidad de desplazamiento máxima de
2.5cm/s cubriendo la altura del tornillo sin fin de 1.10m, se
Motor utilizado 1800 RPM
Velocidad requerida del
tornillo sin fin 250 RPM
Diseño de la piñón acoplado
al eje del motor de la torre 13 dientes
Diseño de corona acoplado
al piñón 91 dientes
Cálculo de relación 91/13 = 7
Velocidad obtenida con la
reducción calculada de 1/7 250 RPM
Tornillo sin fin 1100 mm.
Paso de torneado del tornillo
sin fin 6 mm.
Tabla 3.2: Consideraciones de diseño de reducción en la torre
39
requería que el tornillo gire a 250 RPM (el cálculo se muestra en
el siguiente subcapítulo) se diseñó un piñón de 13 dientes en un
disco de 5.4cm y una corona de 91 en un disco de 38cm, de
manera que se reduzca los 1800 RPM a 257 RPM valor próximo
al requerido.
3.2.1.2. Especificación y detalle de los motorreductores
En el proyecto se utilizaron: un motor y un motorreductor, ambos
trifásicos de 220 VAC y de 1/8 HP.
El reductor acoplado al motor es del tipo corona-tornillo sin fin,
esta selección se hizo debido a la alta reducción y por ende baja
velocidad de salida.
Para saber qué velocidades RPMs se requería para cada motor
se hizo el siguiente cálculo: considerando que las catalinas son
círculos que giran alrededor de su eje central, se parte de la
velocidad tangencial, que está dada por la velocidad angular
multiplicada por el radio:
R* wVt = …. (1)
Ambas catalinas deberán tener velocidades tangenciales iguales.
Vt2 Vt1 = ……… (2)
R2* w2 R1*w1 =
2*2*21*1*2 RNRN ππ = ….. (3)
Donde: N = velocidad en RPM de la catalina.
40
R = radio de la catalina.
Reduciendo la ecuación 3:
R2/R1 N1/N2 = …… (4)
Para el cálculo del motor de la base se requiere, según las
características de operatividad antes mencionadas, una velocidad
de 10 RPMs, y según las dimensiones hechas en Autocad los
discos tienen diámetros de 21cm. la corona y 7.5cm. el piñón.
Entonces en la ecuación 4:
10.5/3.75 N1/10 =
RPMs 28 N1=
De este modo se obtiene que para el motor de la base se requiera
un motorreductor con una velocidad de 28 RPMs. Sin embargo
comercialmente sólo se encuentra de 30 RPMs.
Del mismo modo, se harán los cálculos para el motor acoplado al
tornillo sin fin y que desplazará el sistema empacador en forma
vertical.
En el caso de la torre se vio conveniente trabajar las velocidades
en centímetros por segundo ya que el desplazamiento del sistema
empacador es lineal. Se desea una velocidad de desplazamiento
máxima de 2.5cm/s ya que es suficiente para envolver de un
modo rápido, seguro y uniforme las cargas. El tornillo sin fin fue
torneado con paso de 6mm y una longitud de 1.1 m. Con estos
41
datos se procede a hacer el cálculo para la velocidad del
motorreductor que moverá el tornillo sin fin:
Para ello se usará la ecuación del movimiento rectilíneo uniforme:
t*V D =
t*25mm/s 1100mm =
De donde:
segundos 44 t =
Éste sería el tiempo mínimo que tardaría en desplazarse el
sistema empacador desde la parte más baja hasta la parte más
alta de la máquina.
Ahora para el cálculo de la velocidad del motorreductor de la torre
se utilizará la siguiente ecuación:
(mm/rev) d * V(Rev/min) (cm/s) V =
Donde:
V (cm/s) = Velocidad de desplazamiento vertical en
centímetros por segundos
V (RPM) = Velocidad de giro del tornillo sin fin en
Revoluciones por minuto
d (mm/rev) = Paso entre las crestas del tornillo sin fin en
milímetros por revolución
Reemplazando con los datos que se tienen:
6mm/rev * V(Rev/min) cm/seg 2.5 =
42
Pasándolo a las unidades internacionales:
m/rev 0.006 * V(Rev/min) m/min 60*0.025 =
De donde se obtiene:
rev/min. 250 V(Rev/min)=
Ésta sería la velocidad para el motorreductor de la torre.
Como se adquirió un motor con 1800 RPMS se diseñó una
reducción con engranajes:
El motor que se consiguió tiene una velocidad de 1800 RPMs y de
acuerdo a la ecuación 4:
Se obtiene:
R2/R1 N1/N2 =
R2/R1 1800/250 =
Entonces la relación entre los radios o diámetros de los
engranajes sería:
7.2 R2/R1=
Por lo que se decidió tomar 7 como la relación entre los
engranajes. Y como se tenía los diseños en Autocad discos de
38cm. y de 5.4cm. se procedió a fabricar una corona de 91
dientes y un piñón de 13 dientes, de manera que se cumple con la
relación.
43
3.2.2. Estructura mecánica
A continuación detallaremos los diseños en Inventor, Autocad y la
fabricación de la torre, base, sistema alimentador y del sistema de
sujeción.
3.2.2.1. Diseño de la torre
El proceso de desarrollo de la fabricación de la torre se observa
en el diagrama de flujo de la figura 3.8.
Para iniciar el proceso de diseño se concibió la idea de construir
un armazón que sea sólido y que tenga la capacidad de tener en
el interior un sistema que permita el desplazamiento vertical del
stretch film. Para ello se hizo el diseño de un armazón doble; es
decir, dos castillos unidos por regletas de manera que conformen
una estructura sólida.
El primer paso fue realizar el diseño en Inventor, en este paso se
concibió la idea de rectificar los errores posibles que impidan el
funcionamiento mecánico y mejorar los detalles de acoples antes
de la construcción. En la figura 3.9, se muestra el armazón
diseñado en inventor, el acople del carrito al tornillo sin fin y las
medidas utilizadas.
44
Figura 3.8: Diagrama de flujo del proceso de fabricación de la torre
45
Con el diseño tridimensional desarrollado, el siguiente paso fue
diseñar la estructura en Autocad, en este paso se establecieron
las medidas detalladas de cada estructura y el tipo de ensamble
de las partes, a través de dispositivos mecánicos, tales como:
engranajes, chavetas, chumaceras, poleas, entre otros.
En la figura 3.10, se muestra la vista de perfil del diseño de la
torre en Autocad; en la cual se observa los dos castillos, el acople
del carrito y el acople del tornillo sin fin.
El acople del tornillo sin fin a las tapas de la torre, tanto superior
como inferior, se muestran en la figura 3.11.
En esta vista de perfil se observa la chumacera, que tiene
encajada un rodaje y en la cual va acoplada el tornillo sin fin
permitiendo el rodamiento del mismo. Las medidas mostradas
están en milímetros.
En la figura 3.12, se muestran: una vista de perfil del carrito,
donde se observa las poleas y las guías por donde se desplazan,
y la tuerca enroscada al tornillo sin fin que permite el ascenso y
descenso vertical del carrito, y otra vista superior donde se indican
los detalles de acople del carrito a la torre, tales como, poleas,
rodajes, pernos, entre otros. Las medidas mostradas están en
milímetros.
46
El paso final fue la construcción de la torre, en la cual se resumió
todos los detalles de diseño previamente concebidos.
En la figura 3.13, se muestra la torre construida, el acople del
tornillo sin fin a la tapa inferior del castillo y el motor con el acople
del piñón y la corona para la reducción de velocidad.
En la figura 3.14, se muestra el carrito acoplado, el soporte donde
se implementa el sistema sujetador y el acople del carrito a la
tuerca que permite el ascenso y descenso del carrito y a su vez
del sistema alimentador de stretch film.
La vistas de las piezas fabricadas muestran el fielmente la forma
de los diseños previamente desarrollados tanto en Inventor como
en Autocad.
47
Castillo principal
Castillo secundario
120 cm
Motor y corona acoplados al tornillo
sin fin
Figura 3.9: Diseño en inventor de la torre
17.5 cm 22 cm
Carrito acoplado al tornillo sin fin.
10 cm 10 cm
11.7 cm
Tornillo sin fin
48
120 cm
17.5 cm
Castillo principal
Castillo secundario
Acople del tornillo sin fin a la torre.
(Ver figura 3.11)
Acople del tornillo sin fin a la torre.
(Ver figura 3.11)
Acople del carrito al tornillo sin fin.
(Ver figura 3.12)
Castillo doble unidos para el soporte sólido del carrito,
tornillo sin fin y el motor
Figura 3.10: Vista de perfil del diseño de la torre en
Autocad
49
Figura 3.11: Vista de perfil del acople del tornillo sin fin a las tapas de la torre
35 Diámetro del tornillo
sin fin
Tapa superior del castillo
Tapa inferior del castillo
Castillo principal Castillo secundario
Chumacera Rodaje
Tornillo para ensamble con la tapa
Guías para las poleas del carrito
50
Poleas que permiten el desplazamiento vertical
del carrito Tornillo sin fin
Castillo secundario que sirve de guía a las
poleas
Castillo Principal
Tuerca acoplada al torni llo sin fin
Perno eje de las poleas
Perno sujetador de las placas del
castillo secundario
117
Poleas que permiten el desplazamiento vertical
del carrito
Rodajes
Castillo secundario
Perno sujetador de las placas del
castillo secundario
Tuerca acoplada al torni llo sin fin
Soporte para el sistema alimentador
Castillo principal
Pernos ejes de las poleas
Carrito
VISTA DE PERFIL DEL CARRITO
VISTA SUPERIOR DEL CARRITO
Figura 3.12: Vistas de perfil y superior del carrito acoplado a la torre
51
Vista de perfil de la torre Acople del tornillo sin fin
Chumacera
Rodaje
Tornillo sin fin
Figura 3.13: Vistas de la torre y acople del tornillo sin fin construidos
52
Figura 3.14: Vistas del carrito construido y acoplado
Vista del carrito
Poleas
Soporte para el sistema alimentador
Vista superior del acople del carrito al tornillo sin fin por medio de la tueca
Carrito
Tuerca
Poleas
Castillo guía para las poleas
Tornillo sin fin
53
3.2.2.2. Diseño del sistema alimentador
El proceso de desarrollo de la fabricación del sistema alimentador
de stretch film se observa en el diagrama de flujo de la figura 3.15.
De manera similar a la construcción de la torre, el sistema
alimentador se diseñó inicialmente en Inventor, en este paso se
concibieron las siguientes ideas:
Construir un mecanismo de alineamiento que
permita la salida uniforme y continua del stretch film.
Construir un mecanismo de frenado que permita
tensar la salida del stretch film.
Figura 3.15: Diagrama de flujo del proceso de fabricación
del sistema alimentador de plástico film estirable
54
Construir un mecanismo de soporte para el tubo
donde está enfardado el stretch film.
Con estas premisas, en la figura 3.16 se muestra el diseño en
Inventor y en la cual se observa las medidas y los criterios
descritos anteriormente.
Figura 3.16: Diseño en Inventor de sistema alimentador
de plástico film estirable
Mecanismo de alineamiento
Soporte de tubo de plástico film
estirable
Tapa que asegura el de tubo de plástico
film estirable
Doble ranura para el encaje del tubo de
plástico film estirable
Mecanismo de ajuste mecánico
regulable
20cm 13cm
31cm
55
Se colocó dos rodillos en el mecanismo de alineamiento, véase
figura 3.16, uno de caucho y otro de fierro galvanizado para que el
sistema tenga una salida continua sin arrugas y uniforme. Para tal
efecto el stretch film colocado de la forma como se observa en la
figura 3.17, permite la linealidad que se requiere.
En caso del mecanismo de ajuste, la regulación se hace a través
de un perno que a su vez permite el frenado de uno de los rodillos
por acción del ajuste con el caucho, el cual permite que el stretch
film tenga una salida tensada. Adicionalmente, se diseñó un “ojo
chino” que permite el desplazamiento del rodillo de caucho para
Figura 3.17: Vista superior del sistema alimentador que muestra la forma de colocar el
plástico film estirable para una salida uniforme, alineada y continua.
Soporte contenedor de plástico film estirable
Rodillo de caucho Rodillo galvanizado
Salida uniforme y alineada de stretch film
Salida de stretch film
56
que el stretch film se pueda colocar. En la figura 3.18 se muestran
los detalles en Autocad del mecanismo de ajuste y del “ojo chino”
de los alineadores.
Finalmente, la construcción del sistema alimentador refleja los
diseños previos. En la figura 3.19, se muestran los resultados que
se obtuvo en la construcción. Y en la figura 3.20, se muestra el
sistema alimentador acoplado al carrito en la torre.
Figura 3.18: Vista superior del mecanismo de ajuste
Ajuste del rodillo con el caucho (en sentido de
la flecha)
Perno para el ajuste mecánico (en sentido
de la flecha)
“Ojo chino” para el desplazamiento del
rodillo
Resortes que complementan el funcionamiento Soporte del plástico
film estirable
57
Figura 3.19: Vistas del sistema alimentador construido
Vista del soporte del film estirable
Vista de apertura del rodillo por efecto del ojo chino
Vista del mecanismo de ajuste para la tensión
Vista del perno que regula el ajuste del rodillo
58
3.2.2.3. Diseño de la base
El proceso de desarrollo de la fabricación de la base se observa
en el diagrama de flujo de la figura 3.21.
El primer paso fue diseñar en Inventor la estructura de la base de
acuerdo a las siguientes características preconcebidas:
Material estriado para la plataforma para evitar el
deslizamiento del pallet.
Utilización de ruedas para la distribución del peso del
pallet.
Colocación de bastidores para la solidez.
Figura 3.20: Vista del acople del sistema alimentador al carrito de la torre
59
El sistema de transmisión de acuerdo con los criterios
desarrollados en subcapítulo 3.2.2.2.
Utilización de un alineador para adecuar el alineamiento y
tensión de la cadena.
Mecanismo que permita el paso de la alimentación durante
la rotación de giro.
Acople del motorreductor al sistema de transmisión.
Figura 3.21: Diagrama de flujo del proceso de fabricación de
la base
60
En la figura 3.22a, se muestra el diseño en Inventor de las
medidas externas y las partes que conforman la base.
Para construir el mecanismo que permite el paso de alimentación
para el sistema de sujeción, se diseñó un contra placado de dos
plataformas de igual dimensión de manera que el peso se
mantenga distribuido y el cable de alimentación no se enrede. En
la figura 3.22b, se muestra el diseño en Inventor del contra
aplacado.
Figura 3.22a: Diseño en Inventor de la base
Destruidores de peso
105cm
61cm
34cm
36cm
19cm
45cm
34cm
25cm
Corona y piñón para la transmisión
Alineador
Bastidores para la solidez
70cm
61
Al igual que el desarrollo de las otras partes, el siguiente paso fue
el desarrollo en Autocad, en la cual se definieron la posición de la
ruedas distribuidoras de peso, la posición de la corona, del piñón
y del alineador. En la figura 3.23, se muestra la vista superior de
la base y las medidas utilizadas en cm.
En la figura 3.24, se muestra la vista de la plataforma giratoria,
sus piezas integradas y las medidas utilizadas en mm.
En la figura 3.25, se muestra la vista del piñón acoplada al eje del
motorreductor y sus piezas integradas y las medidas utilizadas en
mm.
Figura 3.22b: Diseño en Inventor del contra placado
3.5cm
Contra placado de las plataformas de igual
dimensión
Mecanismo para la alimentación del
sistema de sujeción
Tuerca doble para el ajuste de las plataformas.
62
Adicionalmente, se diseñaron, también en Autocad, las piezas
mecánicas como; las ruedas, el alineador y el mecanismo que
permite la alimentación del sistema de sujeción.
Figura 3.23: Vista superior de la base
Ruedas distribuidoras de peso
Corona de soporte del contra placado
Piñón que se acopla al eje del motorreductor
Alineador
Cadena
14.5
2.7
Bastidores
63
Figura 3.24: Vista de perfil de la plataforma giratoria de la base
Chumacera
Rodaje
Contra placado
Plataforma estriada
Chaveta
Pernos de fijación
Corona
Figura 3.25: Vista de perfil del piñón acoplado al eje del motorreductor
Eje del motorreductor
Piñón
Chumacera Rodaje
Chaveta
64
En la figura 3.26, se muestran los diseños en Autocad de las
ruedas y del alineador con las medidas utilizadas en milímetros. Y
en la figura 3.27 se muestra el mecanismo de transmisión de
energía con las medidas en centímetros, en la cual se puede
observar dos varillas que van en contacto con dos discos (ambos
son materiales conductores). Las dos varillas están conectadas a
los polos positivo y negativo de una fuente de 24Vdc y que al
contacto con los discos se polarizan y permiten la alimentación.
Este mecanismo se diseñó con la intensión de alimentar el
motorreductor DC del sistema de sujeción de manera que el cable
no se enrede por efecto de giro de la plataforma.
Figura 3.26: Vista frontal de la ruedas distribuidoras de peso y vista de perfil del
alineador
Rodaje
Rodaje Perno que sirve de eje
Soporte del mecanismo
Llantas de caucho de radio 35mm y
altura 10mm
Piñón
Ruedas Alineador
65
El paso final fue la construcción de las estructuras respetando los
diseños desarrollados. En la figura 3.28, se muestra la base y sus
partes.
En la figura 3.29, se muestra el acople del piñón al motorreductor.
Asimismo, en la figura 3.30, se muestra el mecanismo de
transmisión de corriente.
Plataforma Inferior
Cables de alimentación
Varillas de conducción
Discos de conducción
Rodaje
Figura 3.27: Vista de perfil del mecanismo de transmisión de energía
66
Figura 3.28: Vistas de la base fabricada
Ruedas
Cadena
Bastidores
Contra placado
Soporte para el contra placado (contiene las
catalinas)
Plataforma estriada
Figura 3.29: Vistas del acople del piñón al eje del motorreductor
Acople del eje al piñón
Piñón
Motorreductor
Chumacera
Cadena
67
3.2.2.4. Diseño del sistema sujetador
El proceso de diseño y fabricación del sistema de sujeción se
muestra en el diagrama de flujo en la figura 3.31.
El sistema de sujeción fue diseñado para que el operador de la
máquina envolvedora no tenga la necesidad de liar el stretch film
al pallet, sino que el sistema, que es una pinza, sujete el film al
inicio y en una vuelta de la plataforma giratoria, con el film ya
adherido a la estiba, la pinza se abra y suelte el film, y cuando el
proceso de embalaje haya terminado la pinza se cierre
Figura 3.30: Vista del mecanismo de transmisión de energía para la alimentación del sistema de
sujeción
Varillas conductoras conectadas a la fuente de 24 Vdc
Discos conductores conectados al motor
Material no conductor
Salida de cables de alimentación para el motorreductor DC
68
sujetando el film para el siguiente enfardado, evitando así que el
operador intervenga.
En la figura 3.32, se muestra el diseño en Inventor del sistema de
sujeción y las partes que la conforman.
Debido a que el diseño no requería mayor detalle se procedió a la
fabricación de la estructura, los resultados se muestran en la
figura 3.33a, y en la cual se observa la pinza con el mecanismo de
piñones entrelazados, el motorreductor y el acoplamiento a la
base.
Figura 3.31: Diagrama de flujo del proceso de
fabricación del sistema de sujeción
69
Adicionalmente, se colocó un switch entre la base y la pinza de
manera que sirva de indicador para posicionar el sistema de
sujeción en frente del sistema alimentador para que al cerrarse
sujete el stretch film. El switch se muestra en la figura 3.33b.
Figura 3.32: Diseño en Inventor del sistema de sujeción
17.5cm
17.5cm
2.5cm 2.5cm
4cm
10cm
Pinza con caucho para la
sujeción
Pinza tubular para ejercer presión en
la sujeción
Soporte para el motorreductor DC
Acople del sistema de sujeción a la
plataforma giratoria
Piñones de 36 dientes acoplados para permitir
el giro en ambos sentidos de la pinza
70
Figura 3.33a: Vistas del sistema de sujeción construido
Motorreductor
Plataforma estriada
Pinza con caucho
Pinza tubular
Piñones entrelazados
Pinza cerrada
Pinza abierta
Acople a la base
Contra placado
Figura 3.33b: Vistas del switch con el sistema de sujeción en la base
Switch
Contra placado
Sistema de sujeción
Base
71
3.3. Diseño y fabricación de la parte electrónica
Como se describió en el diagrama de flujo, la segunda etapa del proyecto es la
automatización de la máquina envolvedora. Para ello, se instaló un PLC
SIEMENS, dos variadores de velocidad SINAMICS G110, dos sensores
inductivos, un sensor de proximidad y un panel de operador touch screen. La
interacción del PLC con los periféricos sincronizará el funcionamiento de
manera que el operador sólo tenga que presionar un botón para embalar una
estiba.
3.3.1 Módulo central de control.
Se instaló un módulo central que contiene internamente un PLC
SIEMENS S7-200 de CPU 224, un módulo analógico EM-235, una
fuente SIEMENS de 24Vdc y un panel de operador touch screen TP-070
y externamente tiene pulsadores, leds, botones, switches y bornes que
están conectados a los puertos de entrada y salida del PLC. El esquema
de conexiones general se muestra en el anexo L.
En la figura 3.34, se muestran las partes internas y externas del módulo
de control.
En cuanto a la parte externa, los componentes instalados tienen el
funcionamiento mostrado en la tabla 3.3. Cabe resaltar, que los
pulsadores no son utilizados debido a que los ajuste se hacen por touch
72
screen o EXSCADA, el selector permite determinar que tipo de terminal
se va a utilizar si es el panel de operador touch screen o EXSCADA, en
caso de utilizar el panel de operador se conectan los terminales DB9 del
módulo y en caso de utilizar el EXSCADA sólo el terminal del PLC.
Led de color rojo Indica máquina detenida
Led de color verde Indica máquina en
funcionamiento
Pulsador de color rojo No utilizado
Pulsador de color verde No utilizado
Pulsador de enclavamiento Emergencia
Selector Selecciona si se utilizará el touch
screen o EXSCADA
Bornes laterales Conexiones a los puertos entrada
y salida del PLC
Conector DB9 superior Comunicación con el touch
screen
Conector DB9 inferior Comunicación con el PLC
Tabla 3.3: Descripción de los componentes externos del módulo
de control
73
Figura 3.34: Vista externa e interna del módulo de control
TOUCH SCREEN TP-070
Selector
Leds indicadores Pulsadores
Bornes
Switch de encendido
PLC SIEMENS S7-200 / CPU -224
Conexiones de los bornes al PLC
Fuente 24 Vdc
Módulo analógico EM-235
TOUCH SCREEN TP-070
Conexiones
P arte externa del módulo
Parte interna del módulo
74
En la figura 3.35, se muestra la instrumentación acoplada al módulo.
En cuanto a la parte interna, el PLC SIEMENS S7-200 es el instrumento
principal porque gobierna el funcionamiento de la máquina y la
comunicación entre el touch screen o el EXSCADA.
El PLC S7-200 utilizado tiene un CPU 224 la cual presenta las siguientes
características resaltantes (la hoja técnica se muestra en el anexo I):
Voltaje de alimentación de 24 Vdc.
14 entradas y 10 salidas digitales.
Capacidad de expansión de hasta 7 módulos.
Memoria de programa de 4096 palabras.
Memoria de datos de 2560 palabras.
En la figura 3.36, se muestra el diagrama de flujo que corresponde a la
programación del PLC en cuanto se refiere a la operatividad de la
máquina envolvedora. En el anexo D, se mostrará el diagrama de flujo
completo del PLC indicando las subrutinas de configuración de
comunicación con el EXSCADA y con el touch screen.
75
Figura 3.35: Descripción de los componentes externos del módulo de control
Emergencia
Pantalla del Touch SCREEN
VISTA FRONTAL
Leds indicadores de funcionamiento
Interruptor de inicio
VISTA DE PERFIL
Conector DB9 comunicación
PLC
Conexiones a las entradas y salidas
del PLC
Alimentación 220 Vac
Selector Touch screen / EXSCADA
Conector DB9 comunicación Touch screen
76
La distribución de los puertos de entrada y salida digitales y analógicos
para el control de la máquina envolvedora se muestran en la tabla 3.4.
En cuanto a las características del módulo analógico EM-235, se
muestra en la tabla 3.5. Y en la figura 3.37 se muestra el módulo de
control instalado en la torre.
1
1
2
2
Figura 3.36: Diagrama de flujo de la operatividad de la máquina en el PLC
77
Tabla 3.4: Distribución de los puertos de entrada y salida del PLC
78
Tipo de entrada Diferencial
Voltaje Máximo de entrada 30Vdc
Corriente Máxima de entrada 32mA
Resolución 12 bits conversión A/D
Rango de voltaje de salida ±10
Rango de corriente de salida 0 a 20 mA
Capacidad 3 entradas / 1 salida
Figura 3.37: Vista del módulo de control instalado en la torre
Módulo de control
Torre
Tabla 3.5: Características del módulo analógico EM-235
79
3.2.3. Módulo convertidor de frecuencia SINAMICS G110
Para el control de velocidad de los motores instalados, se utilizaron dos
variadores de velocidad SINAMICS G110 y las características más
resaltantes que se tuvieron en cuenta para la selección se muestran en
la tabla 3.6. Adicionalmente, la hoja técnica se muestra en el anexo C.
En la figura 3.38, se muestra los variadores instalados en la torre y
conectados al módulo de control. La configuración de funcionamiento de
los variadores se muestra en el diagrama de flujo en la figura 3.39.
Capacidad de potencia 0,12 Kw a 3,0 Kw
Frecuencia de trabajo 0 a 60 Hz
Alimentación Entrada trifásica/monofásica
Salida trifásica
Método de control Característica V/F lineal
Entradas digitales 3 configurables tipo PNP
Entrada analógica 1 de 0 a 10 V
Salida digital 1 de 24 Vdc
Puerto serie RS485 con protocolo USS
Tabla 3.6: Características del variador de velocidad SINAMICS G110
80
El variador SINAMICS G110 cuenta con un panel de operador básico
denominado BOP, con el cual se puede configurar sus parámetros,
encender/apagar el variador y visualizar la frecuencia de trabajo. En la
figura 3.40 se muestran las partes que componen el variador.
Figura 3.38: Vista del variador de velocidad implementado y conectado
al módulo de control
Variadores de Velocidad
Módulo de control
Conexiones
Torre
81
Figura 3.39: Diagrama de flujo de configuración del SINAMICS G110
Figura 3.40: Vista del variador de velocidad y sus partes
BOP
Display
Botones para encender/apagar
el variador
Bornes
Botones para configurar parámetros
82
3.3.2.1. Descripción de bornes
El convertidor de frecuencia SINAMICS G110 cuenta con 10
bornes distribuidos entre entradas/salidas digitales y analógicas.
En la tabla 3.7, se muestra los bornes del convertidor de
frecuencia. En la figura 3.41, se muestra lo forma de conexión a
los bornes.
# Borne Función
1 Salida digital negativa
(DOUT-)
2 Salida digital positiva
(DOUT+)
3,4 y 5 Entradas digitales
(DIN0, DIN1 y DIN2)
6 Alimentación de 24 Vdc
7 0 Vdc
8
Alimentación positiva de
hasta 10 Vdc para la
entrada analógica
9 Entrada analógica
(AIN)
10 0 Vdc para la entrada
analógica
Tabla 3.7: Bornes y funciones del variador de velocidad SINAMICS G110
83
3.3.2.2. Conexiones al PLC
Es necesario regular las velocidades de giro tanto de la
plataforma y como del tornillo sin fin que permite el
desplazamiento vertical del sistema alimentador. Para ello, y
como ya se mencionó, se utilizó un variador para cada motor, sus
configuraciones y conexiones se mostrarán a continuación:
A) Motor de la plataforma giratoria
El giro de la plataforma debe ser regulado dependiendo del
tipo de carga a envolver, es decir, con una velocidad lenta
si las cargas inestables y una velocidad alta si son
estables. Para nuestra aplicación se decidió configurar una
velocidad fija que se configuró directamente con el panel
Figura 3.41: Vista de los bornes del SINAMICS G110
Tipo de conexión digital
Tipo de conexión analógica
84
de operador. La configuración del convertidor de frecuencia
se adjunta en el anexo H.
La salida Q0.0 se conecta a la entrada DIN0 del convertidor
para el encendido y apagado, se unen las tierras para que
la fuente usada sea del PLC y el set point de trabajo fijo de
55.6 Hz. Véase en la tabla 3.8.
B) Motor de desplazamiento del sistema alimentador
del stretch film
El motorreductor que controla el giro del tornillo sin fin el
cual permite el desplazamiento vertical del sistema
alimentador tiene que cumplir dos funciones: invertir el
sentido de giro, para poder desplazar el sistema de rodillos
hacia arriba y hacia abajo y regular la velocidad para
regular la densidad con la que se desee envolver la carga.
SINAMICS G110 PLC –S7 200
DIN0 Q0.0
Borne 7 Tierra del PLC
P1040 55.6 Hz
Tabla 3.8: Conexiones del PLC al variador de velocidad para la base
85
Para ello se conectó DIN0 al Q0.2 del PLC para encender
apagar el variador, DIN1 al Q0.3 para invertir el giro del
motor, los negativos para usar el PLC como fuente y el
A0.0 al borne 9 (analógico) para regular la frecuencia de
trabajo. Véase tabla 3.9.
3.3.3. Instrumentación
El proyecto incorpora sensores que indican el límite de carrera; tanto
superior, como inferior, denominado sensores inductivos; también se
implementó un sensor de proximidad para determinar la existencia de
estiba sobre la plataforma giratoria y finalmente se implementó una
tarjeta que permita invertir el giro del motorreductor DC del sistema de
sujeción.
SINAMICS G110 PLC –S7 200
DIN0 Q0.2
DIN1 Q0.3
Borne 7 y 10 Tierra del PLC
Borne A0.0
Tabla 3.9: Conexiones del PLC al variador de velocidad para la torre
86
3.3.3.1. Sensores inductivos
Los sensores inductivos se utilizan para delimitar un rango de
desplazamiento vertical del sistema de alimentador para que éste
no sobrepase los límites mecánicos.
Las características de los sensores inductivos utilizados se
muestran en la tabla 3.10, cabe resaltar este tipo de sensores
detectan metales a corto alcance.
En la figura 3.42, se muestra el sensor instalado en la torre.
3.3.3.2. Sensor de proximidad
Como se mencionó anteriormente, el sensor de proximidad
Marca WRENGLOR
Voltaje de alimentación 10 a 30 Vdc
Corriente de salida 6 mA
Frecuencia de switch 300 Hz
Distancia de alcance 10 mm
Protección de corto circuito, sobre tensión y polaridad
inversa
Tabla 3.10: Características de los sensores inductivos
87
utilizado es infrarrojo ya que se requería de un mayor alcance
para detectar las cargas situadas sobre la plataforma giratoria.
Del mismo modo, este sensor también indicará cuando se ha
alcanzado la altura máxima de la estiba a envolver.
Las características del sensor de proximidad infrarrojo utilizado se
muestran en la tabla 3.11.
En la figura 3.43, se muestra el sensor instalado en el sistema
alimentador.
Figura 3.42: Vistas de los sensores inductivos instalados en la torre
Parte superior de la torre
Parte inferior de la torre
Sensor inductivo
Torre
Sistema alimentador
Torre
Sensor inductivo
88
Marca WRENGLOR
Voltaje de alimentación 10 a 30 Vdc
Led indicador Estado de salida,
programación y lente sucia
Distancia de alcance 500 mm
Protección de corto circuito, sobre tensión y polaridad
inversa
Permite regular la distancia que se desee detectar
Tabla 3.11: Características del sensor de proximidad tipo infrarrojo
Figura 3.43: Vista del sensor de proximidad instalado en el
sistema de sujeción
Torre
Sistema alimentador
Sensor infrarrojo
89
3.3.3.3. Tarjeta de inversión de giro
Para conseguir la inversión de giro de la pinza, el cual permite que
se sujete o no el stretch film, se diseñó una tarjeta que permita
invertir el sentido de alimentación del motorreductor DC del
sistema de sujeción, la cual va a influir en el sentido de giro.
Para tal función se está utilizando las salidas digitales Q0.4 y Q0.5
del PLC que van a permiten conmutar los relés y a la vez cambiar
el sentido de alimentación.
En la figura 3.44 se muestra el esquema de conexiones y en la
figura 3.45 se muestra la tarjeta de instalada en la torre.
Figura 3.44: Esquema de la tarjeta de inversión de giro
90
3.4. Viabilidad económica
El costo final del proyecto es de $ 1823.88 (incluye construcción mecánica e
instrumentación) más $ 600.00 de mano de obra, haciendo un total de
$ 2423.88.
Los costos de la construcción e instrumentación se describen en la tabla 3.12.
Figura 3.45: Vista de la tarjeta de inversión de giro de las pinzas
91
El tiempo de ejecución del proyecto se resume en la tabla 3.13.
Tabla 3.12: Costos de la construcción e implementación de la máquina
envolvedora
92
SEMANA DESCRIPCIÓN
1-3 Recolección de información para el diseño de la máquina
4 Especificación de la parte mecánica, eléctrica y electrónica
5-7 Diseño de la estructura mecánica
8-15 Construcción y ensamblaje de la parte mecánica e implementación del sistema eléctrico
16 Prueba de funcionamiento mecánico del sistema
17 Diseño de la comunicación del PLC (s7-200) con la computadora (Sistema ExScada) y con el panel de operador TP-070
18 Configuración de parámetros para la comunicación entre el PLC y la PC. mediante el modo freeport del PLC y el puerto serial RS-232 de
la PC
19-20 Implementación de los sensores
Implementación y configuración de los variadores de velocidad Modelamiento Matemático
21-24 Desarrollo del sistema de supervisión y monitoreo a través de un sistema ExScada
25-27 Desarrollo del algoritmo de control de posición, control flujo de comunicación y sincronización de funcionamiento
28 Prueba de control On-Line Prueba general de la máquina
29 Diseño del sistema automático del sujetado y cortado del plástico
30-31 Construcción del sistema automático
32 Prueba Final de la máquina
Tabla 3.13: Cronograma de ejecución del proyecto
