BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA ESCUELA DE INGENIERÍA I NGENIERÍA
“DISEÑO DE CORTADORA AUTOMÁTICA PARA ALIMENTOS ”
Tesina para obtener el título de: INGENIERO EN MECÁNICA ELÉCTRICA
PRESENTA: RENE ALEJANDRO SALDAÑA CUANALO MATRÍCULA: 200620709
TUTOR: ING. JAVIER FLORES MÉNDEZ
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INDICE
1. Objetivos ..................................................................................................................................
1
2. Justificación del tema ..........................................................................................................
2
3. Antecedentes .........................................................................................................................
3
3.1.
Procesos de fabricación .............................................................................................. 3
3.1.1.
Procesos de manipulación manipulación ................................................................................. 3
3.1.2.
Procesos de almacenamiento................ ................. .................. ................. ....... 4
3.1.3.
Procesos de extracción ....................................................................................... 5
3.1.4.
Procesos de elaboración ....................................................................................
3.1.5.
Procesos de conservación .................................................................................. 7
3.1.6.
Procesos de envasado ......................................................................................... 8
4. Fundamentos teóricos .......................................................................................................... 4.1.
9
Control................ ................. ................. .................. ................. .................. .................. ...... 9
4.1.1. 4.2.
6
Tipos de dispositivos de control: ........................................................................ 9
Mecanismos ..................................................................................................................
14
a. Neumática .....................................................................................................................
14
b. Mecánica .......................................................................................................................
16
c. Electromecánica................. ................. .................. ................. .................. ................. .. 17 4.3.
Software ..........................................................................................................................
A.
18
Planificación .............................................................................................................. 18
B. Implementación, pruebas y documentación ..................................................... 18 C.
Despliegue y mantenimiento ............................................................................... 19
5. Desarrollo ...............................................................................................................................
20
5.1.
Diseño de piezas en CATIA ....................................................................................... 20
5.2.
Cálculos de mecanismos .......................................................................................... 24
5.3.
Electrónica .....................................................................................................................
5.4.
Desarrollo de software ................................................................................................ 33
5.4.1. 5.5.
26
Diagrama de flujo ................................................................................................ 33
Simulaciones de pruebas .......................................................................................... 40 ii
INDICE
1. Objetivos ..................................................................................................................................
1
2. Justificación del tema ..........................................................................................................
2
3. Antecedentes .........................................................................................................................
3
3.1.
Procesos de fabricación .............................................................................................. 3
3.1.1.
Procesos de manipulación manipulación ................................................................................. 3
3.1.2.
Procesos de almacenamiento................ ................. .................. ................. ....... 4
3.1.3.
Procesos de extracción ....................................................................................... 5
3.1.4.
Procesos de elaboración ....................................................................................
3.1.5.
Procesos de conservación .................................................................................. 7
3.1.6.
Procesos de envasado ......................................................................................... 8
4. Fundamentos teóricos .......................................................................................................... 4.1.
9
Control................ ................. ................. .................. ................. .................. .................. ...... 9
4.1.1. 4.2.
6
Tipos de dispositivos de control: ........................................................................ 9
Mecanismos ..................................................................................................................
14
a. Neumática .....................................................................................................................
14
b. Mecánica .......................................................................................................................
16
c. Electromecánica................. ................. .................. ................. .................. ................. .. 17 4.3.
Software ..........................................................................................................................
A.
18
Planificación .............................................................................................................. 18
B. Implementación, pruebas y documentación ..................................................... 18 C.
Despliegue y mantenimiento ............................................................................... 19
5. Desarrollo ...............................................................................................................................
20
5.1.
Diseño de piezas en CATIA ....................................................................................... 20
5.2.
Cálculos de mecanismos .......................................................................................... 24
5.3.
Electrónica .....................................................................................................................
5.4.
Desarrollo de software ................................................................................................ 33
5.4.1. 5.5.
26
Diagrama de flujo ................................................................................................ 33
Simulaciones de pruebas .......................................................................................... 40 ii
5.5.1.
Diseño (análisis de colisiones) ......................................................................... 40
5.5.2.
Neumática .............................................................................................................
41
6. Resultados ..............................................................................................................................
44
7. Conclusiones .........................................................................................................................
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8. Bibliografía .............................................................................................................................
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iii
DISEÑO DE CORTADORA AUTOMÁTICA PARA ALIMENTOS
1. Objetivos 1.1. General: Diseñar las piezas mecánicas, diagramas de control neumático, diagramas de control eléctrico, diagramas de circuitería electrónica de control y potencia y programación de una cortadora automática de alimentos. 1.2. Específicos: 1.2.1. Diseñar piezas mecánicas y ensamble en software de diseño CATIA. 1.2.2. Diseñar un circuito de flujo neumático para la cuchilla que hará el trabajo de corte mediante un cilindro de simple efecto. 1.2.3. Diseñar el diagrama de circuito electrónico de control usando un microcontrolador Arduino. 1.2.4. Diseño de etapas de potencia para manipulación de motor de banda y electroválvula de activación de cilindro neumático de simple efecto. 1.2.5. Programación de puesta en marcha y paro automático y manual de la banda así como botón de paro de emergencia.
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2. Justificación del tema
En la actualidad, las empresas que se encargan de cortar, procesar, empacar y/o distribuir alimentos utilizan procesos casi 100% automatizados para evitar que la comida se contamine con microorganismos que podrían descomponer dicho alimento o portar algún virus, es decir, las máquinas se encargan de todo el proceso desde que llega el producto del campo en camiones y contenedores hasta que sale de la fábrica enlatado o empacado sin pasar en ningún momento por el contacto humano. Existen diversos tipos de máquinas encargadas de cada proceso y prácticamente cada una es personalizada a la necesidad de la línea de producción en la que trabajará. En este caso se desarrollará una máquina que realice cortes de casi cualquier tipo de alimentos la cual podrá ser reprogramable, operada manualmente o de manera automática una vez que esté puesta a punto conforme las necesidades de la línea de producción lo requiera. Una máquina de corte es siempre necesaria en la industria alimenticia para tener un mayor control en el peso, tamaño o cantidad de alimento se requiera para cada empaque ya que una anomalía en el proceso puede generarle pérdidas importantes a la empresa en diversos sectores. Ésta máquina es capaz de cortar desde una tira de mantequilla hasta pedazos de verdura dura como zanahoria o pepino a diferentes velocidades para regular el tamaño del corte. Toda máquina que se implementa en la industria de los alimentos debe ser de acero inoxidable de grado alimenticio por lo que se tomará en cuenta para los cálculos del torque necesario del motor para mover la banda con una carga definida. Con el mismo cuidado se implementará un cilindro de simple efecto que haga la función de la guillotina de corte para reducir el consumo de energía y el arranque del motor se realizará regulando su ancho de pulso con el fin de evitar los picos de voltaje de arranque y por ende generar un ahorro energético incrementando la eficiencia del dispositivo ya sea de manera automática para una empresa muy grande o para una pequeña que su finalidad sea simplemente la de cortar alimentos uniformemente para darle mayor presentación y precisión en el peso a los productos que comercialicen.
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3. Antecedentes La industria alimentaria es la parte de la industria encargada de la elaboración, transformación, preparación, conservación y envasado de los alimentos de consumo humano y animal. Las materias primas de esta industria consisten principalmente de productos de origen vegetal, animal y fúngico. El progreso de esta industria nos ha afectado actualmente en la alimentación cotidiana, aumentando el número de posibles alimentos disponibles en la dieta. El aumento de producción ha ido unido con esfuerzo progresivo en la vigilancia de la higiene y de las leyes alimentarias de los países intentando regular y unificar los procesos y los productos.
3.1. Procesos de fabricación Aunque exista una gran diversidad de industrias alimentarias, los procesos de fabricación pueden clasificarse en seis diferentes:
3.1.1. Procesos de manipulación Los procesos de manipulación personal de la comida tienden a disminuirse en la industria alimentaria, es frecuente ver elementos en las factorías que automatizan los procesos de manipulación humana y animal para la alimentación. Sin embargo aún es posible ver este proceso en algunas industrias alimentarias o por lo menos en alguna parte del proceso desde que llega el alimento hasta que se empaqueta. El factor principal en el proceso de manipulación es la higiene que debe estar presente a lo largo del proceso de manipulación de alimentos que garantizará la salubridad y que a su vez dará seguridad en el consumo e impedirá la transmisión de enfermedades. Sea cual sea la técnica de preparación culinaria, supone un riesgo de contaminación si esta es incorrecta. Quien manipule los alimentos debe respetar normas básicas de higiene con el fin de preservar la salud.
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3.1.2. Procesos de almacenamiento El almacenamiento de materias primas esta orientado a minimizar el efecto de estacionalidad de ciertos productos alimentarios. Generalmente suelen emplearse para el almacenamiento en silos, almacenes acondicionados al tipo de industria específico, cámaras frigoríficas, etc. Cualquier establecimiento que prepara alimentos debería tener por lo menos dos tipos de área de almacenamiento: una para guardar alimentos y otra para sustancias químicas u otros no utilizados en los procesos. Cada una de las áreas tiene un propósito definido y el manipulador tiene que considerar que el diseño y el manejo del espacio para almacenamiento debe ser una prioridad. Existe una variada gama de alimentos que se pueden almacenar a temperaturas entre 5°C a 20°C, por períodos que abarcan semanas, meses y a veces años. En general los alimentos que se adaptan bien a estas condiciones son aquellos cuyo contenido de agua es bajo o que están protegidos por alguna cubierta impermeable como es el caso de los alimentos envasados. Almacenamiento seco: •
•
•
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•
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Mantenga los cuartos de almacenamiento, fríos, secos y bien ventilados. Almacene los alimentos secos alejados de las paredes y al menos a seis pulgadas del piso. Mantenga los alimentos secos alejados de la luz directa del sol. Guarde los alimentos en recipientes duraderos y que no dejen entrar el agua o las plagas. Ajuste la temperatura entre 50 oF y 70oF (10oC y 21oC). Mantenga la humedad entre 60% y 70%. 4
•
Mantenga el área limpia.
3.1.3. Procesos de extracción Algunos alimentos necesitan de procesos de extracción, bien sea de pulpas, huesos o líquidos. Los procesos industriales para realizar la extracción pueden ser mediante la trituración del alimento, el machacado o molienda, extracción mediante calor, secado y filtrado, empleo de disolventes etc. Una trituradora, chancadora o achancador, es una máquina que procesa un material de forma que produce dicho material con trozos de un tamaño menor al tamaño original. Chancadora es un dispositivo diseñado para disminuir el tamaño de los objetos mediante el uso de la fuerza, para romper y reducir el objeto en una serie de piezas de volumen más pequeñas o compactas. Si se trata de una máquina agrícola, tritura, machaca y prensa las hierbas, plantas y ramas que se recogen en el campo. También se puede emplear para extraer alguna sustancia de los frutos o productos agrícolas, rompiendo y prensándolos. Si se trata de una máquina empleada para la minería, la construcción o para el proceso industrial, puede procesar rocas u otras materias sólidas. La molienda es un proceso que persigue extraer jugos de diversos productos de la tierra como la caña de azúcar o la uva. En el caso de la caña de azúcar, la molienda es el paso previo a la elaboración de la panela. También se refiere a la pulverización y a la dispersión del material sólido. Pueden ser granos de cereal, uva, aceitunas, café etc. en productos de alimentación. Aunque también pueden ser piedras o cualquier otro material sólido.
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3.1.4. Procesos de elaboración Los procesos habituales de la elaboración de alimentos, tienen como objeto la transformación inicial del alimento crudo para la obtención de otro producto distinto y transformado, generalmente mas adecuado para su ingesta. Algunos de los procesos de elaboración tienen su fundamento en la conservación del alimento:
Cocción Destilación Secado Fermentación
La cocción es la operación culinaria que se sirve del calor para que un alimento sea más rico, apetecible y digerible, favoreciendo también su conservación. La mayoría de las frutas y muchas verduras pueden comerse crudas, así como en determinados casos la carne, el pescado y los huevos, sin embargo la mayoría de los productos se cocinan. El proceso de destilación es el proceso mediante el cual se efectúa la separación de dos o más líquidos miscibles consiste en un a evaporación y condensación sucesivas, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de los líquidos, también se emplea para purificar un líquido eliminando sus impurezas. En la industria, la destilación se efectúa por medio de alambiques, que constan de caldera o retorta, el refrigerante en forma de serpentín y el recolector; mediante esteprocedimiento se obtiene el agua destilada o bidestilada, usada en las ámpulas oampolletas que se usan para preparar las suspensiones de los antibióticos, así como el agua destilada para las planchas de vapor; también de esta manera se obtiene la purificación del alcohol, la destilación del petróleo, etc. El secado es un método de conservación de alimentos consistente en extraer el agua de estos, lo que inhibe la proliferación de microorganismos y dificulta la putrefacción. El secado de alimentos mediante el sol y el viento para evitar su 6
deterioro ha sido practicado desde antiguo. El agua suele eliminarse por evaporación (secado al aire, al sol, ahumado o al viento) pero, en el caso de la liofilización, los alimentos se congelan en primer lugar y luego se elimina el agua por sublimación. Las bacterias, levaduras y hongos necesitan agua en el alimento para crecer. El secado les impide efectivamente sobrevivir en él. La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, que no requiere oxígeno, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones. Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.
3.1.5. Procesos de conservación Esta fase es vital en algún tipo de producción de alimentos, en parte debido a que los procesos de conservación en la industria alimentaria tienen por objeto la interrupción de la actividad microbiana y prolongar la vida útil de los alimentos. Para ello se tiene la posibilidad de trabajar con:
Pasteurización Esterilización antibiótica Esterilización por radiación Acción química
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3.1.6. Procesos de envasado La crisis del agua y el impacto que causa la industria de embotellado, el agua es cada día más escasa y costosa, las actividades en una industria de bebidas requieren considerable cantidad de este recurso. Existen innumerables estimaciones sobre cuantos litros de agua se necesitan para producir un litro de gaseosa. Cifras procedentes de plantas embotelladoras de otros países indican que el numero optimo es de 2.1 litros de agua por cada litro de bebida embotellada; aunque normalmente fluctúa entre 2.2 a 2.4 litros de agua por cada litro de bebida embotellada.
Habiendo analizado lo anterior, podemos observar que en toda la industria alimentaria existe una infinidad de procesos y por ende una variedad de máquinas automáticas que se encargan de estos procesos aún más grande. Tomando en cuenta esto podemos llegar a la conclusión de que el fabricar una máquina para el proceso de CORTE de alimentos que sea autónoma una vez programada es bastante viable y útil ya que cualquier tipo de industria alimentaria necesita una máquina de estas y como ventaja podemos decir que NO todas las máquinas tienen la versatilidad de ser reprogramable para diferentes cortes de diferentes tipos de alimentos.
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4. Fundamentos teóricos 4.1. Control 4.1.1. Tipos de dispositivos de control: 4.1.1.1. PLC El término “PLC” proviene de las siglas en inglés para PROGRAMABLE LOGIC CONTROLER, y es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Los PLC son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la maquina se suelan almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado. La función básica y primordial del PLC ha evolucionado con los años para incluir el control del relé secuencial, control de movimiento, control de procesos, Sistemas de Control Distribuido y comunicación por red. Las capacidades de manipulación, almacenamiento, potencia de procesamiento y de comunicación de algunos PLCs modernos son aproximadamente equivalentes a las computadoras de escritorio. Un enlace-PLC programado combinado con hardware de E/S remoto, permite utilizar un ordenador de sobremesa de uso general para suplantar algunos PLC en algunas aplicaciones. En cuanto a la viabilidad de estos controladores de ordenadores de sobremesa basados en lógica, es importante tener en cuenta que no se han aceptado generalmente en la industria pesada debido a que los ordenadores de sobremesa ejecutan sistemas operativos menos estables que los PLCs, y porque el hardware del 9
ordenador de escritorio está típicamente no diseñado a los mismos niveles de tolerancia a la temperatura, humedad, vibraciones, y la longevidad como los procesadores utilizados en los PLC. Además de las limitaciones de hardware de lógica basada en escritorio; sistemas operativos tales como Windows no se prestan a la ejecución de la lógica determinista, con el resultado de que la lógica no siempre puede responder a los cambios en el estado de la lógica o de los estado de entrada con la consistencia extrema en el tiempo como se espera de los PLC’s. Sin embargo, este tipo de aplicaciones de escritorio lógicos encuentran uso en situaciones menos críticas, como la automatización de laboratorio y su uso en instalaciones pequeñas en las que la aplicación es menos exigente y crítica, ya que por lo general son mucho menos costosos que los PLC ’s. Dentro delas ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los PLC’s, presentan ciertas desventajas como es
la necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento. Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).
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4.1.1.2. FPGA Un FPGA (del inglés Field Programable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip. Las FPGA’s se utilizan en aplicaciones similares a los ASIC’s sin
embargo son más lentas, tienen un mayor consumo de potencia y no pueden abarcar sistemas tan complejos como ellos. A pesar de esto, las FPGA’s tienen las ventajas de ser programables, sus
costes de desarrollo y adquisición son mucho menores para pequeñas cantidades de dispositivos y el tiempo de desarrollo también es menor. Una jerarquía de interconexiones programables permite a los bloques lógicos de un FPGA ser interconectados según la necesidad del diseñador del sistema. Estos bloques lógicos e interconexiones pueden ser programados después del proceso de manufactura por el usuario o diseñador, así que el FPGA puede desempeñar cualquier función lógica necesaria. Una tendencia reciente ha sido combinar los bloques lógicos e interconexiones de los FPGA con microprocesadores y periféricos relacionados para formar un sistema programable en un chip. Otra alternativa es hacer uso de núcleos de procesadores implementados haciendo uso de la lógica del FPGA. Muchos FPGA modernos soportan la reconfiguración parcial del sistema, permitiendo que una parte del diseño sea reprogramada, mientras las demás partes siguen funcionando. Este es el principio de la idea de la “computación reconfigurable” o los “sistemas reconfigurables”.
En el FPGA no se realiza programación tal cual como se realiza en otros dispositivos como DSP, CPLD o mictrocontroladores. EL FPGA tiene celdas que se configuran con una función específica ya sea como memoria, como multiplexor o con una función lógica tipo 11
AND, OR, XOR. La labor del programador es describir el hardware que tendrá el FPGA. Por consiguiente la tarea del programador es definir la función lógica que realizara cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos. El diseñador cuenta con la ayuda de entornos de desarrollo especializados en el diseño de sistemas a implementarse en un FPGA. Un diseño puede ser capturado ya sea como esquemático, o haciendo uso de un lenguaje de programación especial. Estos lenguajes de programación especiales son conocidos como HDL. Los HDL mas utilizados son:
VHDL Verilog ABEL
En un intento de reducir la complejidad y el tiempo de desarrollo en fases de prototipaje rápido, y para validar un diseño en HDL, existen varias propuestas y niveles de abstracción del diseño. Los niveles de abstracción superior son los funcionales y los niveles de abstracción inferior son los de diseño a nivel de componentes hardware básicos. Entre otras, LabView FPGA de National Instruments propone un acercamiento de programación gráfica de alto nivel. Cualquier circuito de aplicación específica puede ser implementado en un FPGA, siempre y cuando esta disponga de los recursos necesarios. Las aplicaciones donde mas comúnmente se utilizan los FPGA incluyen los DSP (procesamiento digital de señales), radio definido por software, sistemas aeroespaciales y de defensa, prototipos de ASICs, sistemas de imágenes para medicina, sistemas de visión para computadoras, reconocimiento de voz, bioinformática, emulación de hardware de computadora, entre otras. Cabe notar que su uso en otras áreas es cada vez mayor, sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren un alto grado de paralelismo.
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4.1.1.3. Mictrocontrolador Un microcontrolador (o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida. Algunos mictrocontroladores pueden utilizar palabras de cuatro bits y funcionan velocidad de reloj con frecuencias tan bajas como 4kHz, con un consumo de baja potencia. Por lo general, tendrá la capacidad para mantener la funcionalidad a la espera de un evento como pulsar un botón o de otra interrupción, el consumo de energía durante el sueño puede ser de solo nanovatios, lo que hace que muchos de ellos muy adecuados para aplicaciones con batería de larga duración. Otros microcontroladores pueden servir para roles de rendimiento crítico, donde sea necesario actuar más como un procesador digital de señal, con velocidades de reloj y consumo de energía más altos. Los microcontroladores son diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora utilizara un procesador muy pequeño (4 u 8 bits) porque sustituirá a un autómata finito. En cambio, un reproductor de música y/o video digital como un MP3, requerirá de un procesador de 32 o 64 bits. El control de un sistema de frenos ABS se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bits, al igual que el sistema de control electrónico del motor de un automóvil. Los mictrocontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores simples y el restante corresponde a DSP más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa, seguramente hay distribuidos entre los 13
electrodomésticos de un hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos etc. Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento con un mínimo de circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y salida y la memoria para almacenamiento de información. Una vez que conocemos los tipos de control más comunes para este tipo de máquinas, elegimos el que más nos conviene por lo que se va a utilizar la tecnología de los microcontroladores ya que es más económica, es eficiente, no se necesita de mucha memoria para el programa y almacenamiento de información y su programación es más simple que la de un PLC o un FPGA. El tipo de mictrocontrolador que se va a utilizar es el Atmega de tecnología Arduino; su programación es muy simple y se hace en lenguaje similar al de la programación orientada a objetos de C++.
4.2. Mecanismos a. Neumática La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la ley de los gases ideales.
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Tanto la lógica neumática como la realización de acciones con neumática tienen ventajas y desventajas sobre otros métodos (hidráulica, eléctrica, electrónica). Algunos criterios a seguir para tomar una elección son: El medio ambiente. Si el medio es inflamable no se recomienda el empleo de equipos eléctricos y tanto la neumática como la hidráulica son una buena opción. La precisión requerida. La lógica neumática es de todo o nada, por lo que el control es limitado. Si la aplicación requiere gran precisión son mejores otras alternativas electrónicas. Por otro lado, hay que considerar algunos aspectos particulares de la neumática:
Requiere una fuente de aire comprimido, por lo que se ha de emplear un compresor. Es una aplicación que no contamina por si misma al medio ambiente (caso hidráulica). Al ser un fluido compresible absorbe parte de la energía, mucha más que la hidráulica. La energía neumática se puede almacenar, pudiendo emplearse en caso de fallo eléctrico.
1. Circuito de anillo cerrado: Aquel cuyo final de circuito vuelve al origen evitando brincos por fluctuaciones y ofrecen mayor velocidad de recuperación ante las fugas, ya que el flujo llega por dos lados. 2. Circuito de anillo abierto: Aquel cuya distribución se forma por ramificaciones las cuales no retornan al origen, es más económica esta instalación pero hace trabajar más a los compresores cuando hay mucha demanda o fugas en el sistema. Estos circuitos a su vez se pueden dividir en cuatro tipos de subsistemas neumáticos: 1. 2. 3. 4.
Sistema manual Sistemas semiautomáticos Sistemas automáticos Sistemas lógicos
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Los cilindros neumáticos son dispositivos mecánicos que producen fuerza, a menudo conjuntamente con movimiento, y se accionan por medio de aire comprimido. Para realizar su función, los cilindros neumáticos imparten la fuerza para convertir la energía potencial del aire comprimido en energía cinética. Básicamente consisten en un recipiente cilíndrico provisto de un embolo o pistón. La fuerza de empuje es proporcional a la presión del aire y a la superficie del pistón. Tomando en cuenta esto, se eligió un cilindro de simple efecto activado por medio de una electroválvula de 3 vías y 2 posiciones para subir y bajar la cuchilla de la cortadora de alimentos ya que posee la fuerza necesaria para cercenar casi cualquier tipo de comida ya sea cruda o pre-cocida.
b. Mecánica Un sistema mecánico es aquel constituido fundamentalmente por componentes, dispositivos o elementos que tienen como función específica transformar o transmitir el movimiento desde las fuentes que lo genera, al transformar distintos tipos de energía. Se caracterizan por presentar elementos o piezas sólidas, con el objeto de realizar movimientos por acción o efecto de una fuerza. En ocasiones, pueden asociarse con sistemas eléctricos y producir movimiento a partir de un motor accionado por electricidad. En general la mayor cantidad de sistemas mecánicos usados actualmente son propulsados por motores de combustión interna. En los sistemas mecánicos se utilizan distintos elementos relacionados para transmitir un movimiento. Como el movimiento tiene una intensidad y una dirección, en ocasiones es necesario cambiar esa dirección y/o aumentar la intensidad, y para ello se utilizan mecanismos. Algunos tipos de mecanismos son: La rueda, Engranajes, Rodillos, Tren de Rodadura, Poleas fijas y móviles, Polipasto, Sistema Polea Correa, Palancas, Plano inclinado, Rampa, Cuña, Tornillo y Tuerca, Tirafondo etc. Para esta máquina ocuparemos algunos tipos de mecanismos los cuales abarcan casi todo el avance de la banda: Estructura de acero inoxidable de grado alimenticio la cual provee de un soporte 16
adecuado para todos los elementos que irán ensamblados. Rodillos ensamblados a baleros para reducir la fricción y proporcionar un giro suave y continuo. Protecciones para evitar que alguien pueda meter la mano a la hora que baja la cuchilla y prevenir accidentes. Cortadora en diagonal atornillada al final de carrera del embolo del cilindro para ofrecer un corte uniforme y suave. Poleas ensambladas a la estructura y a los cilindros, una estará unida al motor y la otra al rodillo de giro. Banda de transmisión de potencia conectada a ambas poleas para transmitir la potencia del motor y dar movimiento al rodillo de giro para accionar todo el mecanismo de movimiento de la banda. Banda transportadora ensamblada entre los dos rodillos principales y pasa por tres rodillos secundarios para evitar el paso de la cortadora. Bandeja de corte posicionada cubriendo los tres rodillos secundarios para darle paso a la cuchilla y hacer el corte de los alimentos.
c. Electromecánica La electromecánica es la combinación de las ciencias del electromagnetismo de la ingeniería eléctrica y la ciencia de la mecánica. Los dispositivos electromecánicos son los que combinan partes eléctricas y mecánicas para conformar su mecanismo. Ejemplos de estos dispositivos son los motores eléctricos y los dispositivos mecánicos movidos por estos como los relés, válvulas solenoides y las diversas clases de interruptores y llaves de selección eléctricas. Para este diseño, la parte electromecánica consta de todas las partes de la cortadora que utilizan la electricidad para activar algún actuador. En este caso nos referimos al motor que hará girar a la banda y a la electroválvula de activación del cilindro neumático que viene siendo un solenoide.
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4.3. Software Un proceso para el desarrollo de software, también denominado ciclo de vida del desarrollo de software es una estructura aplicada al desarrollo de un producto de programación. Hay varios modelos a seguir para el establecimiento de un proceso de desarrollo, cada uno de los cuales describe un enfoque diferente para diferentes actividades que tienen lugar durante el proceso. Algunos autores consideran un modelo de ciclo de vida un término más general que un determinado proceso para el desarrollo. Por ejemplo, hay varios procesos de desarrollo de software específicos que se ajustan a un modelo de ciclo de vida de espiral. Las actividades del desarrollo de software son:
A. Planificación La importante tarea a la hora de crear un producto de software es obtener los requisitos o el análisis de los requisitos. Los clientes suelen tener una idea más bien abstracta del resultado final, pero no sobre funciones que debería cumplir el software. Una vez que se hayan recopilado los requisitos del cliente, se debe realizar un análisis del ámbito del desarrollo. Este documento se conoce como especificación funcional.
B. Implementación, pruebas y documentación La implementación es parte del proceso en el que los ingenieros de software programan el código para el proyecto. Las pruebas de software son parte esencial del proceso de desarrollo del software. Esta parte del proceso tiene la función de detectar los errores de software lo antes posible. La documentación del diseño interno del software con el objetivo de facilitar su mejora y su mantenimiento se realiza a lo largo del proyecto. Esto puede incluir la documentación de un API, tanto interior como exterior.
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C. Despliegue y mantenimiento El despliegue comienza cuando el código ha sido suficientemente probado, ha sido aprobado para su liberación y ha sido distribuido en el entorno de producción. Entrenamiento y soporte para el software es de suma importancia y algo que muchos desarrolladores de software descuidan. Los usuarios, por naturaleza, se oponen al cambio porque conlleva una cierta inseguridad, es por ello que es fundamental instruir de forma adecuada a los futuros usuarios del software. El mantenimiento y mejora del software de uno con problemas recientemente desplegado puede requerir más tiempo que el desarrollo inicial del software. Es posible que haya que incorporar código que no se ajusta al diseño original con el objetivo de solucionar un problema o ampliar la funcionalidad para un cliente. Si los costes de mantenimiento son muy elevados puede que sea oportuno rediseñar el sistema para poder contener los costes de mantenimiento. Para no complicar tanto el desarrollo de programación para esta máquina autómata utilizaremos el lenguaje de programación C/C++ dentro de la plataforma ARDUINO de los microcontroladores Atmega. Los programas hechos con Arduino se dividen en tres partes principales: estructura, valores (variables y constantes), y funciones. El Lenguaje de programación Arduino se basa en C/C++. La estructura se refiere a las dos partes del programa: Inicialización y el bucle. En la inicialización se declaran todos los pines del microcontrolador como entradas o salidas y en el bucle se escribe lo que se desea hacer con cada pin. Los valores son las variables y constantes a utilizar en todo el programa, éstos son declarados en la parte superior del código justo debajo de declarar las librerías a utilizar. Las funciones se utilizan en toda la estructura del programa, es decir, tanto en la inicialización como en el bucle.
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5. Desarrollo 5.1. Diseño de piezas en CATIA Hacer diseño de piezas mecánicas o de cualquier otro tipo en software de CAD-CAM-CAE no es cosa sencilla, es muy distinto “dibujar” de realmente DISEÑAR. Para diseñar es necesario estar familiarizado con las dimensiones de las piezas, saber de medición, distinción de unidades, acotar cada pieza, posicionar correctamente las piezas en su lugar e identificar a la perfección los planos X, Y y Z en el entorno de diseño. Ilustración 1
En la imagen 1 se puede observar el diseño del ensamble terminado de la cortadora de alimentos que se está desarrollando. Esta imagen es la explosión del ensamble, es decir, cada pieza por separado de sus ejes, cotas y medidas de separación entre cada una. Para hacer un diseño a la medida cumpliendo los requerimientos del cliente, es necesario sacar medidas de lo que se necesita que la máquina haga, ya sea un proceso de manufactura o un procedimiento de “pick and place” . Una vez obtenidas las medidas procedemos a diseñar las partes principales que requieren mayor atención a la Ilustración 2 exactitud de las dimensiones de la máquina, en este caso, las dimensiones de la estructura que recibirá los alimentos para hacerlos pasar por una banda como se ve en la imagen 2. En esta imagen se puede apreciar que la estructura es suficientemente alta como para recibir los alimentos del procesador que se ve al fondo, a media estructura hay 3 postes giratorios por los cuales va a pasar la banda para evadir el corte de la cuchilla.
Ilustración 3
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Ya que tenemos la estructura que soportará el peso y a la que se le ensamblarán todos los demás componentes se inicia el diseño de los mecanismos que harán posible el giro y el paso de la banda transportadora como se observa en la imagen 3.
Acto seguido hacemos el diseño de la cuchilla que realizará el corte de los alimentos para poder dimensionar protecciones, bandeja de corte y demás mecanismos. La imagen 4 muestra gráficamente este proceso en el que la parte transparente es una caja de seguridad. En ella se esconde la cuchilla en su posición original para evitar cualquier tipo de accidente a la hora de manipularla y la mantiene aislada del contacto humano evitando cualquier tipo de contaminación de la misma.
Ilustración 4
Ya que tenemos las medidas de la cuchilla podemos diseñar la bandeja de corte y protecciones como se ve en las imágenes 5 y 6.
Imagen 5
Imagen 6
Ya que se tiene el diseño de cada pieza comenzamos a ensamblarlas haciendo que coincidan los ejes de los rodillos con los barrenos de la estructura, el barreno del pistón con el mismo, los barrenos de sujeción de las protecciones con los barrenos de la estructura para este fin, la bandeja de corte con sus barrenos de sujeción, el motor atornillado a la estructura, las poleas que coincidan con los rodillos y el eje del motor, la 21
banda que haga contacto con ambas poleas y para finalizar la banda transportadora que pase por cada uno de los rodillos para hacer su giro y para evitar a la cuchilla cuando baja. En la imagen 7 se ve cómo coinciden los ejes de ambos rodillos con los laterales de la estructura, esto le da forma y soporte. En la imagen 8 se observa cómo se hacen coincidir los ejes de los barrenos de sujeción de la bandeja de corte con los barrenos de la estructura para posicionarla de manera adecuada y de la misma forma se hacen coincidir los barrenos de sujeción de la caja de protección de la cuchilla con la estructura y el cilindro neumático con la cuchilla dentro de la estructura. De esta forma se comienza a apreciar de manera más ordenada el avance en el ensamblaje de cada una de las piezas por separado.
Imagen 7
Imagen 8
En la imagen 9 se aprecia el ensamblaje de las protecciones que van en ambos extremos de la cuchilla. Estas protecciones brindaran mayor seguridad al operador evitando que cualquier persona pueda meter la mano o algún objeto extraño y así provocar un accidente o una falla de la cortadora. En la imagen 10 se puede ver la forma en la que se ensamblan las poleas de potencia. Una va sujeta directamente al eje del motor y la otra al eje del rodillo principal y van conectadas entre sí por medio de una banda de transmisión de potencia. Esta banda es la encargada de
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transmitir la potencia del motor al giro del cilindro lo cual provocará el movimiento de la banda transportadora.
Imagen 9
Imagen 10
En la imagen 10 se alcanza a observar el montaje de la banda transportadora. Gracias a la herramienta de transparencia de materiales de CATIA podemos ver que la banda embona perfectamente con los rodillos de giro y hacen una forma de “V” con
los ejes de giro para evadir a la cuchilla y que se pueda hacer un corte uniforme y firme. Los alimentos que serán cortados pasan por la banda, luego por la bandeja de corte, son cortados y nuevamente regresan a la banda para pasar al siguiente proceso que se requiera ya sea lavado, procesado, empacado o cualquier otro que siga después del corte.
Imagen 11
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La imagen 12 muestra de manera más clara la forma en la que el vástago del cilindro conectado a la cuchilla llega al final de su carrera sobrepasando el nivel de la superficie de la bandeja de corte evitando que se cruce en su camino la banda transportadora. Este mecanismo es un tanto complejo de desarrollar pues una máquina cortadora no es una banda transportadora simple. El hecho de que a la mitad de esta exista un proceso de corte incrementa la dificultad de manufactura pero no compromete la calidad del corte, por el contrario, la incrementa, los cortes son más precisos y finos dándole a la máquina la capacidad de cortar casi cualquier tipo de alimento que no tenga materiales demasiado duros pues éstos podrían mellar el filo de la guillotina.
Imagen 12
5.2. Cálculos de mecanismos Para todo desarrollo es necesario hacer los cálculos adecuados para la maquinaria y poder determinar de manera correcta los actuadores a utilizar. En este caso necesitamos hacer cálculos de toque para el motor y determinar qué motor utilizaremos, también se necesita realizar cálculos neumáticos para el pistón de la cortadora y para ello tenemos que plantear primero algunos parámetros:
El peso mínimo y máximo que deberá cargar la banda desde que llega el alimento al primer cilindro hasta el último por el que pasa el alimento.
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El esfuerzo máximo que debe ejercer el pistón y la distancia que deberá recorrer.
Habiendo planteado estos dos parámetros principales, se propone que la banda soporte hasta 5Kg de masa Para calcular el Torque que necesitará el motor se utiliza la siguiente fórmula:
Donde “F” es la fuerza necesaria para mover el peso máximo que puede soportar la banda y “d” es la distancia del centro del eje del
motor a la cara de contacto de la polea con la banda, es decir, el radio interno de la polea. Para determinar la Fuerza se utiliza la siguiente fórmula:
Donde “m” es la masa que va a soportar la máquina y “a” es la
aceleración de la gravedad (9.81 m/ ). Por ende tenemos:
Por ende se utilizará un motor de Corriente Directa de 24V con un torque nominal de cercano o superior a 1Nm. Ya que se ha determinado el tipo de motor a utilizar, se comienzan los cálculos y la determinación del cilindro a utilizar. Para ello se determinan las siguientes condiciones: a) La distancia que deberá recorrer el émbolo del pistón, esta es la característica principal ya que hay cilindros neumáticos estandarizados. Esta medida es de 30cm, por ende utilizaremos un cilindro neumático con esa carrera b) En la hoja de datos de FESTO dice que el estándar para esta carrera encontramos uno que tiene una fuerza de 50N la cual nos es útil para este fin: 25
Por lo que tendremos 5.1kg de fuerza de corte lo que le da una capacidad de corte sobrada y nos garantiza cortes de alta calidad.
5.3. Electrónica Diseñar un circuito electrónico de control es un tanto complejo, para ello primero hay que elegir los dispositivos a utilizar, determinar sus características y al último hacer todo un diseño de circuito. Para lograrlo se realizará cada parte del circuito final por separado para corroborar su funcionamiento independiente, por lo que el primer paso es la elección de cada dispositivo que se encargará de activar a los actuadores. Primero que nada debemos hacer el diseño del circuito de funcionamiento del corazón del sistema: El microcontrolador Atmega328 de Arduino. Su esquemático es el siguiente:
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Para la finalidad que se esta buscando de activar y desactivar el motor de DC y la electroválvula del cilindro neumático utilizaremos un puente H. Un puente H es un circuito electrónico que permite a un motor de DC girar en ambos sentidos o simplemente actuar como activador utilizando una fuente externa para la etapa de potencia del motor. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. El término puente H proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores. Cuando los interruptores S1 y S4 están cerrados y S2 y S3 abiertos se aplica una 27
tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 y cerrando S2 y S3, el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor. Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.
Para activar y desactivar la electroválvula del cilindro neumático utilizaremos un transistor BJT de canal NPN. El transistor es un dispositivo electrónico de estado solido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores mas conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital. Un transistor de unión bipolar esta formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor: Que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como un emisor de portadores de carga. Base: La intermedia, muy estrecha que separa al emisor del colector. Colector: De extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor esta polarizada en 28
directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: de Corte, de Saturación y de Actividad. El transistor bipolar NPN se refiere a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores usados hoy en día son NPN, debido a que a la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los “huecos” en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y
velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la “base”) entre dos capas de material
dopado N. una pequeña corriente ingresando a la base de configuración emisor-común es amplificada a la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPNP esta en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo esta en funcionamiento activo. Las regiones operativas del transistor son:
Región activa: corriente del emisor = (β + 1)·I b ; corriente del colector= β·I b Cuando un transistor no esta ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces esta en la región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la cor riente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.
Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son 29
diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.
Región de corte: corriente de colector = corriente de emisor = 0, (I c = I e = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero. Región de saturación: corriente de colector ≈ corriente de emisor = corriente máxima, (I c ≈ I e = I max )
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver Ley de Ohm. Se presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β ·Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple. De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero. Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica (especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y saturación, para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente. Ahora que ya se conoce el funcionamiento del puente H y del transistor, se hace el diseño de la etapa de potencia para activar el
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motor como se observa en la imagen siguiente sustituyendo la pila de 9V por una fuente de alimentación de 24V de DC:
Descripción del circuito: el microcontrolador Arduino se puede conectar a su placa ARDUINO UNO para evitar hacer todo un diseño de PCB. Teniendo esta placa se conectan sus pines positivo y negativo a la placa de pruebas para suministrar 3.3 o 5V de DC a los dispositivos que lo requieren, en este caso el interruptor de encendido y referencia o tierra al mismo interruptor y al puente H. EL puente H se encargará de controlar el giro del motor. La fuente de alimentación de 24 V que sustituye a la pila de 9V se conecta en su extremo positivo al pin 8 del puente H y el extremo negativo a la misma tierra de la placa de Arduino. El motor se conecta a los pines 3 y 6 del puente H que son las terminales 1 y 2 de control de este chip. El pin 2 del puente H se conecta al pin4 de la placa de Arduino, los pines 4 y 5 a tierra, el 7 del puente H al pin 3 de la placa de Arduino. El pin 16 del puente H se conecta a 5 V de la placa de Arduino y los pines 12 y 13 a tierra. El pin 2 del switch se conecta a 5 V 31
y el pin 3 a tierra con una resistencia de 330 Ω. Con estas conexio nes el circuito está completo para hacer girar el motor en cuanto a electrónica se refiere, lo demás es trabajo de programación. Ya que se tiene la etapa de potencia de activación y control del motor podemos hacer una etapa de potencia de control de activación para la electroválvula del cilindro neumático. Ésta es muy similar con la diferencia de que la válvula NO necesita un puente H, se sustituirá el puente H por un triac.
Para activar y desactivar la electroválvula seguimos en siguiente esquemático:
Descripción del circuito: El microcontrolador manda por medio de un pin de salida digital conectado en serie a una resistencia de 1KΩ un 1 lógico a la BASE
del transistor el cual abre el canal para que circule el voltaje de la fuente externa de 24V en DC del solenoide por éste y sea activado, es decir, se activa el cilindro de simple efecto realizando el corte con la cuchilla hasta el final de su carrera. En el momento en el que el microcontrolador deja de mandar el 1 lógico, es decir, envía un 0 lógico, el transistor se desactiva abriendo el circuito y haciendo que la electroválvula se desactive, por ende el cilindro regresa a su posición de reposo. Ya se conoce el funcionamiento de cada dispositivo por separado y el funcionamiento seccionado para activar y desactivar la válvula y 32
encender y apagar el motor, ahora el siguiente paso es conocer la lógica de funcionamiento del circuito electrónico completo: Al presionar el botón de Arranque, éste enviará una señal lógica al microcontrolador el cual mandará una señal de disparo al Puente H el cual abrirá el paso de corriente hacia el motor de DC. Al presionar el botón de Inicio, se enviará una señal lógica al microcontrolador para que éste envíe una señal de disparo al transistor para abrir el paso de corriente a la electroválvula que activará el cilindro durante 1 segundo y pasado ese tiempo se desactivará la electroválvula haciendo regresar al cilindro a su posición original y por programación previamente realizada el microcontrolador enviará una señal de disparo al transistor cada X tiempo, dependiendo de las necesidades del cliente para proveer de pedazos de alimento más pequeños o más grandes. Al presionar el botón de Paro de Emergencia, se enviará una señal al microcontrolador y éste detendrá el envío de señales de disparo tanto para el motor como para la válvula y se detendrá toda la banda de manera casi instantánea.
5.4. Desarrollo de software 5.4.1. Diagrama de flujo Como se mencionó con anterioridad en el capítulo 4 en el punto 4.3, el desarrollo de software es una tarea bastante compleja, sin embargo tenemos herramientas a la mano que nos pueden simplificar esta tarea bastante. El primer paso para desarrollar software es hacer un diagrama de flujo para poder determinar todos los parámetros y requerimientos del programa. Este diagrama puede servir también como apoyo a la hora de programar, ya que en él se ven de manera mas explicita las funciones, variables y tomas de decisiones que se deben tomar a lo largo del procedimiento de desarrollo. El diagrama de flujo del software de control manual y automático de la máquina cortadora que se observa a continuación obedece la siguiente descripción: 33
1. Inicio. 2. Verificar que se haya presionado o que se esté por presionar el botón de arranque. 3. Preguntar si se ha activado el botón de paro de emergencia, de ser así, desactivar cilindro y motor e ir directamente al final del programa, de lo contrario verificar si el cilindro está activado. 4. Si esta activado, desactivarlo. Si no esta activado preguntar si se realizará control manual. 5. Si se va a realizar control manual se presiona el botón de arranque. 6. Se vuelve a preguntar si se presionó el botón de paro de emergencia, si se ha presionado apagar cilindro y motor e ir al final del programa, si no se ha presionado preguntar si es necesario cortar. 7. Si es necesario cortar se presiona el botón de activación del cilindro, si no es necesario ir hasta el final del programa y esto se repite mientras se requieran cortes manuales. 8. Si no se realizará el control manual significa que se ha presionado el botón de automático y por ende se arranca el motor. 9. Se vuelve a preguntar si se ha presionado el botón de paro de emergencia, de ser así se para el motor, se verifica que este apagado el cilindro y se va al final del programa, si no se ha presionado se espera un tiempo previamente programado por el operador y se activa el cilindro de corte. 10.Al activar el cilindro se vuelve a preguntar si se ha presionado el botón de paro de emergencia, de ser así se detiene el 34
motor y el cilindro se apaga y se va al final del programa, de lo contrario se pregunta si el Número del corte actual es menor o igual al numero de cortes previamente programados. 11.Si es menor el número se vuelve a repetir el proceso a partir del paso 9, si el número ha llegado al deseado se desactiva el cilindro, se apaga el motor y se va al final del programa. Con este último paso se termina el programa. 12.Fin.
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Inicio
Presionar botón de arranque
¿Se activó el botòn de paro de emergencia?
No Si ¿El cilindro esta activado?
Si Desactivarlo
Si No
¿Se presiono el botón de paro de emergencia?
No
No
Si ¿Control manual?
Presionar botón de arranque de motor
No
Si Presionar botón de activación de cilindro
Arranque de motor
¿Se presiono el botón de paro de emergencia?
¿Es necesario cortar?
No
Si
Esperar X tiempo
Activar cilindro de corte
¿Se presiono el botón de paro de emergencia? Si
No
¿No. de corte actual <= No. de cortes necesarios?
No
Si
Desactivar cilindro
Desactivar motor
Fin
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5.4.2. Código de programa en Arduino //Asignación de pines del microcontrolador a las variables en que se guardarán: int Motor=2; int Valvula=3; int Btn_Encendido=4; int Btn_Paro=5; int Btn_Manual=6; int Btn_Automatico=7; int Btn_MotorOn=8; int Btn_ValvulaOn=9; int Btn_MotorOff=12; int Btn_ValvulaOff=13; int i; //Declaración de pines como entradas y salidas void setup() { pinMode(Motor, OUTPUT); pinMode(Valvula, OUTPUT); pinMode(Btn_Encendido, INPUT); pinMode(Btn_Paro, INPUT); pinMode(Btn_Manual, INPUT); pinMode(Btn_Automatico, INPUT); pinMode(Btn_MotorOn, INPUT); pinMode(Btn_ValvulaOn, INPUT); pinMode(Btn_MotorOff, INPUT); pinMode(Btn_ValvulaOff, INPUT); } //Cuerpo del programa principal void loop() { while (Btn_Encendido, HIGH) //Mientras la máquina esté encendida. { if (Btn_Paro, HIGH) //Si se presiona el boton de paro { //el motor y la válvula se detienen. digitalWrite(Motor, LOW); digitalWrite(Valvula, LOW); } else //Caso contrario, poner en posición de 37
digitalWrite(Motor, LOW); digitalWrite(Valvula, LOW);
//inicio al motor y a la válvula.
if (Btn_Manual, HIGH) //Si se presiona el botón de control Manual { if (Btn_Paro, HIGH) //Y si se presiona el boton de paro { //el motor y la válvula se detienen. digitalWrite(Motor, LOW); digitalWrite(Valvula, LOW); } if (Btn_MotorOn, HIGH) //Si se presiona el boton de arranque de motor { //el motor se enciende. digitalWrite(Motor, HIGH); } if (Btn_ValvulaOn, HIGH) //Si se presiona el boton de encendido de válvula { //la válvula se activa. digitalWrite(Valvula, HIGH); } if (Btn_MotorOff, HIGH) //Si se presiona el boton de paro de motor { //el motor se apaga. digitalWrite(Motor, LOW); } if (Btn_ValvulaOff, HIGH) //Si se presiona el boton de paro de válvula { //La válvula se apaga y el cilindro regresa a home. digitalWrite(Valvula, LOW); } } if (Btn_Automatico, HIGH) { if (Btn_Paro, HIGH) //Y si se presiona el boton de paro { //el motor y la válvula se detienen. digitalWrite(Motor, LOW); digitalWrite(Valvula, LOW); } digitalWrite(Motor, HIGH); segundos
//Arranca el motor y espera 5 38
delay(5000); for (i=0; i<=100;i++) //Se define un número i de cortes y en cada corte { //se incrementa ese valor hasta llegar al definido digitalWrite(Valvula, HIGH); //Se hace el corte y se espera 1 segundo para el siguiente. delay(1000); } digitalWrite(Valvula, LOW); //Ya que termino de hacer el corte se apaga la valvula. delay(3000); //Espera 3 segundos digitalWrite(Motor, LOW); //Apaga el motor delay(3000); //Espera 3 segundos y termina el programa. } } }
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5.5. Simulaciones de pruebas 5.5.1. Diseño (análisis de colisiones) Para corroborar que un diseño es de buena calidad, con medidas y dimensiones exactas y correctas se debe hacer un análisis de colisiones para corroborar que ninguna de las piezas ensambladas está mal diseñada, con medidas erróneas o cualquier otro tipo de problema que pueda representar un mal diseño, incluso el de tener pérdidas económicas al tener que rediseñar algunas piezas o incluso toda la máquina. En las imágenes siguientes podemos corroborar que no existen colisiones entre piezas:
En la imagen ___ se observa el ensamble completo partido a la mitad y se ve que no hay colisiones entre los rodillos, la banda, la bandeja de corte, la cuchilla y el cilindro con su montaje. En la imagen se ve el ensamble completo a la mitad a lo largo. Con esta herramienta se puede manipular los ensambles como se requiera para poder analizar a fondo cada uno de sus componentes y las coincidencias entre sí para corroborar que no tengan ninguna colisión.
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Por último se puede observar la máquina en su sección transversal a manera de ejemplificar y demostrar que efectivamente está bien hecho el ensamble, que no hay colisiones entre sus partes y que la cuchilla es capaz de llegar hasta el final sin dañar a la banda transportadora.
5.5.2. Neumática Para comprobar el funcionamiento de la banda haremos una simulación del funcionamiento del cilindro neumático con el software FESTO FLUID SIM. Esto nos permitirá conocer un poco más el funcionamiento del mecanismo y prevenir posibles complicaciones en el diseño. La primera etapa de la simulación neumática es la siguiente:
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Los componentes de esta simulación son:
Cilindro de simple efecto Válvula neumática de 3 vías y 2 posiciones activada por esfuerzo mecánico y retorno por muelle. Unidad de mantenimiento a 5 bares. Fuente de aire comprimido.
En la imagen ____ se ve como la fuente de aire comprimido está haciendo pasar aire a través de la unidad de mantenimiento y la hace llegar hasta la válvula la cual se encuentra desactivada y por ende no deja pasar aire al cilindro que se encuentra en su posición de reposo. En la imagen _____ se ve que la válvula ya permite el paso del aire hasta el cilindro el cual llega al final de su carrera. Esta activación se hace manual para verificar el paso de aire por la válvula hasta el cilindro. El siguiente paso es hacer un diseño un poco más complejo y simularlo, esta vez haremos la simulación de la activación y retorno del cilindro de simple efecto por medio de un Pulsador y una ELECTRO-VÁLVULA.
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Como muestra la imagen ___ al momento de pulsar el botón, se hace pasar los +24V por la electroválvula que se activa en ese instante y por lo tanto deja circular el aire hasta el cilindro activándolo y manteniéndolo así hasta que se pulsa el botón nuevamente y deja de pasar voltaje por la electroválvula haciendo que el cilindro por su naturaleza regresa de inmediato a su posición original como se puede observar en la imagen ___.
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6. Resultados Habiendo hecho una vasta investigación sobre la industria alimentaria y sus diferentes procesos desde que llega el alimento crudo recién recolectado del campo o en su defecto desde que llega la carne directo del congelador hasta que se envasa y queda listo para su comercialización se puede determinar que una máquina programable y ajustable que corte una amplia gama de alimentos puede ser muy útil y con un alto grado de demanda sobre todo si está a un precio accesible. Esta máquina puede ser utilizada en varias partes del proceso y no solo en uno, su versatilidad y simplicidad la hacen altamente recomendable y de fácil adquisición por lo que puede ayudar mucho en la industria de los alimentos. Su eficiencia es suficiente para cortar casi cualquier tipo de alimentos, incluso los que tienen huesos delgados. Especialmente está diseñada para alimentos que se parten en piezas grandes para después ser empaquetados en platos de plástico y emplayados como bien podría ser la carne molida, aunque sin problemas podría utilizarse para cortar verduras y frutas para después ser enlatadas. Su limpieza es muy fácil, es suficiente con remover la cubierta de la cuchilla y la bandeja de corte y con un trapo húmedo se puede acceder a todos los rincones de la banda para su limpieza. El mantenimiento es mínimo debido a su simplicidad y basta solo con una inspección de circuitería, limpiado de la misma con aire comprimido, cambio de mangueras neumáticas y un mantenimiento preventivo en el motor.
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7. Conclusiones El diseño de una máquina programable para la industria alimentaria no es cosa sencilla, sin embargo se pueden obtener buenos resultados si se hace con cuidado contemplando cada una de los detalles que la componen. Realizar ésta máquina no solo requiere de su diseño, sino también de una habilidad especial para la manipulación de los materiales que se necesitan además de tener conocimiento electrónico, neumático y de diseño de piezas. A pesar de las dificultades que se podrían presentar a la hora del desarrollo de la máquina, la comercialización de esta podría resultar bastante redituable ya que casi cualquier industria alimentaria necesita de una máquina que realice este trabajo en alguna parte de sus procesos y el hecho de que se pueda manejar de forma manual o automática le da entrada a una variedad de empresas aún mayor.
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