automatizaciÓn del llenado de una maquina de …
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
AUTOMATIZACIÓN DEL
LLENADO DE UNA MAQUINA DE
HELADOS VENDING
PROYECTO TERMINAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
DIRIGIDA POR: M. en C. Alejandro Tonatiu Velázquez Sánchez Dr. Esther Lugo González
P R E S E N T A N:
INTEGRANTES
Fernández Álvarez César Daniel
Pérez Trejo Oscar
Torres Malagón Víctor Hugo
MÉXICO, D.F. JULIO DEL 2015
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
AGRADECIMIENTOS.
A mis padres que con su amor y apoyo incondicional hicieron posible concluir esta etapa de
mi vida, gracias por su tiempo, paciencia y consejos que sin duda fueron una influencia
importante para lograr esta meta, pero sobre todo gracias por creer en mí y nunca permitir
que me diera por vencido.
A mis hermanos gracias por siempre estar ahí en los mejores y peores momentos y por ser
un gran ejemplo a seguir.
A mi institución que me forjó no solo con conocimientos sino con grandes valores siendo
así mi segunda casa, estoy seguro que no podré pagar nunca lo que esta ha hecho por mí,
sin embargo estoy seguro que siempre dejaré el nombre del Instituto Politécnico Nacional
en alto poniendo siempre la técnica al servicio de la patria.
i
Índice General
Índice General i
Índice de Imágenes iv
Introducción. vi
Objetivo general 1
Objetivos específicos 1
Justificación 2
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS 3
Generalidades 4
1.1 Tipos de máquinas vending y aplicaciones 6
1.2 Máquinas automáticas dispensadoras de helado 7
1.3 Máquinas expendedoras en México 7
1.4 Planteamiento del problema. 8
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 9
Generalidades 10
2.1 Motores de corriente continúa 10
2.2 Motor eléctrico con sistema de engranaje 11
2.3 Servomotor 12
2. 4 Sensores 13
2.4.1 Sensor ultrasónico 13
2.4.2 Sensor fotoeléctrico 14
2.4.3 Sensor de pulsos para control de posición 15
2.5 Válvulas 15
2.5.1 Válvula de mariposa 15
2.6 Actuadores de válvulas 16
2.7 Elementos para el control 17
2.7.1 Puente H 17
2.8 Elemento de adquisición y procesamiento de datos 18
2.8.1 Entradas y salidas digitales 18
2.8.2 Entradas y salidas analógicas 19
2.9 Interfaz TouchScreen 19
2.9.1 Resistivas 19
2.10 Materiales 20
2.10.1 Acero inoxidable 20
2.10.2 Acrílico 20
ii
CAPÍTULO 3. DISEÑO DE PIEZAS MECÁNICAS 21
Introducción 22
Partes de una máquina de helados 22
3.1 Descripción general del diseño de la adaptación para la máquina. 26
3.1.1 Eje para vasos 27
3.1.2 Base de eje para vasos. 27
3.1.3 Eje general 28
3.1.4 Balines. 29
3.1.5 Cubierta cilíndrica 29
3.1.6 Pieza expulsora de helado 30
3.1.7 Almacén de materia prima sólida 31
3.1.8 Dispensador a granel 31
3.1.9 Tapa de almacenes 32
3.1.10 Almacén de materia prima liquida 33
3.1.11 Abrazadera de contenedores 33
3.1.12 Direccionador de materia prima 34
3.1.13 Perfil de aluminio 34
SUMARIO 35
CAPÍTULO 4. CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS 36
Introducción 37
4.1 Cálculos para selección de motores 37
4.1.1 Cálculo para el motor de la base giratoria 37
4.1.2 Calculo para el servomotor de la pieza expulsora 39
4.1.3 Cálculo del motor que moverá el dispensador a granel 42
4.2 Selección de máquina, válvulas y sensores 43
4.2.1 Selección de máquina expendedora de helado 43
4.2.2 Descripción de los componentes electrónicos 44
4.2.3 Selección de sensores de nivel 44
4.2.5 Control de posición 46
4.2.6 Selección de válvula sanitaria 47
4.2.6.1 Cálculo válvula sanitaria 48
4.5 Integración de la maquina 56
4.5.1 Mecánica 56
4.6 Conexión de los sensores 64
4.7 Diagrama de flujo y descripción del programa 66
4.8 Intrefaz gráfica 74
iii
4.9 Integración de la máquina 75
Justificación económica 81
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 85
5.1 Conclusiones 86
ANEXOS 87
iv
Índice de Imágenes
Imagen 1.1 Primera máquina vending .................................................................................................. 5 Imagen 2. Máquinas vending contemporáneas .................................................................................... 6 Imagen 3. Partes del motor ................................................................................................................. 11 Imagen 4, Conexión física del servomotor ......................................................................................... 12
Imagen 5. Sensor ultrasónico ............................................................................................................. 13 Imagen 6. Sensor fotoeléctrico ........................................................................................................... 14 Imagen 7. Válvula de mariposa .......................................................................................................... 16 Imagen 8. Diagrama electrónico del puente H ................................................................................... 17 Imagen 9. Compresor (Lado izquierdo) y condensador (Lado derecho). .......................................... 22
Imagen 10. Motor ............................................................................................................................... 23 Imagen 11. Válvula de expansión ...................................................................................................... 23
Imagen 12. Contenedor del helado ..................................................................................................... 24 Imagen 13. Máquina SSI-303SP ........................................................................................................ 25 Imagen 14. Vista frontal y vista lateral izquierda .............................................................................. 26 Imagen 15. Contenedor de helado de la máquina .............................................................................. 26
Imagen 16 . Eje para vasos ................................................................................................................. 27 Imagen 17. Base de eje para vasos ..................................................................................................... 28
Imagen 18. Eje general ....................................................................................................................... 29 Imagen 19. Balines ............................................................................................................................. 29 Imagen 20. Cubierta cilíndrica ........................................................................................................... 30
Imagen 21. Pieza expulsora ................................................................................................................ 30 Imagen 22. Almacén de materia prima .............................................................................................. 31
Imagen 23. Dispensador a granel ...................................................................................................... 32 Imagen 24. Tapa de almacenes .......................................................................................................... 32
Imagen 25. Almacén de materia prima líquida .................................................................................. 33 Imagen 26. Abrazadera de contenedores ............................................................................................ 34
Imagen 27. Direccionador de materia prima ...................................................................................... 34 Imagen 28. Perfil de aluminio ............................................................................................................ 35 Imagen 29. Motorreductor .................................................................................................................. 38
Imagen 31. Servomotor ...................................................................................................................... 41 Imagen 32. Válvula sanitaria tipo mariposa ....................................................................................... 52
Imagen 33. Sensores ultrasónicos ...................................................................................................... 55 Imagen 34. Ubicación sensor fotoeléctrico ........................................................................................ 56 Imagen 35. Sensor de posición ........................................................................................................... 56
Imagen 36. Movimiento de disco ....................................................................................................... 57
Imagen 37. Eje giratorio ensamblado ................................................................................................. 58 Imagen 38. Eje giratorio ensamblado vista lateral ............................................................................. 58 Imagen 39. Piezas para almacén de materia prima ............................................................................ 59 Imagen 40. Almacén de materia prima sólida .................................................................................... 60 Imagen 41. Almacén materia prima líquida ....................................................................................... 61
Imagen 42.Mecanismo surtidor de vasos ........................................................................................... 61 Imagen 43. Ensamble final ................................................................................................................. 62 Imagen 44. Ensamble final vista trasversal ........................................................................................ 63 Imagen 45. Tarjeta Arduino Mega ..................................................................................................... 64 Imagen 46. Sensor ultrasónico ........................................................................................................... 65
Imagen 47. Sensor fotoeléctrico ......................................................................................................... 66
v
Imagen 48. Pantalla Touch ................................................................................................................. 75
Imagen 49. Baja vasos y rampa de salida ........................................................................................... 76 Imagen 50. Ensamble completo ......................................................................................................... 76 Imagen 51. Ensamble completo vista superior ................................................................................... 77 Imagen 52. Ensamble completo vista lateral ...................................................................................... 77
Imagen 53. Componentes de máquina de helado ............................................................................... 78 Imagen 54. Ensamble final ................................................................................................................. 79 Imagen 55. Ensamble final vista lateral ............................................................................................. 80 Imagen 56. DTI Máquina expendedora .............................................................................................. 87 Imagen 57. Encuesta 1 ....................................................................................................................... 88
Imagen 58. Encuesta 2 ....................................................................................................................... 89 Imagen 59. Encuesta 3 ....................................................................................................................... 90
vi
Introducción.
La máquina automática despachadora es un desarrollo de tecnología que poco a poco se va
adaptando más a las necesidades de los clientes, llevando productos de consumo diario a lugares
de mayor afluencia. Esta máquina expendedora de helados ofrecerá un servicio amigable con el
cliente, donde este podrá elegir el sabor y los ingredientes de su preferencia, mediante una
interfaz HMI (Interfaz Hombre Maquina) se hará la selección del producto directamente con la
máquina haciéndola atractiva para cualquier tipo de público.
En el capítulo uno se expone los antecedentes históricos de las máquinas expendedoras, dando
una idea más clara de cómo ha evolucionado conforme al desarrollo de las nuevas tecnologías.
En el capítulo dos se describen las principales características y principio de funcionamiento de los
elementos usados en la máquina: sensores, motores eléctricos, mecanismos de transmisión de
movimiento, actuadores, y consideraciones mecánicas en general.
En el capítulo tres se enuncian las partes de la máquina que se utilizó como base además de que se
menciona el funcionamiento y la actividad principal que desarrolla cada una de las piezas
mecánicas que se utilizaron en la máquina.
En el capítulo cuatro se encuentran los cálculos de los motores que fueron utilizados para mover la
base giratoria y la pieza expulsora, las tablas de comparación de los sensores que se usaron, la
ubicación de cada uno de ellos dentro de la máquina y el motivo por el cual fueron elegidos.
Además de que se muestra la integración de todas las partes mecánicas hasta conformar el sistema
que fue acoplado a la máquina de helados que se eligió.
1
Objetivo general
Automatizar el llenado de vasos con helado para reducir el tiempo de entrega del producto y
encontrar otra alternativa de distribución por medio de la máquina, situándola en espacio públicos
más concurridos ofreciendo un mejor servicio para el consumidor.
Objetivos específicos
a) Diseño de piezas mecánicas para la automatización de la máquina.
b) Selección de dispositivos para la secuencia de llenado de vasos con helado.
c) Desarrollo del algoritmo de programación para generar las rutinas que implican el llenado
de vasos con helado.
d) Diseño de la interfaz gráfica para la selección del producto.
2
Justificación
Debido al consumo frecuente del helado sobre todo en épocas de temperaturas altas es necesario
hacer uso de la tecnología para desarrollar nuevos proyectos que ayuden a la comercialización y
distribución de este tipo de producto, es por ello que se realizará el diseño de un sistema
automatizado para el llenado de vasos, con esto se pretende mejorar la ubicación de la máquina
eligiendo mejores lugares de mercado. Se espera que los consumidores puedan adquirir el helado en
lugares donde difícilmente podría estar situado un establecimiento, como centros comerciales,
plazas, mercados, hospitales etc.
La mayoría de las veces que una persona consume helados lo hace fuera de casa. La máquina
automática de helados ofrecerá que el proceso de compra sea más rápido y fácil, acercando el
producto a sitios que más frecuenta, como los ya mencionados. Si se aumenta la presencia de éste en
la vida del consumidor, aumenta las posibilidades de compra.
Se realizó una encuesta (Anexo 1) para conocer la opinión de los consumidores acerca del servicio
clásico que se ofrece para obtener el producto, así como la aceptación de una máquina autónoma,
obteniendo los siguientes resultados.
Al preguntar cuáles serían los lugares donde les gustaría encontrar el producto dijeron con 48.94%
que en calles y avenidas principales, 40.43% en escuelas, 27.66% en el metro, 23.40% en plazas
comerciales, 14.89% hospitales y finalmente con el 6.38% en estacionamientos.
Con respecto al canal de distribución tradicional en el que se adquiere el producto las personas
encuestadas resaltaron los siguientes problemas y deficiencias del servicio ofrecido por las distintas
empresas.
A un 57.45% le molesta la espera en filas, teniendo que recurrir a consumir otro producto con
mayor facilidad en la mayoría de veces, el 40.43% vio deficiente el lugar en que se encuentran
ubicados las tiendas de distribución del producto y por ultimo con un 8.51% la atención brindada
por el personal dicen los encuestados que no es la mejor que un cliente espera.
Finalmente al preguntar si cambiarían su forma de consumir el producto de la forma tradicional para
ahora hacerlo por medio de una máquina expendedora automática “vending” el 91.49% de los
encuestados dijo que si lo haría y solo el 8.51% dijo que no lo cambiaría.
Basándose en las necesidades de los resultados que arrojó la encuesta, es viable realizar una
máquina automática, donde los principales objetivos son: la rapidez del servicio, la localización del
producto, el coste de mantenimiento y la facilidad de encontrar éste a cualquier hora.
3
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
CAPÍTULO 1.
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
4
Generalidades
El vending es la venta de productos a través de Máquinas Automáticas. Simplemente introduciendo
monedas, billetes, fichas o tarjetas y pulsando un botón o girando una perilla obtenemos la
mercancía seleccionada. Nació para satisfacer la necesidad del hombre de adquirir todo tipo de
artículos en las mejores condiciones de higiene y calidad, en cualquier horario y lo más pronto
posible. El tener una o más Máquinas automáticas , implica tener un vendedor las 24 horas del día
los 365 días del año, el cual no recibe sueldo, no pide Vacaciones, no necesita Seguro Social ni
Prestaciones, solo un poco de atención en nuestros tiempos libres.
El Vending se ha convertido en la actividad comercial más lucrativa y de mayor crecimiento en el
mundo para la captación de recursos, y puede ser una fuente complementaria a nuestros ingresos
(SUELDO), así como también puede llegar a ser nuestra principal actividad económica.
El Vending es la industria con mayor desarrollo y la de mayor crecimiento a nivel mundial, se
estima una derrama anual de $25 billones USD. Hoy en día, la tecnología y automatización del
comercio se enfoca a vender más a un menor precio.
En Estados Unidos, el negocio de las Máquinas despachadoras vending está muy desarrollado y
consolidado fuertemente desde la década de los 70´s y son innumerables los productos que se
ofrecen.
En Europa, así mismo, se puede comprar desde un pantalón de mezclilla, rentar una película de
video, comprar un preservativo o un chicle en éste tipo de máquinas expendedoras. [1]
Según el portal de internet “data vending (Historia del vending)” las máquinas expendedoras se
encuentran en el mercado desde hace 120 años: La primera máquina comercial expendedora de
tarjetas postales accionada por monedas se introdujo en Londres a principios de la década de 1880.
Desde entonces estas máquinas se empezaron a utilizar con más frecuencia en diversos países
europeos antes de llegar a Estados Unidos.
En el año de 1888 se introdujo la primera máquina expendedora en estados unidos.
La compañía Thomas Adams Gum instaló máquinas expendedoras en plataformas elevadas en el
subterráneo de la ciudad de Nueva York para vender su goma de mascar sabor tutti-fruti.
En 1897, la compañía manufacturera Pulver incorporó figuras animadas a sus máquinas
expendedoras de goma de mascar para atraer clientes.
5
El vending, tiene sus orígenes en los productos de gran consumo del sector de la alimentación, si
bien en un inicio las máquinas que más recordamos son las que sacaban (creando una gran
incertidumbre entre el momento en el que se introducía la peseta y cuando se conseguía el producto)
caramelos y bolas de chicle, la evolución experimentada por estas máquinas ha sido trepidante, y la
aceptación en los ámbitos en los que se ha introducido cada vez mayor.
Posteriormente, las máquinas de caramelos se acompañaron de otras que servían chicles, y hacia
1975 ya empezaban a instalarse máquinas de refrescos. La ubicación de las máquinas era el factor
más importante. [2]
Imagen 1.1 Primera máquina vending
En 1960, las máquinas vending sufren un rotundo cambio en su funcionamiento pues comienzan a
utilizar dispositivos electrónicos para la validación y aceptación de monedas y billetes. Cerca de la
década de 1990 comienza la utilización de dispositivos de pago mediante tarjetas de crédito y de
débito. Hoy en día se pueden encontrar éste tipo de máquinas desde las más simples como lo son las
dispensadoras de golosinas hasta las modernas máquinas vending inversas o RVM para el reciclaje
de desperdicios sólidos.
6
Imagen 2. Máquinas vending contemporáneas
1.1 Tipos de máquinas vending y aplicaciones
Los tipos de máquinas vending que actualmente existen pueden ser de los siguientes tipos:
Mecánicas
Electrónicas
Mecatrónicas
Con enlace informático de monitoreo y gestión de datos
Las aplicaciones actuales que se dan a los diferentes tipos de vending machines se encuentran en:
Sistema de pago y recarga de tickets de transporte.
Compra de bebidas gaseosas, calientes y golosinas.
Dispensación de preservativos y medicamentos.
Compra de regalos.
Máquinas de juegos de azar.
Dispensación de prensa escrita.
Pagos vía internet de servicios básicos.
Recargas electrónicas de telefonía celular.
Reverse Vending Machines para el reciclaje de desechos sólidos. [3]
7
1.2 Máquinas automáticas dispensadoras de helado
En la actualidad podemos observar que cada día las empresas dedicadas al vending nos ofrecen
nuevas alternativas y diseños novedosos que hacen más atractiva la compra de los productos que se
distribuyen de esta forma. Este es el caso de la empresa de origen chino llamada Hommy
Entreprise® que lanzó al mercado una máquina dispensadora de helados, la cual con sólo ingresar
el costo de estos deposita un cono que se posiciona en un soporte para después ser llenado con el
tipo o sabor de helado que el usuario haya seleccionado previamente.
Lo novedosos de esta máquina es que cuenta con un panel visible al usuario que permite observar el
proceso desde que el cono se posiciona hasta cuando el helado el helado es vertido en este.
El usuario puede elegir dos sabores diferentes en el mismo cono así como también una mezcla de
varios sabores, además de que el operador puede programar la cantidad de helado que será
suministrada.
1.3 Máquinas expendedoras en México
Actualmente en México los consumidores se familiarizan cada día más con este tipo de servicio, por
lo que la demanda va en constante aumento y es considerado como uno de los negocios más
rentables para los próximos 10 años.
Lo que se pretende en el comercio es automatizar el proceso de la venta de artículos para la
disminución de costos y tiempo. Este negocio es uno de los más fáciles y viables para los
emprendedores con la seguridad de obtener utilidades a corto plazo.
La venta automática de productos en México ha sido muy importante para diferentes empresas a la
hora de lanzar un nuevo producto y así probar su eficacia y rentabilidad.
Cada vez es más habitual que las empresas inviertan en tecnología para la venta de sus artículos por
medio de este canal, ya que de esta manera pueden hacer llegar sus productos a casi cualquier lugar
que deseen.
El crecimiento del vending en México es bastante favorable ya que desde el 2010 las cifras
aumentan al doble. Esto ha hecho que cada día más emprendedores mexicanos vean este canal de
venta como una opción extra de dinero para sus bolsillos independientemente del trabajo fijo que
manejen.
8
1.4 Planteamiento del problema.
El helado es un producto de consumo popular en las distintas partes del mundo, sin importar
orígenes étnicos, religiosos y económicos. Conforme han pasado los años y la tecnología ha ido
avanzando, el método de distribución del producto ha cambiado un poco pero sin perder el origen
tradicional del servicio.
Dentro de los problemas principales que enfrentan las empresas dedicadas a la distribución del
helado por medio de tiendas, es el tiempo que tardan en brindarle el servicio a cada cliente que es
aproximadamente de 10 a 20 minutos, teniendo como resultado la ineficiencia del mismo y que cada
vez el cliente busque otro tipo de distribución en donde encuentre rapidez al consumir el producto.
La ubicación de las tiendas también representa un problema, donde regularmente se encuentran
dentro de plazas comerciales, las cuales tienen un horario de servicio limitando al cliente a no
poderlo consumir a la hora que el deseé.
Aun cuando existen distintos métodos de atención al cliente para una mayor eficiencia, no se ha
podido satisfacer el servicio en días de alta concurrencia.
Una alternativa viable es una máquina expendedora automática la cual disminuiría el tiempo de
ejecución reduciéndose a 2 minutos aproximadamente, teniendo como ventaja poder ubicarla en otra
zona si en el primero no dio el resultado que se esperaba.
9
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO
CAPÍTULO 2. MARCO
TEÓRICO
10
Generalidades
Se presentará en este capítulo los pasos y las consideraciones a seguir para construir un sistema
automático de llenado de vasos con helado que será implementado en una máquina convencional la
cual funciona incorporando un recipiente en el que se vierte la mezcla de ingredientes, que
previamente ha sido tratada en una máquina de pasteurización. Esto evita la contaminación
bacteriológica y mejora la viscosidad de la masa de helado. A continuación, ésta se hace pasar por
un chorro de aire, que permite aumentar su volumen hasta casi el 90%. Por último, la mezcla
insuflada se vierte en un depósito cilíndrico donde se agita lentamente con el propósito de que
conserve toda la cremosidad y adquiera el aspecto que tiene el helado cuando emerge por el grifo
distribuidor tras ser accionado manualmente por un usuario.
Para entender el funcionamiento de esta implementación automática se debe tener cierto
conocimiento sobre el tema y algunos conceptos que se abordarán en el capítulo.
El prototipo consta de las siguientes partes:
Y ahora se explican los elementos que la forman.
2.1 Motores de corriente continúa
Un motor de corriente directa es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía
mecánica.
El motor se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen en los imanes, conociendo que
tenemos 2 polos (norte y sur), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un
imán. Un motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor ya que de
esta forma y cumpliendo la ley de que polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos
diferentes se atraen, se empezara a producir un movimiento de rotación continuo. [4]
Las partes principales de un motor de CC son:
Estator: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los
motores pequeños se consigue con imanes permanentes.
Diseño de
piezas
mecánicas
Electrónica Control del
proceso Programación
11
Rotor: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator,
el par de fuerzas que le hace girar.
Escobillas: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del
rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a
ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de
grafito.
Colector: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una
corona de cobre partida en sectores.
Imagen 3. Partes del motor
2.2 Motor eléctrico con sistema de engranaje
Los reductores o motor reductores son apropiados para el accionamiento de toda clase
de máquinas y aparatos de uso industrial, que necesitan reducir su velocidad en una forma segura y
eficiente.
Los motores de corriente directa se emplean para formar las uniones o articulaciones de los robots
debido a esto se le denomina desplazamiento articular rotacional o lineal para el caso de los motores
modificados. [5]
La gran mayoría de los motores eléctricos tienen integrado un sistema de engranes ensamblado en el
motor para amplificar el par o torque alrededor del eje de giro del rotor y disminuir la velocidad de
rotación.
12
Al emplear reductores o moto reductores se obtiene una serie de beneficios sobre estas otras formas
de reducción. Algunos de estos beneficios son:
Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida.
Una mayor eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor.
Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el mantenimiento.
Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje.
Menor tiempo requerido para su instalación.
2.3 Servomotor
Un servomotor es el conjunto de un motor de CC, una caja reductora y un circuito de control.
Este conjunto hace que el motor pueda ubicarse en una posición deseada.
Aparte de los circuitos de control tiene un potenciómetro conectado al eje central del motor. Este
potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el
eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo
no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto.
El eje del servo es capaz de llegar hasta a los 360 grados, pero sin dar la vuelta completa, es decir
una vez avanzado 360 grados no podrá avanzar más en esa dirección, tendrá que regresar.
La corriente que demanda depende del tamaño del servo y del par.
El sistema más empleado para controlar los servos es por Modulación de Ancho de Pulso, o por sus
siglas en ingles PWM. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que variaremos el
tiempo en que el pulso está en nivel alto y en nivel bajo, este tiempo es el que le indicará al servo
cuántos grados debe rotar y en qué posición debe colocarse.
Cuentan con 3 terminales de conexión físicas, una que es el cable de terminal positivo que por lo
general es rojo, un cable de terminal negativo que es negro y el cable de entrada de señal que
usualmente es blanco. [6]
Imagen 4, Conexión física del servomotor
13
2. 4 Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas, químicas, biológicas, etc. Y
convertirlas a magnitudes eléctricas para poder llevar después una acción de control.
Un sensor tiene diferentes características como: Amplitud, error, fiabilidad, precisión, ruido,
sensibilidad, temperatura de servicio, histéresis y ruido entre otras. Estas son unas de las
consideraciones que debemos de tomar en cuenta al elegir un sensor. [7]
Existen muchos tipos de sensores como los son: Sensor de humedad, de PH, presión, proximidad,
ópticos, etc. Sin embargo los relevantes para esta etapa del proyecto son los sensores ópticos.
2.4.1 Sensor ultrasónico
Los sensores ultrasónicos son dispositivos electrónicos capaces de detectar objetos localizados a
cierta distancia que puede ser desde centímetros hasta varios metros. El sensor emite un impulso
acústico que se propaga en el aire a la velocidad del sonido, al encontrar un objeto es reflejado en
forma de eco al sensor para convertirlo en una señal eléctrica la cual es procesada por el mismo.
Este calcula la distancia que hay hacia el objeto basándose en el tiempo que transcurrió desde la
emisión de la señal acústica y la recepción del eco.
Imagen 5. Sensor ultrasónico
14
2.4.2 Sensor fotoeléctrico
Es un dispositivo óptico que funciona mediante la detección de un haz de luz que puede ser visible o
invisible y que responden a un cambio en la intensidad de luz que reciben. Las partes que componen
a este tipo de sensor son: el emisor, que es el encargado de originar el haz de luz que por lo general
es un led, el receptor, que se encarga de recibir el haz de luz enviado por el emisor para procesarlo y
mandar una señal. Existen tres formas diferentes de detección en las que se clasifican estos sensores,
opuesto, reflectivo y proximidad.
En el modo opuesto el emisor y el receptor se encuentran en dos puntos distintos, el emisor y se
coloca de frente al receptor y la detección se realiza cuando un objeto pasa frente a estos dos
interrumpiendo el haz de luz.
Por otra parte en el modo de detección reflectivo el sensor tiene el emisor y el receptor en el mismo
lugar solo que enfrente de él es colocado un espejo reflector que reflejará el haz de luz de regreso
hacia el receptor. De la misma manera que en el modo opuesto la detección se realiza cuando un
objeto se interpone entre el sensor y el espejo.
Por último en el modo de proximidad de igual forma que en el sensor anterior se tienen el emisor y
el receptor en el mismo lugar solo que en este caso el emisor recibe el haz de luz cuando un objeto
pasa frente al sensor y es este el que lo refleja.
Imagen 6. Sensor fotoeléctrico
15
2.4.3 Sensor de pulsos para control de posición
Los sensores de pulsos o encoder son sensores digitales que miden la posición de los robots y de
cualquier sistema mecatrónico. La tecnología del encoder es optoelectrónica por lo que también se
les denomina encoders ópticos que a su vez se clasifican en incrementales y absolutos.
Un encoder óptico consta básicamente de una fuente de luz conformada por un arreglo de diodos
LED´s que se encuentran enfrente de un disco giratorio con ranuras.
Como fuente de luz se utilizan diodos LED emitiendo rayos infrarrojos que pasan por las ranuras del
disco giratorio hacia los elementos fotodetectores (fototransistores) que se encuentran en el respaldo
del disco. El disco giratorio esta acoplado en el rotor del motor para que gire de la misma forma y
por lo tanto al girar el disco interrumpe el haz de luz, cambiando el estado de la salida, entonces el
encoder puede producir como señal de salida un tren de pulsos proporcional al ángulo de giro del
rotor (encoder incremental) o una palabra digital codificada en formato binario (encoder absoluto).
Esta señal de salida se acopla directamente a un microprocesador o interfaz electrónica de un
sistema mínimo para ser empleada por algoritmos de control.
2.5 Válvulas
Las válvulas son dispositivos mecánicos diseñados para regular, retener, controlar o liberar un
fluido. Generalmente las válvulas están compuestas por un cuerpo con conexión a tubería y de un
obturador que es operado por un accionamiento que impide el paso del fluido cuando está en
posición de cierre. [8]
El elemento final de control es el último componente de un lazo de control que en conjunto con el
actuador que lo opera, recibe señales del sistema de control para modificar el flujo de masa o energía
al proceso, en el control automático la válvula de control juega un papel muy importante en el lazo
de control. La válvula de control puede definirse como un elemento de control a través del cual pasa
un líquido o gas que ajusta el tamaño del paso de flujo, con un orificio variable, de acuerdo a la
señal recibida desde el controlador y actúa utilizado para regular el flujo de un proceso.
2.5.1 Válvula de mariposa
Esta válvula es capaz de producir altas caídas de presión y asegurar cierre firme, además, sus
características de auto limpieza y su patrón de flujo lineal son adecuados para algunos servicios
solidos líquidos. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma fijada en el
16
cuerpo. Un actuador exterior está totalmente abierta (en control todo-nada se consideran 90° y en
control continuo 60°, a partir de la posición de cierre ya que en la última parte del giro es bastante
inestable.), siempre que la presión diferencial permanezca constante. Las válvulas de mariposa se
emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.
Imagen 7. Válvula de mariposa
2.6 Actuadores de válvulas
Las válvulas de control pueden tener actuadores neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales, si
bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de actuación rápida y tener una
gran capacidad de esfuerzo. Puede afirmarse que el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son
accionadas neumáticamente por diafragma, es simple, barato, no tiene fricción y su velocidad es
limitada solo por el índice con el cual el aire puede ser mandado al actuador y retirado del mismo.
Los actuadores hidráulicos consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido
hidráulico a una servo válvula. La señal del instrumento de control actúa sobre la servo válvula que
dirige el fluido hidráulico a los dos lados del pistón actuador hasta conseguir, mediante una
retroalimentación, la posición exacta de la válvula. Se caracterizan por ser extremadamente rápidos,
potentes y suaves si bien su coste es elevado, por lo que solo se emplean cuando los actuadores
neumáticos no pueden cumplir con las especificaciones de servicio.
Los actuadores de pistón pueden ser utilizados si se requiere una carrera larga o una presión alta del
actuador, ya que ofrece un alto empuje como resultado de su capacidad de soportar una presión de
aire alta. Las válvulas digitales disponen de compuertas neumáticas accionadas por electroválvulas
17
que, a su vez son excitadas por la señal de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es
muy rápida (una compuerta 500 mS), y el grado de abertura depende de la combinación de las
compuertas. Aunque estas válvulas están limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, presentan
interés para el mando digital directo, si bien su velocidad de apertura instantánea no representa una
ventaja esencial frente a las válvulas neumáticas industriales y su coste es elevado.
2.7 Elementos para el control
La función de los elementos de control es mantener la estabilidad del crecimiento del sistema dentro
de parámetros establecidos, por lo cual nos auxiliamos de ciertos componentes que sirven para
sensar, comparar y corregir la respuesta de salida modificando la posición del motor y accionando
las válvulas para el proceso de llenado.
Con respecto a lo mencionado se describe el funcionamiento de cada uno de los elementos a utilizar.
2.7.1 Puente H
Un Puente H es un componente que permite ir a la corriente en una dirección u otra por el mismo
camino, pero solo un sentido a la vez. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de
potencia.
Su diagrama electrónico es el siguiente:
Imagen 8. Diagrama electrónico del puente H
18
2.8 Elemento de adquisición y procesamiento de datos
La adquisición de datos es el proceso de medir con un microcontrolador un fenómeno eléctrico o
físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Estos sistemas consisten de sensores,
hardware de medidas y un microcontrolador de lógica programable.
Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basado en hardware y software fácil de
usar. Está dirigido a cualquier persona que hace proyectos interactivos. Cuenta con varios tipos de
placas electrónicas de adquisición de datos cada una con diferentes características, entre las
principales están: Arduino UNO, Arduino NANO, Arduino Esplora, Arduino Leonardo, Arduino
MEGA, etc. [9]
2.8.1 Entradas y salidas digitales
Una señal digital es una variación de voltaje entre -Vcc a +Vcc sin pasar por los valores
intermedios. Por lo tanto, una señal digital dispone solo de dos estados. Al valor inferior de tensión -
Vcc le asociamos un valor lógico LOW o ‘0’, mientras que al valor superior +Vcc le asociamos
HIGH o ‘1’ lógico.
Sin embargo en el mundo físico las referencias de tensión realmente son continuas. El proceso de
lectura digital es un proceso de discretización de una señal analógica, el valor de la tensión, en un
valor digital que representamos mediante dos estados, LOW y HIGH.
En realidad una entrada digital realiza una comparación de la medición con un valor de tensión
umbral. Si el valor medido es superior a la tensión umbral se devuelve HIGH, y si es inferior LOW.
El valor de la tensión umbral varía de un autómata a otro, e incluso no tiene por qué permanecer
constante a lo largo del tiempo.
En general es razonable suponer que la tensión umbral es cercana al punto medio entre -Vcc y +Vcc.
No obstante debemos evitar medir tensiones cerca de la tensión umbral porque pueden provocar
mediciones incorrectas.
19
2.8.2 Entradas y salidas analógicas
Una señal analógica es una magnitud que puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo –Vcc y
+ Vcc. Por ejemplo, una señal analógica de tensión entre 0V y 5V podría valer 2,72V, o cualquier
otro valor con cualquier número de decimales.
Para entender la precisión de una entrada analógica es necesario entender cómo funciona un
conversor analógico digital (ADC), que es su componente fundamental. Un ADC es un dispositivo
que convierte una medición analógica en una medición digital codificada con un número N de bits.
Existen muchas formas de construir un ADC, pero lo importante es entender que en realidad no
medimos el valor analógico con todos sus decimales, sino que lo “clasificamos” dentro de 2^N
intervalos. El ancho de este intervalo medido en mV es la precisión de la señal. Cuanto mayor sea el
número de bits, mayor será el número de intervalos, menor será el ancho del intervalo, y por tanto
mejor la precisión de la medición.
En el caso de Arduino Uno, Mini Pro, y Mega, las entradas analógicas disponen de 10 bits de
resolución, lo que proporciona 1024 niveles digitales, lo que a 5 V supone una precisión de la
medición de +-2.44mV. Arduino Due tiene una resolución de 12 bits, lo que supone una precisión de
0.61 mV.
2.9 Interfaz TouchScreen
Una pantalla táctil o touchscreen es una protección que llevan las pantallas de los computadores y
móviles modernos que al contacto de la superficie permite la salida de datos de la posición en el eje
“X” y “Y” funcionando como un dispositivo de entrada. Esta tecnología lleva más de 30 años en uso
(patentadas en 1970 y 1980) pero en la actualidad su uso se ha hecho más popular. [10]
Existen dos tipos de pantallas táctiles, las resistivas y capacitivas:
2.9.1 Resistivas
Son más baratas y son las primeras que salieron al mercado, pueden ser usadas con cualquier objeto
que las presione como un puntero o el dedo, aunque sus prestaciones han disminuido de forma
considerable a causa de la poca luz que dejan pasar de la pantalla principal a causa del grosor de
estas láminas transparentes. Este tipo de pantallas son puramente resistivas funcionando de forma
20
similar a una resistencia variable, con sus bordes y su cursor el cual detecta la variación de dicha
resistencia. Estas pantallas funcionan de forma matricial leyendo la posición donde se presionó
comparando el valor de la coordenada “X” y coordenada “Y” de forma separada que luego el
sistema microcontrolador interpreta y procesa para saber en qué posición fue presionada.
Al presionar el táctil se unen dos capas metálicas resistivas lo cual permite la variación de la
resistividad del componente, esta resistencia es ingresada a un conversor análogo digital para su
posterior uso.
2.10 Materiales
Para la construcción de recipientes y estructuras de la máquina se utilizarán materiales de tipo
sanitario debido a que existirá contacto directo con un producto alimenticio, de modo que se
describirán las características de ellos.
2.10.1 Acero inoxidable
Las propiedades de los aceros inoxidables son influenciadas significativamente por su composición
química, la que a su vez determina las características microestructurales de estas aleaciones. En la
actualidad, los aceros inoxidables se pueden clasificar en forma general en cuatro grandes familias:
- Los aceros inoxidables ferríticos.
- Los aceros inoxidables austeníticos.
- Los aceros inoxidables martensíticos
- Los aceros inoxidables austenoferríticos (dúplex)
2.10.2 Acrílico
Es un Termoplástico rígido excepcionalmente transparente. En su estado natural es incoloro pero se
puede pigmentar para obtener una infinidad de colores. También se puede dejar sin pigmento para
producir una lámina completamente transparente. Se produce material en un rango de parámetros de
transmisión y difusión de luz, óptimo para diferentes usos.
Es inerte a muchas substancias corrosivas. Su resistencia a la intemperie hace que sea el material
idóneo para una variedad de aplicaciones al aire libre.
21
CAPÍTULO 3. DISEÑO DE PIEZAS MECÁNICAS
CAPÍTULO 3. DISEÑO DE
PIEZAS MECÁNICAS
22
Introducción
Con base en los capítulos anteriores ahora se tienen los conocimientos básicos y las
consideraciones necesarias para implementar la automatización de una máquina automática
de helado suave con distintos ingredientes. En este capítulo se especifican los componentes
de la máquina que se utilizará como base así como el funcionamiento del diseño
automático que se desarrollará, con el propósito de que el lector pueda comprender de una
manera sencilla el funcionamiento de la misma, además del diseño de las piezas que
conformarán el sistema automatizado que se implementará.
Partes de una máquina de helados
En esta parte se mencionan los componentes principales, especificaciones y el
funcionamiento de la máquina de helados así como la ubicación de donde irá acoplado el
sistema automatizado para el llenado de vasos.
En la parte inferior de la máquina se encuentran el compresor y el condensador que serán
los encargados de proporcionar el líquido refrigerante:
Imagen 9. Compresor (Lado izquierdo) y condensador (Lado derecho).
23
Consta también de un motor que irá en la parte del contenedor del helado y servirá para
revolverlo:
Imagen 10. Motor
Una válvula de expansión es la encargada de regular la inyección de refrigerante líquido a
los evaporadores, esta inyección de refrigerante estará regulada siempre por un elemento
termostático que está situado en la parte superior de la válvula.
Imagen 11. Válvula de expansión
24
Y un contenedor donde se almacena y mezcla el helado, ademas de que en esta parte será
implemetado el sistema automatizado.
Imagen 12. Contenedor del helado
El funcionamiento consta en comprimir el refrigerante haciéndolo pasar por el compresor
con lo que este reduce su volumen y posteriormente pasa por el condensador para
convertirse en líquido. Se dirige a la válvula de expansión la cual es la encargada de
suministrar la cantidad necesaria de refrigerante hacia el contenedor del helado para
enfriarlo.
A continuación se indica el modelo, las dimensiones y las especificaciones de la máquina
en la cual se hará la implementación.
La máquina de helados que se eligió para la implementación del sistema automático de
llenado de vasos es la SSI-303SP (Imagen 5) de la marca ICETRO MÉXICO® la cual
cuenta con una capacidad de producción máxima de helado de 68kg/h.
25
Imagen 13. Máquina SSI-303SP
En la Tabla 1. Especificaciones maquina SSI-303SP se muestran sus especificaciones.
Sabor 2 y 1 Giro
Producción máxima (kg (lbs) / h) 68 (149.9)
Capacidad de la tina (litro (galón)) 17.5 (4.62) x 2
Capacidad de cilindro (litro (galón)) 3.2 (0.85) x 2
Tiempo de primera servida(min) 8~10
Servidas consecutivas (servidas (100cc/3.5oz))
50~90
Compresor del Cilindro (HP) 2.0 x 2
Compresor de Tina(HP) 0.35
Motor de Batidor (Watts) 750 x 2
Consumo de energía (Watts) 7,500
Refrigerante R404A/R134A
Opción de Voltaje (V / Hz / Ph) 208~230/60/1, 220~240/50/1, 380~440/50/3
Dimensiones (LxPxA / mm) 669x961x1,540 / 26.4x37.9x60.7
Peso (kg (lbs)) 330 (728)
Tabla 1. Especificaciones maquina SSI-303SP
Es importante conocer las dimensiones de la máquina con la que se está trabajando ya que
esto nos dará una visión más clara de las medidas con las que deberá contar el sistema que
será implementado. A continuación se muestran la vista frontal (Imagen 6) y la vista lateral
(Imagen 7) con sus respectivas medidas dadas en mm.
26
Imagen 14. Vista frontal y vista lateral izquierda
En la imagen 3.8 se muestra la parte de la máquina en la cual se efectuará la modificación y
que es en la que se encuentra situado el contenedor del helado que es dispensado hacia los
vasos.
Imagen 15. Contenedor de helado de la máquina
3.1 Descripción general del diseño de la adaptación para la máquina.
Para la parte mecánica se cuentan con varias piezas maquinadas además de los actuadores
las cuales hacen posible todo el proceso. A continuación se pueden observar todas las
piezas que se diseñaron para la implementación del despachador automático, cabe destacar
que éstas fueron diseñadas exclusivamente para esta aplicación.
27
3.1.1 Eje para vasos
Esta pieza es la encargada de recibir los vasos y rotarlos a cada una de las estaciones donde
se llevará a cabo una etapa del proceso, así como lo son la recepción de vaso, llenado de
vaso con helado, despachado de galleta, fruta y cubierta, para finalizar con la salida de los
vasos. Esta pieza de 60 centímetros de diámetro total cuenta con 6 espacios para vasos
completamente iguales, a 60 grados de distancia entre cada uno, los espacios son de 10
centímetros de diámetro y una profundidad de 76.35 centímetros. Está diseñada para vasos
de 8.5 centímetros de alto, 9.3 cm de diámetro en la parte superior y 6.5 centímetros de
diámetro en la parte inferior.
Imagen 16 . Eje para vasos
3.1.2 Base de eje para vasos.
Esta pieza de 20 centímetros de diámetro irá acoplada a la pieza eje para vasos (pieza
anterior) de manera que los grados que esta pieza rote, son los mismos que el eje para vasos
rotará, de esta forma se logrará un control, a esta pieza irá acoplada la flecha del motor
encargado del control de movimiento del platillo. Asimismo en su parte inferior irán
atornillados balines que servirán para facilitar la rotación de la pieza y aligerar el peso del
28
disco para la flecha del motor. La flecha tendrá un diámetro de ½ pulgada y una longitud de
15 centímetros.
Imagen 17. Base de eje para vasos
3.1.3 Eje general
Esta pieza servirá de apoyo para la pieza base “base de eje para vasos” de manera que la
flecha del motor no tenga que sostener todo el peso de esta base y del eje de los vasos. Esta
pieza estará directamente acoplada a la base general de la máquina de manera que nunca se
mueva. La pieza mide 30 centímetros de diámetro y cuenta con 4 barrenos para tornillos
M6 que servirán para atornillarla a la base de la máquina haciendo uso también de perfiles
de aluminio de 5*5.
En el centro de la pieza se localiza un balero por el cual entrará la flecha del motor y éste
permitirá que gire con mayor facilidad. El balero es para una flecha de ½ pulgada.
En la parte superior de la pieza hay un riel de 360 grados a 5 centímetros del centro, este
riel tiene una medida de una medida de 1 centímetro de ancho. La función del riel es que
sirvan de guía para los balines que irán atornillados en la pieza base de eje para
vasos” rotando arriba de esta pieza.
29
Imagen 18. Eje general
3.1.4 Balines.
Este ensamble de balín irá atornillados a la pieza “base de eje para vasos” para que aligere
el peso de las piezas que están arriba de ella, son de acero ya que en relación a su tamaño es
bastante peso el que sostiene, el balín tiene un diámetro de 1 cm. Tiene 2 ejes de rotación
de manera que pueda rodar en el plano Y y X.
Imagen 19. Balines
3.1.5 Cubierta cilíndrica
Esta pieza es básicamente un cilindro hueco de 65 centímetros de diámetro por 20
centímetros de alto hecho de acrílico de 5 milímetros. La función de esta pieza es cubrir el
eje donde van los vasos de helado y sostener varios de los sensores que se utilizarán en el
30
proceso. El cilindro no está completo en su totalidad ya que por esa parte es donde saldrá el
producto terminado.
Imagen 20. Cubierta cilíndrica
3.1.6 Pieza expulsora de helado
La pieza expulsora es la encargada de colocar el producto terminado fuera del proceso,
consta de dos partes, una pieza en forma de pala que rotará para extraer el vaso y otra pieza
que consta de un cilindro colocado sobre otro cilindro de mayor diámetro similar a un asta
de bandera, que irá introducido dentro la pieza extractora permitiéndole rotar con facilidad.
Imagen 21. Pieza expulsora
31
3.1.7 Almacén de materia prima sólida
Estos contenedores servirán para almacenar toda la materia prima sólida sea cual sea
(galleta o cereal), están construidos de acrílico de 5 milímetros de grosor y tienen un
volumen interno de 3 decímetros cúbicos. En su parte inferior tiene una forma redonda ya
que se usará un dispensador de granel redondo. Cuenta con un maquinado en su orilla para
ponerles una abrazadera y que así sean sostenidos a la estructura.
Imagen 22. Almacén de materia prima
3.1.8 Dispensador a granel
Esta pieza irá colocada dentro del almacén de materia prima de sólidos, será el encargado
de racionar los sólidos que se servirán en el producto para que en todos los ingredientes
sean de la misma cantidad de materia prima. Se sostendrá del contenedor introduciendo el
pequeño tubo que tiene en el centro a los agujeros predeterminados en el almacén. Y la
32
parte que es más grande en uno de los extremos del tubo es para acoplarlo a una banda y
poder generar el giro.
Imagen 23. Dispensador a granel
3.1.9 Tapa de almacenes
Esta tapa servirá para los 3 almacenes diferentes que hay en el proceso ya sea de materia
prima liquida o sólida. A su alrededor tendrá un empaque que servirá para sellar
completamente los recipientes. Estos están hechos de acrílico para los almacenes de materia
prima sólida y de acero inoxidable para los almacenes de materia prima líquida.
Imagen 24. Tapa de almacenes
33
3.1.10 Almacén de materia prima liquida
Este contenedor de características similares al de materia prima solida se caracteriza por
tener una parte redonda que irá conectado a las válvulas que permitirán la libre salida de la
materia prima, este tiene una capacidad de 3 decímetros cúbicos, y está hecho de acero
inoxidable.
De igual manera cuenta con un maquinado en su orilla para colocarles una abrazadera y que
así sean sostenidos a la estructura.
Imagen 25. Almacén de materia prima líquida
3.1.11 Abrazadera de contenedores
Estas piezas rectangulares son para sujetar los contenedores a la estructura, tienen un
barreno de cada uno de sus lados para tornillos M6. Cada almacén contará con dos de estos
sujetadores.
34
Imagen 26. Abrazadera de contenedores
3.1.12 Direccionador de materia prima
Esta pieza va al final de cada almacén para direccionar la materia prima al vaso y que no se
riegue en el proceso, algunos de los almacenes cuentan con una extensión en esta pieza para
dirigir aún más al vaso. En el caso de los contendores de las cubiertas los orificios de la
parte de arriba van conectados a las válvulas.
Imagen 27. Direccionador de materia prima
3.1.13 Perfil de aluminio
Este tipo de perfil es el que se usa en la mayor parte de la máquina. Se eligió por su
resistencia, ya que es un material que no se le adhiere el polvo con facilidad y por las
grandes ventajas que ofrece su diseño para poder construir estructuras, tales como la
35
resistencia que ofrece, la ligereza (tres veces menos ligero que el acero), la facilidad con la
que se puede manipular, etc.
Imagen 28. Perfil de aluminio
SUMARIO
En este capítulo se realizó el diseño de las piezas mecánicas que fueron utilizadas para llevar a cabo la implementación de este proceso, las dimensiones se consideraron de acuerdo al tamaño de la máquina en la que se implementará este sistema automático. Ahora bien, este capítulo fue importante para entender por qué la selección de los dispositivos de control, electrónicos y mecánicos que se tratarán en la siguiente sección.
36
CAPÍTULO 4. CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE
DISPOSITIVOS
CAPÍTULO 4. CÁLCULO Y
SELECCIÓN DE
DISPOSITIVOS
37
Introducción
En este capítulo se encuentran los cálculos que se realizaron para la selección del motor que
soporta la base y el servomotor que moverá la pieza expulsora. Se tienen las tablas
comparativas donde se muestran las dos máquinas de helado que se tomaron como base,
los tipos de sensores y los tipos de válvulas. También se da una justificación del porqué
fueron utilizados cada uno de estos elementos y el lugar donde estarán ubicados dentro de
la máquina.
4.1 Cálculos para selección de motores
Para conocer cuáles son los motores adecuados para cada proceso es necesario realizar un
aseria de cálculos matemáticos que ayudan a conocer que características debe cumplir cada
motor en cuestión de fuerza, potencia, velocidad, rendimiento, etc. Tanto para los motores
de CD como los para los motores a pasos.
4.1.1 Cálculo para el motor de la base giratoria
Para la selección del moto-reductor se hicieron los cálculos teniendo los siguientes datos
del motor y considerando una menor potencia por pérdidas mecánicas en la caja reductora,
se considera un rendimiento de 0.80.
Potencia = 1/8 Hp Velocidad = 125 Rpm Relación motor = 20:1
Primero se calcula la potencia de salida con el rendimiento a 0.80 y una potencia de 1/8 de
HP.
Ps = (0.80) (1/8) = 0.1 KW =100 watts
Considerando una velocidad de 125 rpm se calcula la velocidad angular.
ω = (2π/Relación motor) (rpm)
Ecuación 1
ω = (2π/20) (125 rpm)=39.26 rad/seg
38
Ahora la relación entre potencia y par es la siguiente.
P = T. ω
Ecuación 2
Al tener la velocidad angular y la potencia en watts se despeja el par y queda de la siguiente
manera.
T = (P/ω)
𝑇 =100 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠
39.26 𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑔= 2.54 𝑁. 𝑚
Considerando el diámetro de la flecha del motor a 1/2” y convirtiendo a “SI” quedaría:
1/2” = 0.012 m
Por lo tanto:
F= Torque / Radio polea
Ecuación 3
F=2.54 N.m/0.012 m = 204.16 N=20.81 kg
Considerando los cálculos anteriores se eligió el moto-reductor de la marca Bodine Electric
Company® modelo N6115 por tener el suficiente torque para mover el plato que fue
considerado con un peso de 14 kg.
Imagen 29. Motorreductor
39
Tabla 2. Especificaciones motorreductor
4.1.2 Calculo para el servomotor de la pieza expulsora
Para la selección del servomotor que moverá a la pieza que expulsa el helado cuando este
ya está listo, se realizaron los siguientes cálculos:
Considerando que el helado tarda 3 segundos en desplazarse por la rampa que mide 30cm,
se calculó la velocidad.
𝑉 =𝑑
𝑡
Ecuación 4
Dónde:
V=Velocidad
d= Distancia
t=Tiempo
𝑽 =. 𝟑𝟎𝒎
𝟑𝒔= 𝟎. 𝟏
𝒎
𝒔
Con este valor de velocidad podemos calcular la aceleración como se muestra a
continuación:
40
𝑎 =𝑉𝑓 − 𝑉𝑜
𝑡
Ecuación 5
Dónde:
a=Aceleración
Vf=Velocidad final
Vo= Velocidad inicial
t=Tiempo
𝒂 =(𝟎. 𝟏 − 𝟎)
𝒎𝒔
𝟑𝒔= 𝟎. 𝟎𝟑
𝒎
𝒔𝟐
Al calcular la fuerza nos queda:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
Ecuación 6
Dónde:
F=Fuerza
m= Masa
a=Aceleración
𝑭 = 𝟎. 𝟑 𝒌𝒈 ∗ 𝟎. 𝟎𝟑𝒎
𝒔𝟐=. 𝟎𝟎𝟗
𝒌𝒈𝒎
𝒔𝟐= 𝐍
De la misma forma se realizó el cálculo del par considerando la distancia de la pieza
expulsora en 15 cm y quedó de la siguiente manera:
𝜏 = 𝐹 ∗ 𝑑
Ecuación 7
41
Dónde:
𝜏 = 𝑃𝑎𝑟
F= Fuerza
d=Distancia de la pieza expulsora
𝝉 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟗 𝑵 ∗ 𝟎. 𝟏𝟓𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝑵𝒎
Teniendo en cuenta que:
1 kgf-cm = 0.09806 Nm
Se tiene que el par de nuestro motor debe ser de: 0.1376 kgf-cm.
De acuerdo con los cálculos anteriores y tomando en cuenta el peso de la pieza expulsora se
decidió utilizar el servomotor S3003 de la marca Futaba® dado que para esta aplicación no
se requiere de mucho par.
Imagen 30. Servomotor
Especificaciones del servomotor
Medio de control = digital/pwm (1500us neutro)
Par = 3.2kg·cm (4.8v) a 4.1kg·cm (6v)
Voltaje de alimentación= 4.8v a 6v
Velocidad (hi-speed)= 0.28sec/60º(4.8v) a 0.22sec/60º (6v)
Peso = 44 gr
Mecanismo = engrane plástico
Tamaño = 4.05 x 1.95 x 4.3 cm
42
4.1.3 Cálculo del motor que moverá el dispensador a granel
Considerando que el contenedor almacenará 1.5 𝑘𝑔 de materia prima sólida y que la
aceleración de la gravedad es de 9.81𝑚
𝑠2 se calculó la fuerza:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
Ecuación 8
Dónde:
F=Fuerza
m= Masa
a=Aceleración
𝑭 = (𝟏. 𝟓 𝒌𝒈) ( 𝟗. 𝟖𝟏𝒎
𝒔𝟐) = 𝟏𝟒. 𝟕 𝑵
Teniendo el valor de fuerza y considerando una distancia de 45mm desde el eje de la pieza
al otro extremo de una de las paletas de la pieza se procedió a calcular el par necesario del
motor:
𝜏 = 𝐹 ∗ 𝑑
Ecuación 9
Dónde:
𝜏 = 𝑃𝑎𝑟
F= Fuerza
d=Distancia del eje al extremo de la paleta
𝝉 = (𝟏𝟒. 𝟕 𝑵)(𝟎. 𝟎𝟒𝟓𝒎) = 𝟎. 𝟔𝟔𝑵𝒎
Teniendo en cuenta que:
1 kgf-cm = 0.09806 Nm
Se tiene que el par de nuestro motor debe ser de 6.73kgf-cm
43
4.2 Selección de máquina, válvulas y sensores
En esta parte se hace una comparación entre dos máquinas de helados existentes en el
mercado, algunos tipos de sensores y válvulas que pueden ser utilizadas dentro del proceso,
destacando sus principales características y beneficios así como la justificación del porqué
se utilizaron cada uno de ellos.
4.2.1 Selección de máquina expendedora de helado
Con base en las especificaciones técnicas principales del proyecto se necesitó hacer un
análisis de ventajas y desventajas, así como una tabla comparativa de dos máquinas
dispensadoras de helado que cumplieran con los requerimientos del proyecto.
La tabla 4.1 muestra las principales características de las máquinas de helados que se
consideraron, llegando a la conclusión que la máquina de la marca ICETRO modelo SSI-
303SP tiene una capacidad de producción mayor, cuenta con dispositivos instalados que
facilitan la operación de la misma, como son indicador de baja mezcla, contador de conos,
alarma de bajo o alto voltaje, indicador de avance de producción, sistema de refrigeración
en depósitos de materia prima y sistema nocturno. Haciéndola más efectiva en el proceso,
con esto se asegura que la máquina podrá ser autosuficiente por un mayor tiempo.
CARACTERÍSTICAS MAHESUTHO TH–848 ICETRO SSI-303SP
VOLTAJE 220 V 60 Hz 220 V 60 Hz
POTENCIA 3.2 KW 4.5 KW
REFRIGERANTE R22/R404a R404A/R134A
PRODUCCIÓN 22-28 Kg/h 32 kg/h
PESO 158 kg 250 Kg
DIMENSIONES 518 x 760 x 1420 mm 580x900x1,520 mm
Tabla 3. Máquinas expendedoras
44
4.2.2 Descripción de los componentes electrónicos
En el proceso que realizará la máquina se necesitan tres tipos de sensores diferentes para las
tareas de verificar el nivel de la materia prima, verificar que haya un vaso en cada espacio,
para controlar la posición del disco y uno más para asegurar que efectivamente el disco está
en la posición correcta.
4.2.3 Selección de sensores de nivel
Para el sensado de nivel en los tanques de almacenamiento de materia prima, se hizo un
análisis sobre cuáles serían los mejores elementos para nuestro proceso, se consideró que en
la industria alimenticia se requiere que los sensores no estén en contacto directo con el
producto o materia prima, con ello, se llegó a la conclusión que un sensor de tipo
ultrasónico es el ideal para la máquina.
En la Tabla 4 muestra tres tipos diferentes de sensores de ultrasonido, los cuales serán
utilizados para monitorear la materia prima en el tanque de almacenamiento.
CARACTERÍSTICAS HC-SR04 SRF08 WRC1
RESOLUCIÓN RATIO 1 cm 1 cm 1 cm
RANGO DETECCIÓN 4 cm – 5 m 3 cm – 6 m 3 cm – 6.5 m
SALIDA INTERFACE RS 232 I2C RS232
FRECUENCIA DE ACTUALIZACIÓN
40 Hz 15 Hz 10 Hz
CORRIENTE DE TRABAJO <20 mA 15 mA típico
3 mA en espera
3.4 mA corriente media
VOLTAJE DE TRABAJO 5 V 5 V 3 – 5 V
DIMENSIONES 22 mm x 51 mm x
15 mm 43 mm x 20 mm x
17 mm
Diámetro 35 mm
Espesor 38 mm
Tabla 4. Sensores ultrasónicos
45
Por lo tanto como muestra la tabla comparativa 4.2, se elige el sensor ultrasónico HC-SR04
el cual tiene una resolución de sensado aceptable así como su rango de detección será
suficiente para la aplicación que se le dará en el proceso. También es totalmente compatible
con nuestra tarjeta de programación Arduino ya que no necesita de una etapa de potencia
para realizar el sensado.
4.2.4 Sensores de presencia
Para la tarea de identificar si existe vaso es necesario contar con sensores de presencia los
cuales indicarán si existe o no el producto, para ello se hizo una comparación entre tres
tipos diferentes de sensores de presencia que se pueden utilizar para el proceso.
CARACTERÍSTICAS
SENSOR FOTOELÉCTRICO
CON LM393 AJUSTABLE
SENSOR DE PRESENCIA
INFRARROJO AJUSTABLE
SENSOR INFRARROJO REFLECTIVO
RANGO DE DETECCIÓN 2 cm – 30 cm 30 cm – 80 cm 4 m
VOLTAJE DE TRABAJO 3.5 v – 5 v 5 v 10 – 36 VCD
CORRIENTE DE TRABAJO 100 mA 100 mA 300 mA
Tabla.5. Sensores de presencia
Ahora considerando la aplicación de detección a corta distancia podemos concluir con la
Tabla.5. Sensores de presencia que el sensor fotoeléctrico con LM393 es el más adecuado
para el proceso ya que su rango de detección es suficiente y además ajustable para poder
sensar y detectar cada que haya presencia de un vaso en el disco giratorio.
Este sensor tiene un emisor y receptor en el mismo lugar. El emisor recibe el haz de luz
cuando un objeto pasa frente al sensor y es éste el que lo refleja, de esta manera tendremos
el sensado correctamente de posición.
46
4.2.5 Control de posición
Para controlar la posición del disco hay tres opciones: una es utilizar un potenciómetro, que
funciona adaptándolo a la flecha del motor de manera que cuando gire la flecha del motor
girará también el potenciómetro y podemos saber la posición en que se encuentra tomando
la medición en la variación de la resistencia; aunque este método funciona no se utiliza
comúnmente ya que sufre mucho desgaste al ser un sistema de medición mecánico, además
de tener una baja exactitud, que afecta directamente al proceso ya que lo que se busca es un
buen control de posición.
La siguiente opción para controlar posición es utilizando un encoder, como se analizó en el
capítulo anterior este sensor es teóricamente es de alta velocidad, el cual nos ofrece la
ventaja de no sufrir desgastes al no ser mecánico.
Otras ventajas que nos ofrece este sensor es que tiene altas resistencias en ambientes
húmedos, capacidad para transmitir señales a largas distancias, puede ser de un tamaño
apropiado para las características del motor y se tiene una mayor resolución en la lectura de
la posición a medir.
Debido a todas las características positivas que ofrece el encoder óptico se optó por elegirlo
para controlar la posición del disco. Sin embargo dentro de este tipo de encoder se tiene aún
dos opciones más: encoder absoluto y encoder incremental. El encoder absoluto sirve para
desplazarse a posiciones fijas sin perder nunca el ángulo dónde se encuentra, a diferencia
del encoder incremental que funciona para avanzar un cierto número de grados olvidando la
posición anterior, y aunque esta parece ser una gran razón para decidirse por el encoder
absoluto, se eligió el encoder de tipo incremental ya que los absolutos son más grandes y
ocupan más pines de entrada digital para leer la posición de acuerdo al número de
posiciones que tenga el motor; a diferencia del encoder incremental que solo ocupa una
entrada digital para leer su ubicación. Además de que con este encoder podemos controlar
la posición de la misma manera que con el encoder absoluto haciendo uso de unas líneas
extra en la programación y los pines de interrupciones del microcontrolador.
47
4.2.6 Selección de válvula sanitaria
Para dispensar los ingredientes principales a los vasos es necesario hacer la regulación del
producto, para ello se requiere hacer el análisis de distintos tipos de válvulas que existen en
la industria, tomando en cuenta sus principales características y si son de uso sanitario o
higiénico que es el requerimiento principal de nuestro proceso en los tanques de
almacenamiento.
CARACTERÍSTICAS TIPO
MARIPOSA TIPO GLOBO
TIPO DIAFRAGMA
TIPO COMPUERTA
TAMAÑO 1/2” A 24” 1/2” a 150” 1/ 2” a 14” 1/ 2” a 36”
PRESIÓN DE TRABAJO
Hasta 400 kg/cm2
Hasta
400 kg/cm2
Hasta
100 kg/cm2
Hasta
200 kg/cm2
TEMPERATURA Hasta 650°C Hasta 1000°C Hasta 170°C Hasta 150°C
SERVICIO
Líquidos limpios, viscosos gases y vapores
Líquidos limpios, sucios gases y vapores
Alimentos, bebidas e industria
farmacéutica
Polvos lubricantes
(talcos, cereales)
Tabla 6. Válvulas de control
En la Tabla 6 se enuncian las distintas válvulas y sus características principales que nos
lleva a elegir la más adecuada para nuestro proceso.
La válvula de globo presenta ventajas en su construcción ya que es simple y de fácil
accesibilidad, proporciona un cierre hermético pero presenta deficiencias en el diseño de
tapón, estará sujeto a fuerzas de desbalance por lo que se debe usar actuadores de mayor
tamaño para que selle por completo y así no tener fugas del fluido controlado.
La válvula de compuerta tiene la ventaja de ser utilizada en la industria alimenticia,
bebidas, fármacos así como fluidos corrosivos, es adecuada para control on-off pero tiene la
desventaja que su accionamiento eléctrico suele ser de gran tamaño para funcionar
correctamente.
48
La válvula de diafragma permite un paso total de los fluidos sin restricción y esto facilita
que tengan un largo periodo de operación, tiene la desventaja que el actuador de
accionamiento debe ser muy potente.
La válvula de mariposa es caracterizada por tener recuperación de presión, es adecuada
para fluidos fibrosos, viscosos, lodos y no permite la formación de sedimentos. También
requiere de un espacio mínimo para su instalación. Además esta válvula cumple con las
especificaciones de la norma AISI-SAE la cual indica que los elementos que se encuentren
en contacto con alimentos o consumo humano se utilizará acero inoxidable AISI-316.
Siendo así la opción más viable para el proceso.
4.2.6.1 Cálculo válvula sanitaria
Para seleccionar el modelo específico de la válvula higiénica tipo mariposa se hizo el
cálculo sobre el tiempo que tardará en llenarse el vaso de helado así como de almíbar.
Inicialmente se calculó el volumen total del vaso con las dimensiones ya mencionadas.
𝑉 = 𝜋𝑟2ℎ
Ecuación 10
Dónde:
V= Volumen
R= Radio
H= Altura
Por lo tanto:
𝑉 = 𝜋(4.75)2(8.5) = 602.49 𝑐𝑚3
Ahora se considera el 75% del volumen total del vaso.
602.49 100%
X 75%
X = 451.86 𝑐𝑚3
49
Para determinar el flujo volumétrico que pasa por la tubería de 1/2” se hacen los siguientes
cálculos.
𝑄 = 𝑉 𝐴
Ecuación 11
Donde;
Q = Flujo volumétrico
V = Velocidad
A = Área
Antes de calcular el flujo volumétrico se tiene que saber el área de la tubería por donde
pasará el flujo.
𝐴 = 𝜋𝑟2
Ecuación 12
Considerando una tubería de 1/2” de diámetro se hace la conversión a 𝑚2 para obtener su
área total.
𝐴 = 𝜋(0.00635)2 = 0.000126 𝑚2
Ahora se calcula la velocidad que tendrá el flujo al pasar por la tubería, basándose sobre el
teorema de Bernoulli y considerando una altura en la tubería de 15 cm.
𝑉 = √(2)(𝑔)(ℎ)
Ecuación 13
Donde:
G = gravedad (9.81 m/s)
H= Altura
50
𝑉 = √(2)(9.81)𝑚
𝑠(0.15)𝑚 = 1.71
𝑚
𝑠
Entonces teniendo la velocidad y el área que se desea llenar se tiene el flujo siguiente.
𝑄 = (1.71 𝑚
𝑠) (0.000126𝑚3) = 0.000215
𝑚3
𝑠
Posteriormente se calcula el tiempo en que se llenará el vaso al 75%.
𝑄 =𝑉
𝑡
Ecuación 14
Donde;
Q= Flujo volumétrico
V= Volumen
T= Tiempo
Despejando t (tiempo):
𝑡 = 𝑉
𝑄
Ecuación 15
𝑡 = (0.00045
0.000215 ) (
𝑚3
𝑚3
𝑠
) = 2 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
Finalmente se sabe que la válvula será accionada durante 2 segundos para llenar al 75% el
volumen del vaso consiguiendo así el producto deseado.
51
Ahora para calcular el tiempo de apertura de la válvula para los almíbares se hacen los
siguientes cálculos.
Considerando el 10% de volumen de almíbar como ingrediente extra se hace la siguiente
relación.
602.48 100%
X 10%
X = 60.24 𝑐𝑚3 = 0.0000602 𝑚3
En el caso de esta válvula se considera la misma velocidad del flujo y el mismo flujo
volumétrico que pasa por la tubería.
Ahora teniendo los cálculos anteriores solo se sustituye el flujo volumétrico pero
considerando el volumen a llenar de 10% del vaso.
𝑄 =𝑉
𝑡
Donde;
Q= Flujo volumétrico
V= Volumen
T= Tiempo
Despejando t (tiempo):
𝑡 = 𝑉
𝑄
𝑡 = (0.0000602
0.000127 ) (
𝑚3
𝑚3
𝑠
) = 0.47 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
52
Finalmente se obtuvo que la válvula de almíbar será accionada por un tiempo de 0.47
segundos en el que depositará el 10% de producto.
Con los cálculos anteriores se buscó la válvula adecuada para la necesidad del proceso, con
ello se eligió la válvula de tipo mariposa de acero inoxidable AISI-316 de 1/2” con
accionamiento por solenoide on-off.
Imagen 31. Válvula sanitaria tipo mariposa
Especificaciones:
Marca: Shanghai Kaiquan Machine Valve Co. Ltd. ®
Modelo: DN15-200
Diámetro: 1/2”
Material: Acero inoxidable AISI-316
Alimentación: 24 V
Con las características de nuestro proceso fue necesario realizar el diseño de un diagrama
DTI ANEXO basándose en la norma ISA S5.1 donde se indican los sensores de nivel de
tipo ultrasónico que se instalarán en los tanques de almacenamiento de los ingredientes.
53
Con esto se logrará tener un control de materia prima ya que al estar en 25% del tanque se
activará una alarma en el microcontrolador alertando sobre falta del mismo. También se
indican las válvulas de mariposa accionadas mediante un solenoide indicando su conexión
eléctrica.
4.3 Etapa de control
Se eligió trabajar con la plataforma Arduino por las características que ofrece, como es el
microcontrolador ATMEGA que trabaja a una velocidad de 16 MHz. Además que en estos
el ciclo de trabajo dura un ciclo de reloj. Otra característica importante es que cuenta con
un número elevado de periféricos para señales analógicas y digitales así como de puertos
seriales.
Modelo Arduino Mega 2560 Arduino DUE
Microcontrolador Atmega2560 AT91SAM3X8E
Voltaje de operación en E/S 5V 3.3V
Voltaje de entrada (valores
recomendados)
7-12 V 7-12 V
Voltaje de entrada (valores límites) 6-20V 6-20V
Pines E/S digitales 54 54
Pines de salidas digitales PWM 15 12
Pines de entradas analógicas 16 12
Pines de salidas analógicas - 2 (DAC)
Corriente total de salida para todos
los pines de E/S
40 mA 130 mA
Máxima corriente para el pin 3.3v 50 mA 800 mA
Máxima corriente para el pin 5V - 800 mA
Memoria Flash 256 KB – 8 KB
para bootloader
512 KB disponibles
54
De entre las múltiples opciones de tarjetas electrónicas que ofrece esta plataforma se tienen
dos opciones para los requerimientos del proceso, en la se hace una comparación de las
tarjetas resaltando sus principales características.
De estas dos opciones de tarjetas electrónicas se eligió trabajar con la tarjeta Arduino Mega
2560, aunque la tarjeta Arduino DUE ofrece más ventajas como la velocidad de procesador,
memoria RAM y la corriente total, aunque una mayor velocidad sería más favorable no es
primordial, ahora con la corriente total del modelo Arduino Mega es suficiente para
nuestros requerimientos, por otra parte el Arduino Mega cuenta con tres salidas más de
PWM y 4 entradas analógicas que quedan perfectas para la necesidad del proceso.
4.4 Ubicación de los sensores en la máquina.
A continuación se muestra en que parte física de la máquina se encontrarán ubicados los
sensores que se eligieron con respecto a su función.
4.4.1 Sensores ultrasónicos
Como ya se mencionó anteriormente los sensores de nivel no tienen que tener un contacto
directo con la materia prima, por lo que estos serán colocados dentro del almacén en la
parte superior del mismo.
Memoria SRAM 8 KB dos bancos: 64KB y
32 KB
Memoria EEPROM 4 KB ¡NO DISPONIBLE!
Velocidad del reloj del procesador 16 MHz 84 MHz
Tipo de USB Estándar Mini
Tabla 7. Comparación de tarjetas Arduino
55
Imagen 32. Sensores ultrasónicos
4.4.2 Encoder
Como ya se mencionó el encoder debe de ir acoplado a la flecha dentro del motor para
contar el número de pulsos que genera por vuelta y así llevar un control de ellos. En el caso
de este motor el disco foto-interruptor será de doce franjas por vuelta; es decir que por cada
revolución que dé el motor se contarán doce cambios de estado alto.
Esto no significa que por cada doce cambios de estado alto el disco dará una vuelta, ya que
se debe recordar que el motor también cuenta con una caja reductora de 1:20, por lo que se
debe multiplicar la relación de reducción por el número de franjas del disco foto-
interruptor, para obtener la cantidad correcta del número de cambios de estado que se
necesitan.
4.4.3 Sensor fotoeléctrico
Sirven para saber si hay un vaso en el espacio especificado. Serán colocados en la cubierta
cilíndrica con una separación de 60 grados de distancia, al igual que los espacios de los
vasos. El sensor para verificar la posición se colocará de la misma manera en la cubierta
cilíndrica solo que más arriba que los demás sensores, de esta forma la luz reflectora llegará
milímetros más arriba del eje para vasos. A este eje para vasos igual se le deben de agregar
seis sólidos en la parte superior cada 60 grados entre cada uno para que estos sólidos sean
los que reflejan la luz del sensor fotoeléctrico, recordando que estas piezas deben de ser de
56
color claro de lo contrario no reflejarían la luz correctamente y provocaría errores en la
medición.
Imagen 33. Ubicación sensor fotoeléctrico
Imagen 34. Sensor de posición
4.5 Integración de la maquina
Para la integración de la máquina nuevamente se dividirá en diferentes etapas según la
naturaleza de los componentes. Primeramente se ensamblan entre si todos los elementos
mecánicos, por otra parte se hacen las tarjeras electrónicas y se programa a los micro
controladores que comandarán el proceso, después se acopla la instrumentación y los
actuadores al ensamble mecánico final que se obtuvo, y por último se conectan estos a la
tarjeta electrónica donde ya estarán acoplados de igual manera los microcontroladores.
4.5.1 Mecánica
Primeramente se construirá el primer ensamble, el referente a los ejes de movimiento donde
se encuentra el disco que rota los vasos para el preparado del helado.
En esta etapa se incluirán tres piezas y cuatro perfiles de aluminio, estos perfiles con las
características antes descritas.
57
Imagen 35. Movimiento de disco
Las primeras dos piezas que tenemos en la imagen 4.9 irán atornilladas entre sí con cinco
tornillos cónicos M6 de 10 milímetros, los barrenos deberán de ir separados uno de cada
uno por ángulos iguales. La pieza que tiene la flecha (disco 2) es la que ira en la parte
inferior y el disco que contiene los espacios para los vasos de helado (disco 1) va en la parte
superior, estas dos piezas deberán de ir acomodadas concéntricamente entre sí. Al disco 2
se le atornillarán también en su parte inferior es decir al lado donde se encuentra la flecha
cinco piezas iguales que se encargará de facilitar la rotación del eje, estas piezas son los
balines que podemos observar en imagen.
El tercer disco que es el eje general deberá colocarse debajo del otro que contiene la flecha
(disco 2) haciendo pasar la flecha por el balero que está localizado en el centro de este
disco, esta pieza no debe ser atornillada al disco 2, ya que la función de este ensamble es
que los dos discos 1 y 2 roten en relación al eje general.
El eje general deberá ir atornillado a cada uno de los cuatro perfiles de aluminio con
tornillos cónicos M6 de 18 milímetros, estos perfiles a su vez deberán ir atornillados a la
base principal de la máquina impidiendo así que estos se muevan, y por consecuente el eje
general tampoco se moverá en ningún momento.
58
Al finalizar se obtiene un ensamble como el que se puede observar en las siguientes
imágenes:
Imagen 36. Eje giratorio ensamblado
Imagen 37. Eje giratorio ensamblado vista lateral
59
El siguiente ensamble a realizar es el de los almacenes para la materia prima. Este ensamble
constará de las ocho piezas que podemos observar en la imagen 4.14.
Imagen 38. Piezas para almacén de materia prima
En primer lugar se armará el ensamble del almacén para materia prima de sólidos, se
tomará como base principal al contenedor de acrílico. A este contenedor se le introducirán
dos dispensadores de granel y estos se sostendrán haciendo uso de los pequeños orificios
que se encuentran perforados en el contenedor, una vez dentro de los contenedores y en la
posición correcta se atornillaran para que no puedan salir de esa posición solo rotar sobre su
propio eje. La siguiente pieza que se ensambla a este contenedor es el direccionador de
materia prima, esta pieza es la que se puede encontrar en la esquina superior izquierda de la
imagen, ira colocada en la parte de abajo del almacén haciendo coincidir los dos orificios
de la pieza con los dos orificios del almacén, esta pieza se fijará con un pegamento especial
utilizado en la industria alimenticia llamado Loctite 401 de la marca Loctite. La tapa se
coloca en la parte superior del almacén la cual embona perfectamente, pero entrara
aplicando un poco de fuerza ya que en la orilla de la tapa hay una goma que sirve para
sellar el almacén y que no entre ningún tipo de contaminante.
60
Una vez armada esta parte se colocan las abrazaderas al almacén en el hueco
correspondiente, y se podrá observar que coinciden perfectamente. Estas abrazaderas en la
punta tiene un agujero de un barreno para tornillo M6, esta es la parte de donde se
atornillarán a los perfiles de aluminio para ser sostenidos, a su vez estos perfiles se
sujetarán a otros que están fijados en la base principal de la máquina para que no se puedan
mover ni sufran vibraciones.
Imagen 39. Almacén de materia prima sólida
El ensamble del almacén para materia prima de líquidos es muy similar al de materia prima
de sólidos en la sección de la tapa, las abrazaderas y de la manera en que se va a sostener a
la estructura, sin embargo la variación existe en la parte inferior de donde sale la materia
prima, a este almacén se le adicionaran un par de válvulas que son las encargadas de
dosificar la ración de materia prima que se le servirá a cada helado, en la parte final de estas
61
válvulas de igual manera se acoplara una pieza direccionadora para que la materia prima
sea vertida en el lugar adecuado donde se encontrará el helado.
Imagen 40. Almacén materia prima líquida
El último ensamble es el que cumple la tarea de sacar el producto terminado y consta de
tres partes principales que podemos observar en la siguiente imagen:
Imagen 41.Mecanismo surtidor de vasos
62
La segunda pieza trabajara en conjunto con la primera. La pieza en forma de pala es la que
rotará para extraer el vaso y otra pieza que consta de un cilindro colocado sobre otro
cilindro de mayor diámetro similar a un asta de bandera, que irá introducido dentro la pieza
extractora permitiéndole rotar con facilidad. Estas piezas trabajarán en conjunto con motor
el cual se observará su acoplamiento más adelante. La pieza se fijará utilizando un tornillo
que entrará por la base general de la máquina y atravesará la pieza cilíndrica por su parte
inferior. Su ubicación será en una esquina de la base, donde se obtendrá la sustracción de
producto terminado.
La tercera pieza es el cilindro de protección del proceso e irá ensamblada a la base general
de la máquina, esta pieza se colocará concéntricamente a los primeros discos vistos en el
primer ensamble. En la siguiente imagen 4.18 se puede visualizar este ensamble terminado
con las piezas en el lugar correcto sobre la base general.
Para finalizar hablando de la etapa mecánica se unirán todos los ensambles para formar la
máquina completa, el ensamble dos y tres se deben colocar tomando como referencia al
ensamble uno, ya que en este se encuentra el eje principal del proceso.
Una vez integrados todos los ensambles la maquina lucirá de la siguiente manera:
Imagen 42. Ensamble final
63
Hablando de piezas maquinadas este es todo el ensamblaje que se requiere, no olvidando
que aún falta integrar a esta parte los actuadores y sensores que se utilizarán en el proceso.
Sin embargo esta máquina fue diseñada para funcionar en conjunto con una ya existente a
la cual se le hacen algunas modificaciones.
Imagen 43. Ensamble final vista trasversal
64
4.6 Conexión de los sensores
En la imagen 4.21 está ilustrado el Arduino MEGA con recuadros de colores que
representan los pines donde se conectará cada componente. La nomenclatura de los pines es
la siguiente:
Imagen 44. Tarjeta Arduino Mega
65
ROJO Pines para pantalla touch
VERDE Sensores ultrasónicos
Amarillo Sensores fotoeléctricos
Purpura Sensor óptico (encoder)
Azul Claro Driver puente H. Dirección y velocidad
Negro Led indicador de falta de producto
Gris Bobina de electroválvulas de helado y cubiertas
Azul Fuerte Motores de Dispensadores de cereales
Rosa Servomotor de salida del producto.
Para no causar una sobre corriente en la placa Arduino se utiliza una fuente auxiliar de 5
volts para los motores dispensadores de cereales y el servomotor; y otra fuente de 24 volts
para el motor del eje principal y las electroválvulas. Para hacer que estas funcionen con una
fuente independiente se hace uso de un circuito compuesto por un transistor NPN que
funcione como interruptor.
El sensor ultrasónico HC-SR04 debe conectarse a 5 volts en el pin VCC, y a tierra en el pin
GND, el pin denominado Trig deberá conectarse a cualquiera de los pines analógicos que le
corresponden en el Arduino (A0, A1, A2, A3, A4 y A5), y por último el pin denominado
echo ira conectado al pin digital número 14 en la placa Arduino. Todos los pines Echo de
todos los sensores se conectaran al pin 14 del Arduino ya que todos se activarán al mismo
tiempo.
Imagen 45. Sensor ultrasónico
66
El sensor fotoeléctrico LM393 deber alimentarse en su pin VCC a 5 volts mientras que el
pin GND se conectará a la tierra general. El pin restante es el que se conectará a cualquiera
de los pines analógicos que le corresponden en el Arduino (A6, A7, A8, A9, A10, A11,
A12) por medio de este pin es que se recibirá el bit que informe si el sensor ha detectado o
no.
Imagen 46. Sensor fotoeléctrico
4.7 Diagrama de flujo y descripción del programa
El diagrama de flujo para el proceso de la preparación del helado se describirá a
continuación:
67
Diagrama de flujo del proceso
Inicio
Selección del helado
¿El plato esta en posición? Buscar posición
¿Hay vaso?
Girar a siguiente
posición
¿El plato esta en posición? Buscar posición
¿Hay vaso?
Vaciar helado
No
Si
No
Si
Si
Si
No
No
68
Girar a siguiente
posición
¿El plato esta en posición? Buscar posición
¿Hay vaso?
Vaciar cereal
Girar a siguiente
posición
¿El plato esta en posición? Buscar posición
¿Hay vaso?
Vaciar galleta
Si
Si
Si
No
No
No
No
Si
69
Girar a siguiente
posición
¿El plato esta en posición? Buscar posición
¿Hay vaso?
Vaciar chispas de chocolate
Girar a posición de
salida
¿Hay vaso?
Expulsar vaso
Fin
Si
Si
Si
No
No
No
70
En primer lugar observamos que del renglón 1 al 9 se incluyeron las bibliotecas que se
utilizarán en todo el proceso y se definirán pines específicos para los componentes
referentes a las bibliotecas que se acaban de incluir. En este caso para las bibliotecas de la
pantalla táctil y el servomotor. Las biblioteca referente a la LCD es la biblioteca
“UTFT.h”, la referente a al táctil es la biblioteca “UTouch.h” y la referente al servomotor
es la biblioteca “Servo.h”.
En los siguientes renglones del 11 al 70 se asignan variables a pines fisicos del
microcontrolador para referirse a ellos con mayor felicidad.
71
Terminando de asignar variables a los pines fisicos se procede con la funcion “Void
Setup()” del renglon 73 al 105 donde se inicializarán el serial, la LCD, el touch, y el
formato general que recibirá la configuración de la pantalla touch, este formato es
configurado con las funciones “Marco()” y “Botones()”. En esta misma función se
configurara si cada pin será de entrada o de salida utilizado el nombre de la variable que se
le asigno previamente. También en esta parte se configura una función importante que es la
llamada función “Interrupción” que será la encargada de contar las revoluciones del motor
y poder posicionarlo.
72
La función principal es la llamada “void loop()”que ocupa del renglon 109 al 159. Del
renglones 111 al 125 se encarga de posicionar el motor justamente en cada una de las seis
estaciones. Y del renglon 127 al 159 es la parte en que se hará todo el proceso de sensado y
llenado de helados llamando a varias funciones que se declararón en otras secciones del
programa.
73
74
La función “DelayScanPantalla()” es la encargada de obtener y mandar la variable del
helado que se va a preparar al microcontrolador. La funcion consiste en una serie de
iteraciones que preguntan por el dato durante un segundo.
La función “SensorFoto()” ya sea 1, 2, 3 o 4 se encargan de verificar que haya un vaso en la
estacion respectiva y en caso de haberlo, sirve helado y consulta a la variable enviada por la
pantalla touch y decide que ingredientes depositar en el helado , la función “SensorFoto()”
5 y 6 son las encargadas de recibir el vaso y sacarlo respectivamente.
La funcion “UltrasonicoVerif()” es la función que utilizando los sensores ultrasonicos
verifica si hay materia prima en los contenedores y el porcentaje de estos que aun hay en el
almacén.
4.8 Intrefaz gráfica
El diseño de la interfaz gráfica está realizado sobre una pantalla touchscreen de 3.2
pulgadas, y tiene una definición de 320 X 240 pixeles, esto significa que la pantalla
detectará 76800 coordenadas diferentes.
Para la personalización de la interfaz se utilizó la biblioteca UTFT.h que viene preguardada
en las bibliotecas del programa Arduino, esta biblioteca sirve para crear figuras, dar
colores, escribir textos y todo lo referente a la parte visual de la interfaz.
Mientras que para la parte en la que se interactúa con la pantalla se utilizó la biblioteca
UTouch.h que de igual forma se encuentra preguardada en las bibliotecas de Arduino, esta
biblioteca sirve para detectar si la pantalla está siendo oprimida y en caso que sí, detectar en
que coordenada y decidir que instrucción dar al controlador.
Para el caso de la interfaz realizada se tienen dos sabores de galletas, dos sabores de chispas
y dos sabores de almíbar; solo se puede elegir entre una opción de cada categoría; La
opción que se seleccione aparecerá en la sección de abajo frente a la categoría a la que
pertenece, en caso de cambiar de opinión y ya haber presionado una opción1 simplemente
se selecciona la opción2 y la opción1 será remplazada; si ya no se desea ningún helado solo
se presiona el botón “limpiar” y automáticamente se borrarán todas las opciones.
75
Cuando se hayan elegido los sabores definitivos se debe presionar el botón “Enter” y la
pantalla enviara estos datos al microcontrolador en forma de número, es en forma de
número ya que es específico asignado a cada combinación diferente de helado, de esta
forma el microcontrolador decidirá qué acciones de control debe ejecutar para preparar este
helado de acuerdo al número recibido.
Imagen 47. Pantalla Touch
4.9 Integración de la máquina
Para finalizar hablando de la etapa mecánica se unirán todos los ensambles para formar la
máquina completa, el ensamble dos y tres se deben colocar tomando como referencia al
ensamble uno, ya que en este se encuentra el eje principal del proceso. De igual forma se
agregarán otras piezas que no estaban contempladas en ninguno de los ensambles
previamente hechos. Las piezas faltantes son el baja vasos que es la pieza que se encargará
de colocar los vasos en la estación y la posición deseada, y la rampa de salida, esta pieza
76
guiará al producto terminado a la salida. Estas piezas las que podemos observar en la
imagen 4.25.
Imagen 48. Baja vasos y rampa de salida
Una vez integrados todos los ensambles la máquina lucirá como la podemos observar en la
imagen 4.26.
Imagen 49. Ensamble completo
77
Imagen 50. Ensamble completo vista superior
Imagen 51. Ensamble completo vista lateral
78
Teniendo armado el mecanismo completo la siguiente parte es acoplarla a la máquina que
hace el helado la cual tomamos como modelo, primeramente se observa esta máquina sin la
carcasa para conocer como es por dentro. Esto se puede observar en la imagen 4.29. La
máquina consta de un compresor de aire, tubería para llevar el refrigerante al área de
enfriamiento, el cajón contenedor de helado, un motor que se acoplará por banda al cajón
contenedor de helado para revolverlo, y dos depósitos donde se vierte por primera vez el
helado antes de enfriarlo, el cual llevara la mezcla al cajón donde se combinará eficazmente
y se enfriará.
Imagen 52. Componentes de máquina de helado
79
Una vez que se observó la imagen se puede definir que el lado que se acoplará al
mecanismo previamente ensamblado es el lado donde se encuentra la salida del helado.
Se acoplarán ambas maquinas utilizando tornillos M6 de 8 centímetros y verificando que la
salida de la válvula del helado quede a 5 centímetros arriba del disco y centrado con la
estación dos.
El ensamble final se puede observar en la imagen 4.30.
Imagen 53. Ensamble final
80
Imagen 54. Ensamble final vista lateral
81
Justificación económica
En la siguiente sección se mencionan los conceptos básicos sobre la parte económica que
conlleva la realización de un producto, se enlistan los costos de cada uno de los elementos
que se utilizaron para la implementación del sistema además de que se calcula el precio
total de este. [11]
Costos fijos
Los costos fijos son aquellos que no varían a corto plazo con la cantidad producción; es
decir, deben pagarse aunque la empresa no produzca y no varían aunque varíe la
producción, permaneciendo constantes para un volumen establecido de productos o
servicios, como el alquiler o la renta que se paga por las instalaciones, los sueldos del
personal administrativo, los intereses abonados por las deudas, etc.
Costos variables
Se les llama costos variables a una parte de los costos totales que varían según cambia el
nivel de producción. Se generan a partir de todos los pagos que varían directamente en
función del volumen de producción; es decir, el valor de las materias primas que se utilicen
de acuerdo al número de productos, la energía consumida, los salarios pagados al personal
de producción y en general cualquier tipo de gasto que igualmente puede variar en función
de lo producido.
Costos totales
La definición de costos totales es la suma de todos los costos que están relacionados al
proceso de producción, o al suministro de un servicio, por lo tanto entre más se produce
mayor será el costo que se genere.
Los costos totales (CT) se dividen en dos componentes: costos fijos (CF) y costos variables
(CV).
𝑪𝑻 = 𝑪𝑭 + 𝑪𝑽
82
Costos de producción.
Se denominan costos de producción a la valoración monetaria de los gastos realizados y
aplicados a la obtención de un producto. Esto incluye el costo de la materia prima, mano de
obra y los gastos indirectos que se generan durante el proceso.
Elementos del costo de producción:
Materia prima
Mano de obra
Costos indirectos
Materia prima.
La materia prima son todos los elementos que se incluyen en la elaboración de un producto;
es decir, es todo el material que se involucra durante un proceso de transformación para la
obtención de un producto final.
Mano de obra.
Se entiende por mano de obra al costo de los sueldos de trabajadores y/o empleados cuyas
labores están directamente relacionadas al producto elaborado.
Mano de obra directa: Es la mano de obra que está relacionada directamente con la
producción o prestación de algún servicio. Es aquella que realizan los obreros y operarios
de la empresa.
Mano de obre indirecta: Es la mano de obra que se relaciona con las áreas administrativas
de la empresa y que sirven de apoyo al comercio y a la producción.
Mano de obra de gestión: Es aquella que corresponde al personal ejecutivo y directivo de la
empresa.
Costos indirectos.
Son todos los costos que no están relacionados con la mano de obra ni con la materia prima,
esto quiere decir que aunque formen parte del costo de producción no se puede conocer con
83
exactitud qué cantidad de gastos han intervenido en la producción de un artículo, por
ejemplo: calefacción, energía eléctrica, agua, arrendamiento del edificio de fábrica, etc.
A continuación se muestra una lista con los precios de los elementos utilizados en la
realización del proyecto.
Equipo Marca Costo por
unidad
Cantidad a
utilizar
Total
Sensor fotoeléctrico LM393 $35 MXN 6 $210
Sensor ultrasónico
HC-SR04
$45 MXN 7 $315
Válvula de diafragma
DN15-200 y el 1/2 '' - 8 ''
$750 MXN 2 $1,500
Arduino MEGA 2560 Arduino $555 MXN 1 $555
TFT LCD touch screen Arduino
$300 1 $300
Perfil de aluminio 50X50 $200 /m 9 metros $1,800
Servomotor S3003 Futaba $110 MXN 1 $110
Lamina de acrílico
1.80X1.20m, 5mm de
espesor
$1,471 1 $1,471
Micro Motorreductor N20 $120 1 $120
Motorreductor N6115 Bodine
Electric
Company
$2,500 1 $2,500
Acero inoxidable 0.635mm $3,000 $3,000
Máquina SSI-303SP ICETRO $32,500 1 $32,500
TOTAL: $ 44,381
Tabla 8. Costos totales
84
Debido a que solo se realizará una máquina no se contemplarán los costos indirectos ni de
mano de obra ya que estos implican el uso de instalaciones, maquinaria, herramientas y
servicios que en este caso no se utilizan.
85
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
CAPÍTULO 5.
CONCLUSIONES Y
TRABAJOS FUTUROS
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5.1 Conclusiones
En primer lugar se logró hallar la necesidad y la aceptación de una máquina automática
despachadora de helados mediante una encuesta realizada vía internet, dándonos a conocer
las principales problemáticas que se tienen al momento de adquirir este producto.
En la selección de los dispositivos para la secuencia del llenado de los vasos se tuvieron
algunos problemas para encontrar válvulas higiénicas con accionamiento eléctrico ya que
no existe gran variedad de estas por lo que se dificultó su selección.
Ya que se trata de un producto alimenticio fue necesario elegir contenedores de acero
inoxidable para asegurar la completa higiene del helado y el almíbar así como sensores
ultrasónicos de nivel que no estuvieran en contacto directo con el producto.
Debido a que no se contaban con los recursos necesarios para adquirir la máquina a la cual
se le implementaría el sistema automático de llenado de vasos con helado, a manera de
prototipo se realizó el control de posición de un motor más pequeño simulando la posición
que debía adquirir la base giratoria, así como el diseño de la interfaz gráfica para la
selección del helado y el desarrollo del algoritmo de programación.
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ANEXOS
Imagen 55. DTI Máquina expendedora
88
Imagen 56. Encuesta 1
89
Imagen 57. Encuesta 2
90
Imagen 58. Encuesta 3
91
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