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Design and construction of a semi-automatic bagging machine with a minimum error tolerance of 50g in the range of 25kg to 50kg
Projeto e construo de uma ensacadeira semiautomtica com tolerncia mnima de erro de 50g na faixa de 25kg a 50kg
Correspondencia: javier.orna@espoch.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 10 de mayo de 2025 *Aceptado: 20 de junio de 2025 * Publicado: 24 de julio de 2025
I. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH, Riobamba, Ecuador.
II. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH, Riobamba, Ecuador.
III. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH, Riobamba, Ecuador.
IV. Investigador Independiente, Ecuador.
V. Investigador Independiente, Ecuador.
Resumen
El propsito de este articulo abarca el diseo y construccin de una ensacadora semiautomtica la cual es capaz de dosificar con precisin en un rango mnimo de error 50 gramos producto de difcil flujo, como balanceados sin peletizar, polvos y productos hmedos, en sacos desde los 25kg hasta los 50kg. La automatizacin del proceso de ensacado es de suma importancia en la industria, ya que esta permite mejorar la produccin, disminuir desperdicios o contaminacin del producto y mejorar la calidad del empaque. Se efecto un estudio detallado de los diferentes tipos de productos y cul sera su comportamiento en el flujo, permitiendo seleccionar y desarrollar un sistema de dosificacin adecuado para la ensacadora, teniendo en cuenta su costo de construccin y as mismo que no afectase a la precisin o produccin al momento del dosificado. La mquina diseada se encuentra compuesta por componentes electrnicos, mecnicos, y neumticos para garantizar la eficacia y precisin al momento del pesaje. La mquina tiene incorporado un indicador digital P-EX2002 para el control del pesaje y un LOGO PLC de siemens para realizar la automatizacin del proceso, trabajando en conjunto con las electrovlvulas que controlan los cilindros neumticos y el variador de frecuencia para el control del motorreductor. La validacin de la mquina se llev a cabo mediante pruebas de funcionamiento, evaluando la precisin al momento del pesaje y la velocidad de ensacado. Los resultados obtenidos demostraron que la ensacadora semiautomtica cumple con los requerimientos planteados convirtindola en una mquina muy eficaz para la implementacin industrial. Para finalizar se elabor un anlisis de costos, concluyendo que la ensacadora semiautomtica es una opcin viable y competitiva para pequeas y medianas empresas del pas.
Palabras Caves: Automatizacin industrial; diseo mecnico; dosificacin; ensacadora semiautomtica; PLC; productos de difcil flujo.
Abstract
The purpose of this article covers the design and construction of a semi-automatic bagging machine capable of accurately dosing, within a minimum error range of 50 grams, difficult-to-flow products such as unpelletized feed, powders, and wet products, in sacks ranging from 25 kg to 50 kg. The automation of the bagging process is of utmost importance in the industry, as it allows for improved production, reduced waste or product contamination, and improved packaging quality. A detailed study of the different types of products and their flow behavior was carried out, allowing the selection and development of an appropriate dosing system for the bagging machine, taking into account its construction cost and also ensuring that it does not affect precision or production at the time of dosing. The designed machine is composed of electronic, mechanical, and pneumatic components to guarantee efficiency and precision at the time of weighing. A mquina incorpora um indicador digital P-EX2002 para controle de pesagem e um CLP Siemens LOGO para automao de processos, trabalhando em conjunto com vlvulas solenoides que controlam os cilindros pneumticos e um conversor de frequncia para o motorredutor. A mquina foi validada por meio de testes operacionais, avaliando a preciso da pesagem e a velocidade de ensacamento. Os resultados demonstraram que a ensacadeira semiautomtica atende aos requisitos, tornando-a uma mquina altamente eficaz para implementao industrial. Por fim, foi realizada uma anlise de custos, concluindo que a ensacadeira semiautomtica uma opo vivel e competitiva para pequenas e mdias empresas no pas.
Palavras-chave: Automao industrial; projeto mecnico; dosagem; ensacadeira semiautomtica; CLP; produtos de difcil escoamento.
Resumo
O objetivo deste artigo abrange o projeto e a construo de uma ensacadeira semiautomtica capaz de dosar com preciso, dentro de uma faixa de erro mnima de 50 gramas, produtos de difcil fluxo, como rao no peletizada, ps e produtos midos, em sacos que variam de 25 kg a 50 kg. A automao do processo de ensacamento de extrema importncia na indstria, pois permite melhor produo, reduo de desperdcio ou contaminao do produto e melhor qualidade da embalagem. Um estudo detalhado dos diferentes tipos de produtos e seu comportamento de fluxo foi realizado, permitindo a seleo e o desenvolvimento de um sistema de dosagem apropriado para a ensacadeira, levando em considerao seu custo de construo e tambm garantindo que no afete a preciso ou a produo no momento da dosagem. A mquina projetada composta por componentes eletrnicos, mecnicos e pneumticos para garantir eficincia e preciso no momento da pesagem. A mquina incorpora um indicador digital P-EX2002 para controle de pesagem e um CLP Siemens LOGO para automao de processos, trabalhando em conjunto com vlvulas solenoides que controlam os cilindros pneumticos e um conversor de frequncia para o motorredutor. A mquina foi validada por meio de testes operacionais, avaliando a preciso da pesagem e a velocidade de ensacamento. Os resultados demonstraram que a ensacadeira semiautomtica atende aos requisitos, tornando-a uma mquina altamente eficaz para implementao industrial. Por fim, foi realizada uma anlise de custos, concluindo que a ensacadeira semiautomtica uma opo vivel e competitiva para pequenas e mdias empresas no pas.
Palavras-chave: Automao industrial; projeto mecnico; dosagem; ensacadeira semiautomtica; CLP; produtos de difcil escoamento.
Introduccin
La automatizacin industrial ha supuesto mejoras en los procesos de produccin en una amplia gama de sectores, proporcionando altos niveles de eficiencia, costes reducidos y calidad de producto garantizada. En este contexto, el sector industrial que se maneja con productos para ensacar ha seguido desarrollndose (Brandon & Diaz, 2020). El requisito principal es optimizar el envasado de productos difciles de ensacar, como productos no granulados, polvos, entre otros. Muchas pequeas y medianas empresas dan gran importancia a los elevados costes y a la gestin de las importaciones, as como a sus procedimientos operativos especficos para garantizar una alta fiabilidad y asegurar sistemas de cumplimiento de pedidos de acuerdo con sus necesidades.
De este modo este proyecto presenta el diseo y construccin de una mquina ensacadora semiautomtica que garantiza una dosificacin de calidad de productos en el rango de 25 a 50 kilogramos con un margen de tolerancia de 50 gramos. Adems, un sistema de control y monitoreo adecuado y automatizado que facilita incorporar tecnologas como celdas de carga, pantalla digital y control lgico programable (PLC) (Repositorio Digital - EPN: Simulacin de Un Dosificador de Chocolate Automtico, n.d.).
Sin dicha investigacin, se necesita una forma rentable y asequible de ensacar diversos productos, lo que conducir a una disminucin de la produccin y la calidad durante el proceso de dosificacin de productos. Basado en el anlisis de materiales (Caractersticas Del Acero al Carbono Grado Maquinaria | Aceromafe, n.d.), diseo mecnico, pruebas experimentales y verificacin tcnica, este proyecto se utiliza para desarrollar tecnolgicamente la industria del ensacado en el Ecuador y producir ventajas en las pequeas y medianas empresas locales.
Ms especficamente, este proyecto se centra en la implementacin ptima de mtodos de diseo que aseguren la confiabilidad y durabilidad de los equipos bajo el control de los estndares de calidad y seguridad industriales. El sistema se valida mediante pruebas de precisin y validez para garantizar que la mquina pueda utilizarse con diferentes procedimientos operativos y configuraciones requeridas por el comprador. Es esta herramienta la que permite modernizar los procesos de ensacado en la industria ecuatoriana.
En Ecuador se impulsa los beneficios de automatizar diferentes procesos industriales para mejorar la productividad y capacidad de trabajo, lo cual requiere inversin en tecnologa, capacitacin y apoyo por parte del gobierno; de este modo desarrollar sistemas automatizados est en constante crecimiento, por lo que grandes, medianas y pequeas empresas se ven en la necesidad de reducir costos de operacin as tambin espacios fsicos que ocupan procesos manuales para que su produccin mejore y as obtener un producto final de calidad(Curimilma Huanca, 2012).
Hoy en da, para la industria nacional mejorar su competencia eligiendo sistemas automatizados, que en ciertas ocasiones se las ha realizado en el pas importando la tecnologa. Empresas grandes como ECUACERAMICA que requieren maquinarias de este tipo prefieren exportar de pases como Italia, China, entre otros, en cierta parte son productos que se pueden elaborar en el pas a menor precio, con buena calidad y la facilidad de asistencia tcnica en caso de algn fallo o mantenimiento preventivo del equipo automatizado (Juan et al., n.d.).
Para una empresa de ensacado los beneficios de la automatizacin es la velocidad y optimizacin de recursos (Transportadores de Tornillo Sin Fin : Dimont Ltda, Barranquilla, Diseno, Fabricacion, Montajes, Automatizacion Suministros, Comercializacion, Mantenimiento, n.d.). Una ensacadora permite empacar diferentes productos ya sean pulverizados o de pequea granulacin, esta mquina es capaz de dosificar productos a diferentes velocidades de empaque segn sea la necesidad.
En respuesta a la cuarta revolucin industrial, en el Ecuador la falta de modernizacin industrial en la mayora de los casos mantiene una operacin con modelos desactualizados. En algunas empresas grandes ya constituidas cabe mencionar que tienen la integracin de robtica moderna con pequeos pasos o encaminadas a la integracin de inteligencia artificial, sin embargo, el pas es proveedor de materias primas en la mayora de los casos sin valor agregado por lo que al momento de importar terminan con precios elevados limitando as a capacidad competitiva(Transportadores de Tornillo Sin Fin : Dimont Ltda, Barranquilla, Diseno, Fabricacion, Montajes, Automatizacion Suministros, Comercializacion, Mantenimiento, n.d.). Para abordar este desafo sugerimos la incorporacin de tecnologa intermedia como lo es la maquina ensacadora semiautomtica para pequeas y medianas empresas que optimicen el proceso sin exigir inversiones grandes lo que ayudara a la relacin entre costos y calidad.
La implementacin integral de la automatizacin industrial en los pases desarrollados ha contribuido al desarrollo productivo de las empresas (Acero Inoxidable En La Industria Alimentaria | EPROM, SA, n.d.). Tambin proporciona principalmente a las compaas a nivel mundial herramientas para competir en un mercado globalizado que continuamente exige estndares de calidad ms altos, entregas ms rpidas al ms bajo costo y en la cantidad que sea requerida. Con todas estas herramientas podemos obtener muchos beneficios, haciendo cambios continuos para mejorar, desde sistemas de produccin ms robustos, sistemas de entrega de materiales ms apropiados, hasta cambios de distribucin de la planta.
En el Ecuador se ha viso necesario dar un giro a la manera tradicional de operar de las empresas y optimizar los procesos productivos, adems, eliminar los desperdicios que se generan en el mismo, utilizando la Automatizacin que contempla ahorrar tiempos y facilitar las dosificaciones de producto para empaquetarlos de manera ptima(Celda de Carga Explicada: Qu Es y Cmo Funciona El Sensor, n.d.).
Considerando los desafos mencionados en el contexto industrial este proyecto se desarrollar para lograr mejores resultados en cuanto a productividad.
Si bien existen grandes empresas que la mayor parte tienen automatizado sus procesos para optimizar tiempos, hay otras empresas ms pequeas que no disponen de la automatizacin para liberar espacios y tener un ptimo desempeo de la produccin, son muchas causas que deben investigarse para encontrar una solucin para este tipo de empresas (Diseo Preliminar De Una Celda De Carga Para Maquinado. | Flores | Mecnica Computacional, n.d.). Con la apertura del TLC (Tratado de Libre Comercio) exige al Ecuador alcanzar estndares competitivos, indispensable para competir con empresas lideres tanto locales como globales y aprovechar el potencial de sus recursos ya sean estos por su calidad refirindonos a escenarios comerciales competitivos. Presentamos un proyecto que se realizar con la ambicin de aumentar la productividad de una pequea empresa con un sistema de ingeniera mecnica especializado que garantiza la eleccin del mejor diseo y la funcionalidad de la automatizacin en el proceso de pesaje de productos de difcil flujo(EET-60 ENSACADORA ELECTRNICA Grupo Victor, n.d.). La creacin de un sistema multifuncional, con el fin de adaptarse a diversos productos, contribuye para la optimizacin de los parmetros de ajuste que demande el desempeo comercial, sin provocar complicaciones en nuevos productos que requiera el sector industrial.
Para que este proyecto tenga competitividad comercial es indispensable integrar tres principios fundamentales: capacidad operativa, ahorro energtico y buen funcionamiento del servicio. Para tal efecto, es necesario implementar protocolos de calidad, que integren un proceso de licitacin competitivo que permita dosificar y mostrar mayor productividad dentro de la pequea o mediana empresa (Explora Los Tipos y Usos de Sistemas de Pesaje Industrial, n.d.).
La decisin de implementar un sistema semiautomatizado para productos de difcil flujo con pesos comprendidos entre 25 y 50 kilogramos requiere que el proceso de ensacado se realice para capacidades que pasen de echo los 50 kilogramos para asegurar que cumplir con el rango de peso y propiedades del producto que requiera la pequea empresa (Clula de Carga de Traccin (Compresin) SL | LAUMAS, n.d.). La mquina ensacadora semiautomtica responde a las necesidades de produccin que requieren tasas de cambio constantes, garantizando que la velocidad de operacin no aumente por s sola, sino que se mantenga precisa en el resultado final de cada saco. Por tanto, sus caractersticas multipropsito permiten la adaptacin de diversos productos requeridos como qumicos, polvos cohesivos hasta granulados irregulares, trascendiendo limitaciones asociadas a la textura o densidad de los productos(Transportador de Tornillo Sin Fin | EXTRACCIN Y REFINACIN DE AZCAR, n.d.). El propsito metodolgico radica en el equilibrio entre el operador que cumple la funcin de retirar los sacos dosificados y manejo de configuraciones en la pantalla de control de acuerdo con sus necesidades con la automatizacin en la etapa de ensacado del producto. Esta accin conjunta entre hombre mquina mejora tiempos para una mayor produccin en la pequea o mediana empresa (Variadores De Frecuencia (VFD): Control Y Eficiencia En Motores Industriales - Ingeniera Rached, n.d.).
El sector del ensacado y empaque industrial opera en un contexto de constante dinmica de innovacin, donde las soluciones tcnicas deben adaptarse a las caractersticas intrnsecas de cada producto (Futek Mxico - Marca Exclusiva Logicbus, n.d.). En el caso del sector de alimentos balanceados, impulsado por la expansin acelerada de los centros urbanos y la correspondiente demanda de protenas, la optimizacin de procesos es de importancia estratgica. Este nicho requiere no slo la optimizacin de los costos operativos, sino tambin la reduccin de los tiempos de ensacado, la estandarizacin del almacenamiento y la armonizacin de los parmetros de produccin, factores que impactan directamente en la rentabilidad y la capacidad de competir en mercados saturados. La introduccin de tecnologas semiautomatizadas es, por tanto, una respuesta til a esta dualidad de mantener la calidad en un entorno altamente voltil y garantizar el crecimiento sin comprometer los mrgenes econmicos (Cmo Funciona Una Ensacadora - Maquinaria Tadel, n.d.).
Metodologa
Es de carcter tcnico por lo que se llevara a cabo una investigacin de desarrollo apoyndonos en parte de la investigacin experimental mediante el mtodo cuantitativo ya que se va analizar variables para asegurar el buen rendimiento de la mquina, y el mtodo cualitativo para observar la operabilidad de la mquina de modo que se tom en cuenta todas las condiciones de seguridad como son los esfuerzos que va a realizar la mquina en los componentes mviles o fijos as como los respectivos anlisis de rigidez en donde lo requiera todo esto bajo las condiciones propuestas.
Para esto partimos del diseo conceptual donde se desarrollan bocetos y esquemas para imaginarnos como va a quedar la mquina, esto lo plasmamos en un diseo CAD para lo cual utilizaremos el software SolidWorks en el cual incluye el diseo desde la parte de dosificacin hasta la boquilla de salida donde saldr el producto hacia el saco, para asegurar que este proceso funcione de manera correcta se selecciona el material adecuado evaluando las condiciones a las que va a trabajar la maquina as como la seleccin de componentes (sensores de peso, vlvulas de control) para el ensacado correcto de la mquina. Una vez definido estos parmetros se procede a construir de acuerdo con las dimensiones y tolerancias propuestas siguiendo normas y especificaciones que se necesitan para este proceso. Se realizan tambin pruebas de cmo est funcionando la mquina para verificar que cumpla con los objetivos propuestos o si existe alguna falla en la precisin del ensacado tomar medidas para solucionar estas posibles fallas. Tambin cabe recalcar que se describi todo el diseo realizando pruebas de funcionamiento esto de acuerdo con los parmetros requeridos por las empresas especficamente de la cuidad de Ambato, que trabajen con productos de difcil flujo o qumicos.
Metodologa de diseo
El diseo de la Ensacadora Semiautomtica para productos de difcil flujo se elabor mediante el diagrama de bloques que se puede observar en la figura 1, as como tambin usando la metodologa QFD.
Figura 1. Metodologa de diseo de la ensacadora semiautomtica
Siguiendo esta metodologa de diseo ayudara a identificar el grupo objetivo que requiere de la maquina ensacadora, as como tambin mejorar el producto, esto se lograra alineando las caractersticas tcnicas con las necesidades y expectativas del cliente mediante el seguimiento de los estndares de calidad para el ensacado de productos de difcil flujo en el rango de 25 a 50 kilogramos.
Anlisis QFD
El anlisis QFD ayuda al diseo y construccin de la mquina ensacadora ya que se recopila datos sobre las necesidades de los clientes para transformarlos en requisitos tcnicos, desafos de la maquina ensacadora y qu expectativas tiene el marcado, todos estos puntos sirven para realizar pruebas y simulaciones que validen los conceptos de diseo propuestos, as tambin se relacionan en una matriz QFD dando ponderaciones a los requisitos tcnicos en funcin del impacto que producir en la satisfaccin del cliente buscando identificar posibles mejoras y ajustes, con esto se garantiza la integracin de las necesidades del cliente en el proceso de diseo que derivara en un producto final que cumpla con las expectativas del mercado y las necesidades del cliente.
Voz del usuario
La voz del usuario es de gran importancia para la metodologa QFD, esto debido a que se refiere a la recopilacin y anlisis de las necesidades, deseos y expectativas que tienen los clientes o usuarios finales, todo esto con el fin de agregar estos aspectos en el diseo y desarrollo de la ensacadora semiautomtica. Esto mediante el uso de las diferentes tcnicas de investigacin de mercado, como pueden ser: encuestas, entrevistas a grupos que tengan afinidad con el tema, gracias a esto se determinaron las necesidades y perspectivas de posibles clientes.
Voz del ingeniero
La voz del ingeniero para este proyecto es fundamental ya que asegura que el diseo y la construccin de la ensacadora semiautomtica cumpla con los requisitos tcnicos y de rendimiento establecidos, a su vez con los requerimientos establecidos por el usuario, de modo que a continuacin se detalla los requerimientos para el diseo de la mquina ensacadora semiautomtica.
Correlaciones
Poder conocer y comprender estas relaciones es de gran importancia para lograr mejorar el diseo totalmente, evitar problemas y garantizar un funcionamiento eficiente y preciso de la mquina ensacadora. Estas relaciones se ponderan en cuatro niveles: fuerte, moderada, dbil y relacin inexistente.
Anlisis de competitividad
El analizar la competitividad es una herramienta fundamental para comprender las condiciones actuales del mercado y las necesidades de los clientes. Se realiz un estudio comparativo donde sean similares al proyecto propuesto en cuanto a caractersticas tcnicas y funcionales de las principales ensacadoras semiautomticas disponibles en el mercado. Se evala mediante el cumplimiento de niveles del 1 al 5.
En cuanto a la ponderacin dada a cada una de las caractersticas analizadas se obtienen aplicando el ndice de mejora, importancia y factor de venta. El factor de venta tiene ponderaciones los cuales son fuerte con un valor de 1.5, posible con un valor de 1.2 y ninguno con un valor de 1. El resultado calculado de estos factores nos da a conocer que hay que mejorar en especifica caracterstica de los requerimientos del cliente y tcnicos.
Evaluacin tcnica
El objetivo de la evaluacin tcnica es el enfoque en la incidencia de las especificaciones tcnicas, as para la mquina ensacadora semiautomtica se obtiene con la ecuacin:
donde,
Imp: Importancia del criterio evaluado
Id: Incidencia de la caracterstica tcnica
Sdt: Valor de ponderacin
La figura 2 seala la base de la casa de la calidad. Aqu se presentan las principales caractersticas tcnicas: precisin de dosificacin, facilidad de manejo de la mquina, precisin del sistema de pesaje, materiales compatibles con los alimentos, proteccin contra sobrecargas, capacidad para manejar rangos de peso e interfaz digital y capacidad de produccin. Estos aspectos son el foco del diseo y desarrollo de la mquina ensacadora semiautomtica.
De manera similar, ponderamos cada competencia y utilizamos la ecuacin de importancia del criterio evaluado para calcular el valor de ocurrencia de cada caracterstica tcnica en comparacin con los principales competidores.
Este estudio tcnico sirve como gua bsica para el diseo y construccin de la mquina ensacadora semiautomtica, definiendo los parmetros y especificaciones que deben cumplirse para obtener un producto diferenciado y de altas prestaciones.
Compromisos tcnicos
El anlisis QFD de los compromisos tcnicos determina la correlacin con las especificaciones tcnicas y garantiza que aquellas caractersticas tcnicas que se hayan identificado en la etapa de planificacin se incorporen de manera eficaz y logren cumplir con aquellos objetivos implantados de calidad y complacencia al cliente, para la evaluacin de esta incidencia se usaron cuatro niveles con relaciones que van aumentando de manera proporcional. Es decir, cuando mejora una caracterstica tcnica, tambin mejoran las dems caractersticas tcnicas, y viceversa.
Este estudio sobre los compromisos tcnicos es de vital importancia para definir una solucin de diseo que permita optimizar el rendimiento de la mquina ensacadora semiautomtica y encontrar el equilibrio adecuado entre las diversas caractersticas tcnicas importantes. En la figura 4 se aprecia el despliegue de la funcin de calidad QFD.
Figura 2. Despliegue de la funcin de calidad QFD
Anlisis funcional
Para la realizacin del presente anlisis funcional se considerar diferentes niveles, los cuales reflejaran los procesos presentes para el ensacado de productos de difcil flujo.
Figura 3. Anlisis funcional
El ensacado de productos de difcil flujo empieza su proceso en varias etapas como es primeramente el almacenamiento del producto el uso de la energa elctrica y aire comprimido, as como la carga de trabajo asumida por parte del operario de la mquina. Por lo cual una vez puesta en marcha la mquina se obtiene el saco lleno con el peso requerido o configurado.
Figura 4. Estructura de Funciones
Diseo Conceptual
La presente fase implica el diseo de cada uno de los componentes que conforman la mquina ensacadora semiautomtica, de igual manera muestra todos los clculos necesarios para su correcto diseo y construccin. Es de suma importancia tambin que una vez realizado el diseo se proceda a verificar mediante un software MEF (Mtodo de Elementos Finitos) con la finalidad de analizar y seleccionar los componentes ms adecuados para la ensacadora, ya que de igual manera es muy importante tomar en cuenta ciertos parmetros de diseo brindados por el software para la construccin e implementacin. Las acciones descritas anteriormente ayudan a garantizar el cumplimiento de los estndares de calidad del producto, garantizando que todos los elementos sean los adecuados para la aplicacin seleccionada.
Modelado 3D
Realizar el modelado 3D de la mejor alternativa seleccionada de la mquina ensacadora semiautomtica, nos ayuda para identificar todo el conjunto de sistemas y componentes que va a tener la ensacadora semiautomtica. Con la ayuda del software SolidWorks creamos los respectivos modelos 3D de cada subsistema, los cuales estn diseados en funcin de los requerimientos y compromisos tcnicos analizados preliminarmente. Para finalizar, todos los subsistemas se ensamblan para dar forma a la mquina, lo que permite luego realizar simulaciones, anlisis de movimiento y obtener las propiedades fsicas de cada pieza para clculos que se requieran y validar el diseo final antes de su construccin.
Figura 4. Modelado 3D de Ensacadora Semiautomtica
Caractersticas principales
La mquina ensacadora semiautomtica tendr las siguientes caractersticas.
Peso mximo: 50 kg,
Capacidad de llenado de sacos por minuto: 3.5 a 5 qq/min,
Precio mximo: $12000,
Dimensiones Generales (cm): 114.9x120x78,
Precisin: +/-50 gramos,
Operabilidad: Pantalla que muestra el pesaje y pedal para poder ajustar los sacos,
Movimiento uniforme de las tenazas: Para flujo constante durante el ensacado.
Desmontaje fcil para mantenimiento: Facilita el acceso a componentes internos de la maquina sin requerir herramientas complejas.
Diseo transportador tornillo sinfn
Para realizar el diseo del transportador de tornillo sin fin se utilizar la Norma ANSI-CEMA 350, la cual establece los estndares y guas acerca del diseo, construccin, instalacin y mantenimiento para los transportadores de tornillo sin fin. Esta norma tambin proporciona ciertas especificaciones detalladas acerca de las dimensiones, tolerancias, materiales y ciertos procedimientos para asegurar principalmente la eficiencia y seguridad de estos equipos en las diferentes aplicaciones industriales, garantizando la compatibilidad y un rendimiento ptimo de los transportadores helicoidales los cuales son muy utilizados en las diversas industrias que manejan productos al granel.
Adems, para complementar con ms informacin y tener un diseo ptimo se utilizar tambin el catlogo de Martin el cual es compendio de productos y soluciones industriales ofrecidos por Martin Sprocket & Gear (Gmez, n.d.), la cual tambin es una empresa muy conocida por su amplia gama de equipos para el manejo de materiales, como transportadores de tornillo sin fin, poleas engranajes, acoples, entre otros productos ms. El presente catalogo incluye especificaciones tcnicas, dimensiones, caractersticas para el diseo y aplicaciones recomendadas para cada producto ayudando a facilitar la seleccin y un manejo adecuado de estos productos en diferentes industrias.
Para realizar el diseo primeramente definimos un material con el que se va a trabajar esto debido a que la ensacadora semiautomtica trabajara con productos de difcil flujo, para lo cual se seleccionara un producto que tenga caractersticas similares con los descritos en el tema del presente proyecto el producto seleccionado ser Alimentos para Animales, esto debido a que uno de sus componentes principales es el maz molido, cereales como la soya los cuales contienen un gran porcentaje de partculas de polvo, al igual que estos productos pueden estar realizados con aceite de palma o melaza, los cuales hacen que estos aumenten su grado de humedad por lo cual su fluidez se ver disminuida.
Tabla 1. Seleccin del Producto
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Alimentos para aves o ganado bovino |
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Descripcin de Componentes |
Maz molido, soya, minerales, aceite de palma o melaza, entre otros. |
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Densidad Aparente Suelta |
50lb/ft3 o 801 kg/m3 |
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Caractersticas del material incluido |
Designacin |
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Densidad |
Densidad Aparente, Suelta |
50lb/ft3 o 801kg/m3 |
|
Tamao |
Fino - Tamiz No. 6(0,132" o 3,35mm) y menos |
B6 |
|
Fluidez |
Funcin de flujo libre >4 pero <10 |
2 |
|
Abrasividad |
Abrasividad Media - ndice 1-17 |
5 |
|
Propiedades o Peligros Diversos |
Polvoriento |
L |
|
Pegajosidad-Adhesin |
O |
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Medianamente Corrosivo |
T |
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Higroscpico |
U |
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Aceites presentes |
W |
Mediante el respectivo anlisis realizado en la tabla V en la cual se encuentra la eleccin de caractersticas acerca del producto seleccionado dando como resultado el siguiente cdigo: 50B625LOTUW, de igual manera el factor de material fm se selecciona un aproximado al material maz, partido tomando en consideracin que en un ejemplo de la norma nos dice que mientras mayor sea la cantidad de humedad el factor ser mayor fenmeno ocurrido en los cereales y otras sustancias las cuales podran ser polvos, debido a esto y como el producto seleccionado se encuentra tambin compuesto por cereales y polvos se toma a consideracin esta recomendacin, entonces el maz partido tiene un fm de 0.7 por lo cual para el presente caso se seleccionara un fm del 0.9 por el grado de humedad que aumenta al momento de colocar aceite de palma o melaza en la mezcla del balanceado.
Mediante la generacin del cdigo obtenido con el producto elegido anteriormente se procede a la seleccin de las capacidades para el transportador de tornillo sin fin, cabe recalcar que para el diseo del sin fin se necesita uno con un dimetro de 8 pulgadas el cual no se encuentra disponible en la norma por lo cual se realizara una interpolacin en ciertos valores donde se pueda hacerlo y lograr resultados lo ms eficientes posibles con el dimetro requerido.
Tabla 2. Seleccin del Producto
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Clase de Material |
Grado de carga del Canal |
Dimetro del Tornillo |
Mxima RPM |
Capacidad, ft3/h |
|
|
En Max. RPM |
A una RPM |
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|
B-25 |
45% |
6 |
165 |
368 |
2,23 |
|
8 |
158 |
999,4 |
6,41 |
||
|
9 |
155 |
1270 |
8,2 |
||
Seleccin de componentes mecnicos
Para el diseo del cabezal superior como se observa en la figura 5, es un elemento mecnico que tiene como funcin principal dar paso al producto por niveles, de modo que el diseo del cabezal superior de la ensacadora es importante para controlar y ajustar el flujo de acuerdo con las necesidades que requiera la produccin del producto desde la tolva de alimentacin hasta la boquilla de llenado.
Figura 5. Cuerpo principal del cabezal superior
Para la seleccin de los tornillos para fijar la brida cuadrada al cabezal superior se requiere de varios pasos detallados en el libro de BUDYNAS donde los pernos cumplan con todos los requisitos de carga. Estos tornillos estn fabricados en acero inoxidable AISI 304 y cumplen con las normas SAE J429H.
Figura 6. Brida para soporte de cabezal superior
Los pernos 5/16 - 18 UNC van a resistir deformaciones de carga axial sin problema alguno, ya que la mquina requiere alta precisin en el pesaje del producto, donde van a unir dos elementos que tienen el mismo material, pero diferente espesor (Shigleys Mechanical Engineering Design | Enhanced Reader, n.d.). La carga por soportar es de 210 lb esto es sumado de componentes como es el tornillo sin fin con su canal transportador, el motorreductor, y por la parte abajo es decir por donde pasa el proceso de ensacado esta la tolva, los cilindros hidrulicos, las tenazas y dems componentes.
Para la seleccin de los rodamientos se analiz que necesidades se tiene como son las condiciones de velocidad y ambiente de operacin, puesto que se necesita para un eje de 25 mm por lo que ser til un rodamiento rgido de bolas, en cuanto a posibles vibraciones tambin por parte del motorreductor para que funcione el transportador de tornillo sinfn. En la tabla VIII se observa los parmetros del rodamiento SKF 6005 2RSH ((PDF) Diagnstico de Fallas En Los Rodamientos de Motores Elctricos Empleando Variables Elctricas, n.d.).
Tabla 3. Resumen tcnico de los rodamientos SKF 6005 2RSH
|
Parmetro |
Rodamiento A |
Rodamiento B |
Verificar |
Cumple |
|
Carga axial (N) |
500 |
500 |
|
SI |
|
Carga radial (N) |
24.43 |
24.43 |
|
SI |
|
Vida til (horas) |
3852030,37 |
3852030,37 |
|
SI |
|
Factor So |
24,75 |
24,75 |
|
SI |
Para seleccionar los retenedores se analiza el ambiente en el que la mquina ensacadora va a trabajar, en el caso de nosotros va a estar expuesta a polvo, humedad y si es el caso tambin a qumicos. Como se seleccion rodamiento SKF 6005 2RSH, lo que deseamos es que estos duren para alargar lo mximo posible su vida til por lo que los retenedores vienen a complementar esta funcin de los sellos integrados en los rodamientos. Se selecciono el retenedor SKF 25x47x7 HMSA10 V, debido a que estos funcionan para componentes giratorios, as como tambin fijos de mquinas industriales, adems estn diseados de caucho con un labio de sello convencional de elastmero para ambientes polvorientos o exposicin a qumicos y sobre todo aseguran la retencin de lubricantes para mantener los componentes, mecnicos internos de la maquina ensacadora. Las especificaciones tcnicas que nos facilita el catlogo SKF (Rodamientos, 2019).
Tabla 4. Resumen tcnico de retenedor SKF 25x47x7 HMSA10 V
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Parmetro |
Rango |
|
Velocidad lmite (r.p.m.) |
13320 |
|
Temperatura mxima de operacin (C) |
200 |
|
Temperatura mnima de operacin (C) |
25 |
Es necesario que el cilindro seleccionado tenga la suficiente presin para poder retener el saco con el producto dentro de este, para ello los criterios establecidos deben contemplar un ensacado lleno y establecer dos cilindros, puesto que existen dos tenazas que van a sujetar el producto hasta su liberacin mediante pedal.
El cilindro adecuado es un cilindro estndar de doble efecto con un dimetro de mbolo de 40 mm y vstago de 16 mm y una carrera regulable normalizados de 50, 80, 100, 125 mm y otros; con el nombre comercial DNC-40-100-S de la marca Festo. Cabe mencionar que se necesita un cilindro para cada tenaza de sujecin.
El sistema de medicin de carga consta de dos celdas analgicas una en cada lado de la mquina ensacadora, este componente utiliza un sensor para transformar la resistencia mecnica en una seal elctrica, teniendo un arreglo denominado Wheatstone que no es ms que una configuracin de puente en el circuito con galgas extensiomtricas que producen el cambio en la resistencia. La seleccin de la celda de carga se basa casi en su totalidad en la capacidad y resolucin deseada, as como de la construccin del circuito y su sistema de automtico, por tanto, se ha seleccionado una celda NS1-100 kg de acero aleado con una dimensin de 76x50.8x23 mm y rosca M12X1.75. La sensibilidad de 2.0 3.0 mV/V.
Automatizacin
Control del sistema de dosificacin
Las conexiones de la ensacadora semiautomtica constan de un diagrama de control el cual est compuesto por lgica cableada y un LOGO PLC Siemens para la aplicacin de lgica programada, tambin consta de un diagrama de fuerza para el funcionamiento de sus respectivos actuadores. El diagrama de control es el encargado de hacer funcionar el sistema de dosificacin de la ensacadora, puesto que es aqu donde se darn las distintas seales para dar inicio con el mismo (Krause et al., 1995). A continuacin, se detallan los componentes empleados en el diagrama de control:
Tabla 5. Componentes del diagrama de control elctrico
|
Componente |
Smbolo |
|
Disyuntor de Proteccin |
Q1 |
|
Pulsador de Arranque NA |
SG |
|
Pulsador de Paro NC |
SR |
|
Pulsador de Pedal NA |
PEDAL |
|
Interruptor de Emergencia tipo hongo con contactos NA y NC |
PE |
|
Contactor (bobina de control + contactos principales) |
KM1 |
|
Electrovlvulas Neumticas 5/2 Monoestable (bobina de control) |
E3, E4 |
|
Bornera para Riel Din |
BORN1, BORN2 |
|
Selector de dos Posiciones NA |
SELEC |
|
Luz indicadora de encendido del Motor |
HG |
|
Luz indicadora de Encendido de PLC y P-EX2002 |
HY |
|
Luz indicadora de Emergencia |
HR |
|
Lneas de Alimentacin |
L1, N |
Para tener todas las protecciones adecuadas se ha realizado el siguiente diagrama de control elctrico industrial, el cual nos permite proteger los equipos frente a diversos problemas que puedan darse y alterar el correcto funcionamiento de estos, de igual manera crear un entorno de trabajo seguro y amigable para el operario (Lenin et al., 2009). Para abordar toda esta situacin, se muestra el siguiente diagrama de conexin con una solucin apropiada.
Figura 7. Diagrama de las conexiones para el control elctrico de la mquina
Para una mejor comprensin acerca de los actuadores que son utilizados en el funcionamiento de la ensacadora semiautomtica se realiz un diagrama de fuerza donde de igual manera se colocaron las protecciones necesarias para el cuidado de estos.
Tabla 6. Componentes del diagrama de fuerza (actuadores) para la ensacadora
|
Componente |
Smbolo |
|
Disyuntor de Proteccin |
Q1 |
|
Contactor |
KM1 |
|
Variador de Velocidad CA |
VAR |
|
Motorreductor Trifsico |
MR |
|
Electrovlvulas Neumticas 5/2 Monoestable |
E1, E2, E3, E4 |
|
Cilindros neumticos de doble efecto para sujecin del costal con reguladores de velocidad |
SC1, SC2 |
|
Cilindros neumticos de doble efecto para compuerta de flujo con reguladores de velocidad |
EV1, EV2, RFSF |
|
Lneas de Alimentacin |
L1, L2 |
|
Lnea de tierra |
PE |
Las conexiones de los actuadores utilizados en la mquina fueron conectados como se muestra a continuacin en el siguiente diagrama, como se puede observar en la figura 8 este sistema est constituido por un motor trifsico el cual ser accionado mediante un variador de velocidad, tambin consta de 4 electrovlvulas neumticas conectadas con su respectivo cilindro neumtico para su uso establecido, de igual manera cada uno de estos cilindros posee su respectiva vlvula de control de velocidad ayudando a tener un mejor control del proceso.
Figura 8. Diagrama de las conexiones de fuerza de la mquina
Funcionamiento
Al inicio nicamente hay energa en los terminales de entrada del disyuntor Q1 por lo cual se realiza su activacin, posterior se gira el selector de dos posiciones para el encendido del indicador digital P-EX2002 y del LOGO PLC Siemens los cuales sern los encargados del control automtico de la ensacadora, tambin se enciende una luz piloto HY indicando que estos se encuentran encendidos.
Nota: Al no poseer un indicador P-EX2002 para la simulacin, se realiz nicamente la representacin de las seales que sern brindadas por este al momento de su funcionamiento.
Figura 9. Diagrama de control y fuerza accionamiento de disyuntores
Al momento de presionar el botn verde SG en el diagrama de control, se activa la bobina del contactor dando como resultado el cierre de los contactos previamente abiertos. Estas acciones descritas habilitan el flujo de corriente hacia el Variador de Frecuencia para ello tambin se enciende una luz piloto verde HG indicando que el variador se encuentra encendido. Posterior a esto se realiza el accionamiento del botn PEDAL el cual es el encargado de realizar la activacin de las bobinas E3 y E4 de las electrovlvulas neumticas. En el diagrama de fuerza (figura 8) se puede observar que se encuentra activo el variador de velocidad a la espera de que el sistema de control de la orden para la activacin del motor. En el circuito electroneumtico se encuentran activadas las electrovlvulas E3 y E4 dando como resultado el accionamiento de los cilindros neumticos SC1 y SC2 los cuales son los encargados de abrir y cerrar las mordazas que sujetan el costal, una vez colocado el costal se dejara de presionar el pulsador PEDAL para que las mordazas cierren y sujeten el costal.
Cuando se tenga colocado el costal en la mquina se da inicio a la dosificacin del producto, para ello se simulo las seales SP1 y SP2 con interruptores al no tener disponible el indicador P-EX2002 en las libreras del programa, de igual manera estas seales van conectadas a un mdulo de rel de 2 canales el cual es el encargado de llevar estas seales a las entradas I1 y I2 del LOGO PLC de siemens, dando inicio a la dosificacin con la activacin de las electrovlvulas E1 y E2 de igual manera por medio del variador de velocidad se realiza la activacin del motorreductor accionando el helicoidal con la velocidad para el flujo alto, la cual puede estar comprendida entre 40Hz o 60Hz, esto debido a que la velocidad puede tener variaciones dependiendo el tipo de producto a ensacar.
Con la activacin en el sistema de control del variador de frecuencia se puede observar que efectivamente en el diagrama de fuerza el motorreductor se encuentra operativo, de igual manera las electrovlvulas E1 y E2 se encuentran activas para que los cilindros neumticos EV1, EV2 cambien su posicin a la del llenado grueso abriendo toda la compuerta de flujo automtica de la ensacadora, de igual manera el cilindro RFSF el cual es una compuerta reguladora de flujo a la salida del sinfn cambiara su posicin permitiendo un flujo libre del producto, este cilindro trabaja con la misma electrovlvula de EV1 pero con diferente conexin en las entradas de aire del cilindro.
Por consiguiente cuando el indicador P-EX2002 detecte que llego al porcentaje del peso establecido para el llenado de flujo alto desactivara la seal S1, dejando nicamente activada la seal S2 lo que significa que nicamente quedara activa la bobina de la electrovlvula E2 para dar inicio al dosificado Fino el cual cuenta con una frecuencia que puede estar comprendida de los 2.5 a 10 Hz, de igual manera esto podra variar dependiendo el tipo de material, velocidad de ensacado y precisin requerida en el pesaje.
En el diagrama de fuerza se puede verificar que el motorreductor sigue encendido pero este estar con una frecuencia menor puesto a que se est realizando el dosificado fino, de igual manera se observa que la electrovlvula E1 se encuentra desactivada por consiguiente sus cilindros neumticos tambin han regresado a su posicin inicial, entonces el cilindro RFSF al haber regresado a su posicin inicial tambin se encuentra obstruyendo el paso en la salida del sin fin y por el momento la nica electrovlvula activa es la E2 con su cilindro neumtico EV2 dejando de igual manera un cierto porcentaje de la compuerta abierta hasta llegar al peso establecido.
Para finalizar con el dosificado una vez el indicador P-EX2002 detecta que ya llego al peso objetivo desactiva la seal S2, por ende, se desactiva la bobina de la electrovlvula E2 y de igual manera enva la seal al variador de frecuencia para que detenga el funcionamiento del motorreductor finalizando con el ciclo de pesaje. Para la extraccin del saco se presiona el pulsador pedal nuevamente para la apertura de las tenazas extrayendo as el saco con su peso obtenido.
Diagramas para conexin electrnica
Se explica cmo se deben realizar adecuadamente las conexiones elctricas para lograr que el sistema funcione correctamente. Se debe tener en cuenta que al usar la tarjeta OP-05 se debe desconectar el jumper JP1 para deshabilitar los 15VDC en la terminal VEX, ya que podra verse afectado el correcto funcionamiento de ciertas conexiones.
Figura 10. Placas PCB del indicador P-EX2002
Se puede observar las conexiones a realizarse en la placa base del indicador digital, para ello nicamente se utilizan las borneras CN6 que es donde se conecta la alimentacin elctrica y las borneras CN4 las cuales son de gran importancia puesto que es donde van realizadas las conexiones de las celdas de pesaje.
Las conexiones realizadas en la tarjeta electrnica OP-05 estn constituidas en las borneras CN2, las cuales se encuentran realizadas en las entradas IN1, IN2 y CM1, estas son las encargadas de tener una conexin externa para l envi de seales mediante pulsadores fsicos. Las borneras OUT1 y OUT2, son aquellas que enviaran las seales de salida de acuerdo con la programacin de pesaje elaborada en el indicador digital.
Logo PLC de Siemens V8.4
Para la realizacin de la programacin se utiliz el software LOGO!Soft Comfort el cual posee una interfaz intuitiva, simulaciones y depuracin del cdigo siendo esto de gran ayuda ya que se realiza primeramente una validacin del programa antes de cargarlo en el PLC. La elaboracin del programa para la ensacadora se lo realizo en dos lenguajes de programacin siendo cualquiera de estos una opcin viable para su funcionamiento.
Para la elaboracin del programa mediante este lenguaje de programacin primeramente localizamos las variables de entrada que se encuentran conectadas en I1 y I2, las cuales son las seales provenientes del indicador digital P-EX2002, as mismo se colocan las condiciones que deben cumplir al momento de accionar las salidas Q1, Q2, Q3 y Q4 ya que estas deben cumplir con un orden especfico para el correcto funcionamiento de la ensacadora.
Figura 11. Programacin realizada con bloques funcionales
A diferencia del anterior lenguaje se basa ms en la representacin de circuitos elctricos de rels mediante el uso de contactos y bobinas, por ello de igual manera se identificaron cules son las entradas y salidas, para posterior ir dando las condiciones mediante el orden de encendido y apagado de las salidas Q1, Q2, Q3 y Q4, pero con la aplicacin del lenguaje de programacin Ladder. De igual manera se procede a colocar un mensaje para cuando se encienda la mquina.
Figura 12. Programacin realizada en diagrama de escalera o Ladder
Resultados
Validacin CAE diseo manivela
Consideremos que la manivela puede tener dos escenarios, un escenario cuando los actuadores estn completamente contrados o expandidos.
Figura 13. Cilindros neumticos contrados (primer escenario)
Figura 14. Cilindros neumticos expandidos (segundo escenario)
Ntese que en el primer escenario (actuador contrado) la compuerta se encuentra abierta, mientras que en el segundo escenario (actuador expandido) la compuerta se encuentra cerrada. Dicho esto, el segundo escenario sera el crtico porque a ms del peso propio tiene que soportar la carga, es importante recalcar que al realizar el actuador una accin de halar-empujar se tiene un comportamiento totalmente invertido. La fuerza ejercida sobre la manivela es:
Al generar una malla por defecto resulta en un mallado con una psima calidad de malla (promedio mnimo segn el criterio del Element Quality del 75%)
Figura 15. Mallado por defecto de la manivela
Por lo que se propone agregar al eje un mallado tipo Body Fitted Cartesian para obtener cubos simtricos en toda su axisimetra mientras que para el brazo un mallado tipo Hex Dominant que descompondrn el cuerpo en hexaedros. Todo esto generar cuerpos al azar de manera automtica, para solucionar esto y obtener una suavidad en la malla se aplica un Face sizing que uniformiza el tamao de todos los elementos donde tras varias iteraciones resulta en el tamao ms adecuado de 4mm que evita singularidades en el mallado, as como una calidad del 85.1%.
Figura 16. Mallado de calidad de la manivela
En la figura 17 se denota la fuerza que va a simular la carga de operacin real que va a estar generando el cilindro neumtico en sentido horario lo que se traduce en un momento torsional en la manivela.
Figura 17. Parmetros de cargas
Se denota la fuerza que va a simular la carga de operacin real que va a estar generando el cilindro neumtico en sentido horario lo que se traduce en un momento torsional en la manivela.
Figura 18. Factor de seguridad a fatiga
En la figura 18 se observa que el F.S. mximo aplicado es 15 veces menor que el lmite de fatiga del acero AISI 304 lo que se traduce en un sobredimensionamiento que podramos reducir espesor de la manivela, pero como somos muy conservadores lo dejamos como esta. El F.S. mnimo es 4 veces menos que el lmite de fatiga por lo que se tiene vida infinita y se comprueba que la manivela va a trabajar de manera segura.
Figura 19. Deformacin de la manivela
En la figura 19 se obtiene una deformacin de 0.018 mm, esto muestra que la manivela frente a la carga aplicada va a tener una deformacin pequea y no va a doblarse con el trabajo repetitivo del cilindro neumtico.
En cuanto al anlisis de convergencia ntese que el punto crtico se encuentra en esta curvatura siendo ah el punto de anlisis de la convergencia.
Figura 20. Punto crtico de la manivela
Tabla 7. Anlisis de convergencia de la manivela
|
Iteracin |
Nodos Malla |
Calidad Malla |
Factor de seguridad |
Deformacin |
|
1 |
31618 |
85.1 |
4.005 |
0.0186 |
|
2 |
47555 |
87.91 |
3.9114 |
0.0186 |
|
3 |
207397 |
93.85 |
3.85 |
0.0187 |
|
4 |
1557468 |
96.68 |
3.8418 |
0.0187 |
Evidentemente, el factor de seguridad converge sobre los 3.8 mientras que la deformacin converge en 0.0187 mm.
Validacin CAE diseo tenazas
Definiendo al escenario crtico por obvias razones como el punto donde las tenazas ejercen presin en las mordazas con el saco, se tiene un esquema simplificado.
Figura 21. Escenario critico de las tenazas
Ntese que el dato conocido seria la presin que ejerce el cilindro, por lo que partiendo de ah se debe realizar la simulacin en dos partes para conocer la deformacin en las mordazas. Al generar una malla por defecto resulta en un mallado con una psima calidad de malla (promedio mnimo segn el criterio del Element Quality del 75%).
Figura 22. Mallado por defecto de las tenazas
Resulta complicado aplicar un mtodo a cada elemento sin la posibilidad de empeorar el mallado por lo que se deja a libertad del software la eleccin del mtodo automtico ms conveniente. Sin embargo, para suavizar y uniformizar la malla se aplica un Body sizing de 5mm que tras varias iteraciones resulta en el tamao ms adecuado que evita singularidades en el mallado, as como una calidad del 83.63%.
Figura 23. Mallado de calidad de las tenazas
En base a esta malla generada inicialmente se obtienen los siguientes resultados. Fuerza generada en las mordazas debida a la presin del cilindro:
Figura 24. Resultados de deformacin de las tenazas
Este anlisis nicamente sirve para determinar las presiones ejercidas en las mordazas, de inmediato se procede a la segunda parte para determinar finalmente las deformaciones en las mordazas. En base a los datos obtenidos en la primera parte de este anlisis, se tiene, yendo en cada uno de los resultados en sentido horario respecto al mostrado:
Figura 25. Parmetros de carga
-
-
,
,
-
-
,
,
-
-
-
,
,
-
-
,
,
-
Figura 26. Deformacin en las mordazas
Ntese que la deformacin mxima es leve, de 0.058 mm. Ahora, en cuanto al factor de seguridad, el diseo en su esplendor esta sobredimensionado, sin embargo, se hace un ligero anlisis de convergencia para validarlo.
Tabla 8. Anlisis de convergencia de las tenazas
|
Iteracin |
Nodos Malla |
Calidad Malla |
Deformacin |
|
1 |
153510 |
83.63 |
0.0580 |
|
2 |
265450 |
82.68 |
0.0580 |
|
3 |
579662 |
84.24 |
0.0581 |
|
4 |
1803738 |
84.73 |
0.0581 |
Evidentemente, se confirma la veracidad del sobre diseo mientras que la deformacin converge en 0.0581 mm.
Validacin CAE diseo tolva
En el diseo de las tenazas se separ cada zona para tener una mejor precisin en el clculo, en este caso de sebe asumir que la zona completa es la de impacto por lo que se vuelve a ejercicio anterior para saber cunta fuerza se ejerceran en la zona de las tenazas de importancia como se ve en la siguiente imagen.
Figura 27. Diseo de la tolva
Analizando las fuerzas de presin en el Ansys se tiene:
Figura 28. Anlisis de fuerzas en ANSYS
Dicho esto, se ingresan estas fuerzas con signo contrario en la tolva (3ra ley de Newton), generando as lo siguiente.
Al generar una malla por defecto resulta en un mallado con una psima calidad de malla (promedio mnimo segn el criterio del Element Quality del 75%)
Figura 29. Mallado por defecto de la tolva
Resulta complicado aplicar un mtodo a cada elemento sin la posibilidad de empeorar el mallado sobre todo por las orejas que son el punto de apoyo por lo que se deja a libertad del software la eleccin del mtodo automtico ms conveniente. Sin embargo, para suavizar y uniformizar la malla se aplica un Body sizing de 5mm que tras varias iteraciones resulta en el tamao ms adecuado que evita singularidades en el mallado, as como una calidad del 77.445%.
Figura 30. Mallado de calidad de la tolva
En base a esta malla generada inicialmente se obtienen los siguientes resultados:
Figura 31. Deformacin en la tolva
Al considerar nicamente el efecto del saco sobre la tolva, es preciso sobre entender que el diseo esta sobredimensionado, para tener un anlisis ms real se tendra que agregar el peso del producto.
No se evidencia ningn punto crtico debido a su sobre diseo por lo que se ir mejorando la malla a esperas de que aparezca uno o la reconfirmacin de sobre diseo.
Tabla 9. Anlisis de convergencia de las tenazas
|
Iteracin |
Nodos Malla |
Calidad Malla |
Deformacin |
|
1 |
315808 |
77.445 |
0.00498 |
|
2 |
511169 |
80.455 |
0.00497 |
|
3 |
1088552 |
79.45 |
0.00498 |
Evidentemente, se confirma la veracidad del sobre diseo mientras que la deformacin converge en 0.005 mm.
Validacin de funcionamiento
Para el anlisis de los datos obtenidos de la ensacadora semiautomtica, se identificaron de tipos de variables: independientes y dependientes. La variable independiente es el peso nominal del saco (25kg, 30kg, 35kg, 40kg, 45kg y 50kg) ya que esta no vara y se mantiene como referencia en cada proceso de medicin. Las variables consideradas como dependientes son el peso real del saco y el tiempo de llenado debido a que estos pueden variar por factores de operativos y el margen de error de la ensacadora ( 50 gramos). Estas variables permiten evaluar la precisin de la mquina, as como cul ser su eficiencia en trminos de produccin y el comportamiento que presenta en el proceso de llenado.
Tabla 10. Descripcin de variables
|
VARIABLE |
TIPO |
UNIDAD DE MEDIDA |
CONCEPTO |
|
Peso |
Cuantitativa continua independiente |
kilogramos |
Es el peso obtenido en cada saco |
|
Tiempo |
Cuantitativa continua dependiente |
segundos |
Tiempo que ejecuta la ensacadora al momento del pesaje de cada saco. |
Para tener una validacin del funcionamiento de la ensacadora semiautomtica se realizaron diferentes mediciones con diferentes tipos de peso dentro del rango establecido de la ensacadora el cual es de 25kg a 50kg, por ende, se seleccion 6 pesos diferentes y de cada uno se realizaron 10 pruebas para corroborar la precisin de la maquina 50 gramos. Se efecto tambin la toma de datos del tiempo de llenado hasta el peso objetivo mediante el uso de un cronmetro.
A continuacin, en las siguientes tablas se muestran los datos obtenidos al momento de realizar el pesaje en la ensacadora semiautomtica.
Tabla 11. Pesaje y tiempo de llenado de sacos de 25kg, 30Kg
|
Sacos de 25kg |
Sacos de 30kg |
||||
|
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
|
1 |
25 |
6,53 |
1 |
30,05 |
7,21 |
|
2 |
25 |
6,81 |
2 |
30,05 |
8,16 |
|
3 |
25 |
7,98 |
3 |
30 |
8,37 |
|
4 |
25,05 |
8,11 |
4 |
30 |
8,97 |
|
5 |
25 |
7,24 |
5 |
30,05 |
7,10 |
|
6 |
25 |
7,68 |
6 |
30 |
8,61 |
|
7 |
25,05 |
7,96 |
7 |
30 |
8,74 |
|
8 |
25,05 |
7,2 |
8 |
30 |
8,99 |
|
9 |
25 |
6,98 |
9 |
30 |
8,12 |
|
10 |
25 |
7,31 |
10 |
30,05 |
9,01 |
|
Promedio |
25,015 |
7,38 |
Promedio |
30,02 |
8,328 |
Tabla 12. Pesaje y tiempo de llenado de sacos de 35kg, 40Kg
|
Sacos de 35kg |
Sacos de 40kg |
||||
|
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
|
1 |
35,05 |
8,96 |
1 |
40 |
11,14 |
|
2 |
35,05 |
10,11 |
2 |
40 |
10,67 |
|
3 |
35 |
9,19 |
3 |
40,05 |
12,90 |
|
4 |
35 |
9,37 |
4 |
40,05 |
12,35 |
|
5 |
34,95 |
9,67 |
5 |
40,05 |
10,98 |
|
6 |
35,05 |
9,97 |
6 |
40 |
12,83 |
|
7 |
35,05 |
10,31 |
7 |
40 |
12,69 |
|
8 |
35,05 |
10,11 |
8 |
40 |
12,71 |
|
9 |
35 |
10,28 |
9 |
40 |
11,89 |
|
10 |
35 |
10,45 |
10 |
40,05 |
11,98 |
|
Promedio |
35,02 |
9,842 |
Promedio |
40,02 |
12,014 |
Tabla 13. Pesaje y tiempo de llenado de sacos de 45kg, 50Kg
|
Sacos de 45kg |
Sacos de 50kg |
||||
|
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
N de Prueba |
Peso nominal (Kg) |
Tiempo de llenado (s) |
|
1 |
45,05 |
13,33 |
1 |
50,05 |
14,61 |
|
2 |
45,05 |
13,65 |
2 |
50 |
14,90 |
|
3 |
45 |
13,25 |
3 |
50 |
15,00 |
|
4 |
45 |
13,60 |
4 |
50 |
14,95 |
|
5 |
45,05 |
12,92 |
5 |
50 |
14,89 |
|
6 |
44,95 |
13,38 |
6 |
50 |
14,93 |
|
7 |
45 |
13,87 |
7 |
50,05 |
14,73 |
|
8 |
45,05 |
13,75 |
8 |
50 |
14,80 |
|
9 |
45 |
14,49 |
9 |
50 |
14,86 |
|
10 |
45 |
13,29 |
10 |
50,05 |
14,97 |
|
Promedio |
45,015 |
13,553 |
Promedio |
50,015 |
14,864 |
Mediante la obtencin de los datos se van a realizar diferentes tipos de anlisis, para poder comprobar la precisin al momento del pesaje y la verificacin del cumplimiento de la capacidad de produccin de la mquina.
Los resultados obtenidos muestran que la varianza y la desviacin estndar son bajas para cada peso nominal, indicando que la maquina mantiene una precisin alta en el pesaje. El valor ms alto de la desviacin estndar es 0.033 kg (33gr) para los sacos de 35kg, lo que sugiere que este peso tiene la mayor variabilidad en las mediciones, no obstante, todas las mediciones estn dentro del margen de error permitido confirmando que la mquina cumple con su precisin establecida mediante la aplicacin de estos anlisis de datos.
Figura 32. Grafica general del Peso de Ensacado
Al graficar los datos obtenidos en las tablas de recopilacin de datos se puede observar que el sistema de dosificado se encuentra funcionando de manera ideal, esto debido a que la grfica de peso obtenido por saco tiene una tendencia lineal lo que quiere decir que no hay una variacin significante en la toma de datos de los 6 diferentes seleccionados.
Figura 33. Grfica General del Tiempo de ensacado
Con la realizacin de todos estos anlisis se puede decir que la ensacadora mantiene una precisin muy aceptable, esto debido a que el error absoluto se mantiene dentro de su rango permitido 50 gramos. Adems, al realizar el anlisis del error relativo se observa que a mayor peso del saco menor es su valor porcentual, garantizndonos que el sistema de dosificacin funciona de manera adecuada. De igual manera los datos de anlisis de produccin nos indican que es una mquina con un alto rendimiento en el proceso de dosificado, ya que la produccin que esta maneja por horas es sumamente elevada.
Conclusiones
El sistema de dosificacin seleccionado con la adaptacin de la compuerta limitadora del flujo se ajust a la complejidad de los productos de difcil flujo. Las pruebas realizadas confirmaron que la maquina mantiene un margen de error dentro del rango esperado 50 gramos, garantizando que cada saco contenga la cantidad correcta del producto.
La compuerta reguladora de flujo automtica utilizada para el llenado logro demostrar que es eficaz, ya que permiti el llenado de varios tipos de productos sin afectar la uniformidad del peso obtenido en cada saco. Gracias al diseo logrado la mquina puede funcionar en diferentes condiciones de trabajo garantizando un flujo de producto constante y controlado.
Uno de los logros ms importante de la mquina fue encontrar un equilibrio entre la velocidad y precisin, esto con ayuda de los sistemas mecnicos y electrnicos al momento del pesaje, ya que se consigui aumentar la velocidad del proceso sin comprometer la exactitud obteniendo una mayor productividad.
La integracin de tecnologa (variador de frecuencia, sensores de pesaje, un indicador digital P-EX2002 y un LOGO PLC de siemens) permiti tener un control ms preciso al realizar el pesaje reduciendo los errores humanos y obteniendo un mejor producto final. Adems, se implementaron sistemas de seguridad para proteccin de la mquina por sobrecargas, as como un pulsador de seguridad para uso del operario logrando un lugar de trabajo seguro y confiable.
Las pruebas realizadas en la mquina fueron creadas simulando entornos industriales de trabajo, confirmando que la ensacadora semiautomtica funciona de una manera eficaz y estable. Tambin se pudo comprobar que efectivamente es capaz de operar con diferentes productos de difcil flujo y mantener un excelente desempeo, generando una gran confianza al momento de realizar su implementacin en cualquier rea de la industria que requiera su uso.
El anlisis de costos pudo demostrar que la ensacadora semiautomtica para productos de difcil flujo es una inversin rentable para las empresas que la requieran. Su diseo mejorado ayuda a reducir los costos operativos y de mantenimiento, logrando as un retorno de inversin en un corto periodo de tiempo. Adems, su eficacia en el pesaje permite maximizar el aprovechamiento del producto evitando desperdicios, la contaminacin de este y, por ende, mejorando la rentabilidad del negocio.
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