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Cartagena 2019
CIBIM CIBEM
Actualidad de la Ingeniería Mecánica en Iberoamérica
Atualidade da Engenharia Mecânica Ibero-América
Federación
Iberoamericana de Ingeniería
Mecánica
Escuela de Ingeniería Mecánica
CIBIM 2019
Editor Manuel del Jesús Martínez, Dr.
Presidente Julian Ernesto Jaramillo Ibarra, Dr.
ISBN: ISBN 978-958-52438-6-6 Primera edición: noviembre de 2019
Diseño, diagramación e impresión: División de Publicaciones UIS Carrera 27 calle 9, Ciudad Universitaria PBX: (7) 6344000, ext. 2196 Bucaramanga, Colombia [email protected]
Prohibidalareproducciónparcialototaldeestaobra,por cualquiermedio,sinautorizaciónescritadelosautores.
XIV Congreso Iberoamericano de
Ingeniería Mecánica – CIBIM 2019
XIV Congresso Ibero-Americano Em Engenharia Mecânica – CIBEM 2019
Comité Organizador
Presidente
Julian Ernesto Jaramillo Ibarra, Dr.
Integrantes
Manuel del Jesús Martínez, Dr. Jorge Enrique Meneses Flórez, MsC.
David Alfredo Fuentes Díaz, Dr. Alberto David Pertuz Comas, Dr.
Jorge Luis Chacón Velasco, Dr.
Presidente
Comité Ejecutivo FEIBIM
Vocal 1º
Francisco Aparicio Izquierdo, Dr.
Vice-Presidente 1º
José Luis San Román, Dr.
Vice-Presidente 2º
Christian J.R. Coronado, Dr.
Vice-Presidente 3º
Kurt Paulsen Moscoso, Dr.
Secretario General
José Luis Muñoz Sanz, Dr.
Tesorero
Fabricio Esteban Espinoza, Dr.
Antonio Augusto Fernandes, Dr.
Vocal 2º
Gustavo J. Cazzola, Dr.
Vocal 3º
Raúl Lugo Leyte, Dr.
Vocal 4º
María Eugenia Muñoz Amariles, Dra.
Vocal 5º
Oscar Francisco Farias Fuentes, Dr.
Vocal 6º
Luis Carlos Martinelli Jr, Dr.
Comité Científico
Manuel del Jesús Martínez Daniela Bahiense de Oliveira
Waldir Antônio Bizzo Carlos Borras Pinilla
Katia Tannous Nestor Raul D’croz Torres
Gilberto C. González Parra Pedro José Díaz Guerrero
Miguel Angel Diaz Rodriguez Omar Armando Gelvez Arocha
Manuel Tur Valiente Isnardo González Jaimes
Eugenio Giner Maravilla Octavio Andrés González Estrada
José Martínez Casas Ricardo Alfonso Jaimes Rolon
Juan José Ródenas García Abel Antonio Parada Corrales
Javier Fuenmayor Fernández Alberto David Pertuz Comas
Francisco Denia William Pinto Hernández
Asenssi Oliva Jabid Eduardo Quiroga Méndez
Rafael Royo Pastor Yesid Javier Rueda Ordoñez
Emilio Navarro Peris Javier Rúgeles Peréz
José Gonzalvez Maciá Leonidas Vásquez Chaparro
Thiago Gamboa Ritto Diego Fernando Villegas Bermúdez
Alejandro Roldán Heller Guillermo Sanchez Acevedo
Daniel Cortés Carlos Alberto Romero Piedrahita
Luis A. Távara Mendoza Luz Adriana Mejia Calderon
Federico Paris Sandra Patricia Cuervo Andrade
Adrián Pablo Cisilino Sebastian Durango Idarraga
Rodrigo Panosso Zeilmann Omar López
David Abellán López Juan Miguel Mantilla
Hector Miguel Aguila Estrada Sonia Rincón
Enrique Alcalá Fazio Johann Barragán Gómez
Alfredo Alvim de Castro Carlos Alberto Graciano
Cledumar Amaral Araujo Whady Felipe Flórez Escobar
Arturo Barba Pingarron Rogelio Hecker
Jayanta Kumar Banerjee Max Suell Dutra
Leonardo Bonacini Fernando Castro
Martin Dario Castillo Mario Luiz Tronto
Jesús Casanova Kindelán Ingrid Argote
Carlos Eduardo Castilla Alvarez Clayton Torres
Edmilson Otoni Correa Renato Bortholin
Julian Arnaldo Avila Marcelo Becker
Angela Beatrice Dewes Moura Miguel Cerrolaza
Marcelo Acacio de Luca Rodrigues Juan Manuel Muñoz Guijosa
Eduardo Diez Carlos Andrés Trujillo Suárez
Angie Lizeth Espinosa Sarmiento William Arnulfo Aperador Chaparro
Jorge Isaac Fajardo Seminario John Faber Archila Díaz
Marcelo Fajardo Pruna Oscar Fernando Avilés Sánchez
Carlos Frajuca Carlos Ramón Batista Rodriguez
Edry Antonio Garcia Cisneros Elkin Gregorio Flórez Serrano
Homero Jiménez Rabiela Jesus Manuel Gutierrez Bernal
Mario Wolfart Júnior Luz Karime Hernandez Gegen
Rita de C. Fernandes de Lima Héctor Enrique Jaramillo Suárez
Frederico Romagnoli Silveira Lima Jesús Antonio Ramírez Pastran
Jose Luis Mora Rodriguez Arly Dario Rincón Quintero
Luis Ulises Medina Uzcátegui Juan Manuel Rodríguez Prieto
Carlos Alexandre J. Miranda Edgar Alonso Salazar Marín
Juraci Carlos de Castro Nobrega Jorge Luis Chacon Velasco
Beethoven Narváez Romo Jose Ivan Hurtado Hidalgo
David Manuel Ochoa González Jorge Enrique Meneses Florez
Alvaro Ochoa Villa Jorge Luis Cardenas
Pedro Agustin Ojeda Escoto Adolfo Leon Arenas Landinez
Jose Luis Otegui Francisco Saldivia Saldivia
Manuel de Jesús Palacios Gallegos Oscar Rodolfo Bohorquez Becerra
Miguel Pleguezuelos González Julio Andres Pedraza Avella
José Alfonso Pámanes García Carlos Daniel Barrera
Carolina Quintero Ramírez Daniel Felipe Chaparro
Marcio Andrade Rocha Adrian Pablo Cisilino
Francesc Ferrando Piera Christian Jeremi Coronado Rodriguez
José Manuel Riesco Ávila Jorge Guillermo Diaz Rodriguez
Richard Senko Miguel Arlenzo Duran
Fernando Mauricio Tello Oquendo Oscar Francisco Farias Fuentes
Aristides Rivera Torres Gabriel Fernando Garcia Sanchez
Adelino Trindade Mariano Artes Gomez
Guillermo Urriolagoitia Sosa Julian E. Jaramillo
Mónica Urízar Arana Raul Lugo Leyte
Emilio Velasco Sánchez Jerson Fabian Maldonado Moreno
Carlos Eddy Valdez Salazar Maria Eugenia Muñoz Amariles
Anahí Velázquez Silva Raul Andres Serrano Bayona
Daniela Carina Vásconez Núñez Kim Christin Tschiersch
Ricardo Yáñez Valdez
Temáticas
Pag.
A. Ciencias Aplicadas a la Ingeniería Mecánica --
1. Mecánica general - Mecánica experimental
2. Vibraciones mecánicas y acústica
3. Mecánica del medio continuo
4. Mecánica de fluidos
5. Termotecnia – Termodinámica
6. Energía
7. Sistemas de Representación – CAD
8. Estructuras
9. Mecatrónica - Electromecánica – Automatización
10. Instrumentación
11. Materiales y Metalurgia
12. Tribología
13. Biomecánica – Bioingeniería
B. Diseño y Concepción de Máquinas y Componentes --
14. Síntesis y análisis de mecanismos
15. Vehículos
16. Maquinaria de elevación y transporte
17. Máquinas herramienta
18. Otras máquinas
19. Diseño de elementos de máquina
C. Fabricación de Componentes y Máquinas --
20. Procesos de fabricación
21. Planificación y control de la fabricación
22. Producción industrial
23. Fabricación automatizada (CAM)
24. Control de calidad
25. Ensayos y verificaciones
26. Metrología
D. Operación y Mantenimiento de Maquinaria --
27. Mantenimiento
28. Aspectos medioambientales
29. Reacondicionamiento
E. Mecánica Computacional --
30. Mecánica de sólidos computacional (CSM)
31. Dinámica de fluidos computacional (CFD)
32. Transferencia de calor
33. Otras
F. Formación, Historia y Desafíos 12
34. Formación e historia en Ingeniería Mecánica
35. Emprendimiento en Ingeniería Mecánica
36. Industria 4.0
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F. Formación, Historia y Desafios
30. Formación e historia en Ingeniería Mecánica 31. Emprendimiento en Ingeniería Mecánica 32. Industria 4.0
F. Treinamento, História e Desafios
33. Treinamento e História em Engenharia Mecânica 34. Empreendedorismo em Engenharia Mecânica 35. Indústria 4.0
11
1957. ASIGNATURA P ROYECTO II: INTEGRADORA DE CONOCIMIENTOS EN EL GRADO DE
INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES
SUBJECT PROJECT II: KNOWLEDGE INTEGRATOR IN BACHELOR’S DEGREE IN
INDUSTRIAL TECHNOLOGY ENGINEERING
Enrique Zayas-Figueras 1, Lluïsa Jordi-Nebot1
1 Grupo de Investigación CDEI-DM-Centro de Diseño de Equipos Industriales-Dinámica de Máquinas, Departament d’Enginyeria
Mecànica, ETSEIB, Universitat Politècnica de Catalunya, España. Email: [email protected]; [email protected]
Resumen
Proyecto II se imparte en el sexto cuatrimestre del Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales en la ETSEIB y tiene
cuatro objetivos esenciales para el alumnado: iniciarse en planificar y gestionar proyectos; aprender y aplicar criterios de
diseño; consolidar y aplicar conocimientos adquiridos y adquirir competencias genéricas transversales. Los alumnos
eligen entre diferentes propuestas de proyectos. Este trabajo expone los resultados de la propuesta de los autores “Diseño,
materialización e implementación de mecanismos en una aplicación práctica”. Los alumnos eligen un mecanismo base,
que utilizan en una aplicación práctica como respuesta a un problema de ingeniería, diseñan y fabrican por impresión 3D
un utillaje que colocado en el mecanismo da solución al problema planteado. Los alumnos integran conocimientos de
expresión gráfica, teoría de máquinas y mecanismos, informática… e implementan el control del funcionamiento de los
mecanismos mediante actuadores, sensores… y la programación de una placa Arduino Uno.
Palabras clave: Diseño; Mecanismos; Control; Impresión-3D; Implementación
Abstract
Project II is taught in the sixth semester of the Degree in Engineering in Industrial Technologies at ETSEIB and has four
essential objectives for students: to start planning and managing projects; to learn and to apply design criteria; to
consolidate and to apply acquired knowledge and to acquire transversal generic competences. Students choose among
different project proposals. This work exposes the results of the authors' proposal "Design, materialization and
implementation of mechanisms in a practical application". The students choose a basic mechanism, which they use in a
practical application in response to an engineering problem, they design and manufacture by 3D printing a tool that placed
in the mechanism provides a solution to the problem posed. The students integrate knowledge of graphic expression,
theory of machines and mechanisms, computing... and implement the control of the functioning of the mechanisms
through actuators, sensors... and the programming of an Arduino Uno board.
Keywords: Design; Mechanisms; Control; 3D-Printing; Implementation
1. Introducción
Actualmente en la Escuela Técnica Superior de
Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB) se
imparten los grados: i) Grado en Ingeniería en
Tecnologías Industriales (GITI) y ii) Bachelor's degree
in Industrial Technologies and Economic Analysis
(Grado en Tecnologías Industriales y Análisis
Económico), impartido de forma compartida entre las
universidades Politècnica de Catalunya (UPC) y
Pompeu Fabra (UPF). El primero de estos grados (GITI)
recoge en su plan de estudios la asignatura Proyecto II,
de 3 créditos ECTS y que se imparte en el sexto
cuadrimestre de los estudios. La asignatura plantea
cuatro objetivos esenciales para el alumnado: 1)
iniciarse en la planificación y la gestión de proyectos de
ingeniería; 2) aprender y aplicar criterios de diseño; 3)
consolidar y aplicar conocimientos adquiridos y 4)
adquirir competencias genéricas transversales
(comunicación eficaz, aprendizaje autónomo, trabajo en
equipo). Los alumnos tienen la posibilidad de elegir
entre diferentes propuestas de proyectos que realizan
distintos departamentos.
Los autores del presente trabajo, pertenecientes al
Departamento de Ingeniería Mecánica (DEM), exponen
los resultados de su propuesta de proyecto de título
“Diseño, materialización e implementación de mecanis-
mos en una aplicación práctica”. En dicha propuesta los
alumnos eligen un mecanismo base, de cruz de malta o
12
de retorno rápido, y plantean su utilización en una
aplicación práctica como respuesta a un problema de
ingeniería concreto. Para ello los alumnos realizan el
diseño y la fabricación por impresión 3D de un utillaje
y/o de otro mecanismo –de leva-palpador o de engra-
najes– cuya función junto al mecanismo base da
solución al problema planteado. Esto es posible a partir
de la integración de conocimientos que los alumnos
poseen de otras materias recibidas en sus dos primeros
años de grado: expresión gráfica, materiales, teoría de
máquinas y mecanismos, informática, mecánica…
Además a partir de la consideración de los autores, los
alumnos, con vocación hacia la mecánica y con una
adecuada orientación y autoformación, pueden
implementar el control del funcionamiento de los
mecanismos mediante motores paso a paso,
servomotores, el uso de sensores y leds mediante la
programación de una placa Arduino Uno. En la Figura 1
se muestra un diagrama integrador de conocimientos de
las materias relacionadas con la propuesta de proyecto
de los autores.
Figura 1. Materias integradas en la propuesta de Proyecto II
de los autores. Fuente: Elaboración propia.
Debe destacarse que, la dirección de la ETSEIB puso
gran interés en que los departamentos realizaran
propuestas de proyectos que platearan problemas de
ingeniería que permitiesen cumplir los objetivos
planteados y que resultasen motivadores para el
estudiantado. A partir de aquí, surge la propuesta que
presentan los autores del trabajo, que consideran que los
resultados logrados en este proyecto II son satisfactorios
tanto para el estudiantado como para el profesorado.
A continuación, se exponen las 16 propuestas de
proyectos II realizadas por profesores de 8
departamentos de la ETSEIB [1]:
1. Diseño de microrredes eléctricas con generación
renovable.
2. Desarrollo de una aplicación web para visualización
interactiva de datos.
3. Estudio comparativo de una central térmica (carbón,
gasificación, ciclo combinado...) y otra con hibrida-
ción solar.
4. Estudio de la viabilidad de un frigorífico de doble
ciclo.
5. Diseño sostenible aplicado al packaging de los
productos.
6. Simulación de sistemas mecánicos por ordenador.
7. Análisis de señales fisiológicas desde la ingeniería
para el desarrollo y mejora de equipos clínicos para
el diagnóstico/terapia/rehabilitación.
8. Desarrollo de una aplicación gamificada de ayuda al
estudio.
9. Diseño de una pequeña instalación para la recarga de
coches eléctricos.
10. Aplicaciones prácticas de microcomputadores.
11. Diseño de un sistema centrado en el usuario
partiendo de los datos que aportan las ciudades
inteligentes.
12. Caracterización y comparación de distintas bolsas de
plástico.
13. Nuevas tendencias en las bebidas edulcoradas.
14. Análisis Modal. Diseño y construcción de idiófonos.
15. Diseño, materialización e implementación de meca-
nismos en una aplicación práctica (propuesta de los
autores).
16. Realización del proyecto de una instalación
industrial en el entorno BIM (Building Information
Modeling).
La coordinación de la asignatura Proyecto II, en la que
participan tantos profesores y departamentos, se realiza
por uno de los miembros del equipo directivo de la
ETSEIB, en particular por la Subdirectora jefe de
estudios de Ingeniería industrial.
La asignatura está programada para impartirse en una
sesión de 2 h por semana y durante las 15 semanas que
abarca el cuatrimestre lectivo. Dichas sesiones tienen
una parte de introducción donde se exponen los
objetivos a lograr en cada sesión y se explican
fundamentos teóricos y técnicos-prácticos para avanzar
en la ejecución a lo largo del proyecto. Una de las
sesiones se dedica al logro de una competencia genérica
establecida por la UPC, denominada “Uso solvente de
los recursos de información”, que debe ser incorporada
al perfil de todos sus graduados y graduadas. Esta
competencia se alcanza con la asistencia obligatoria de
los estudiantes y su profesor a una sesión presencial
impartida por una especialista de la Biblioteca de la
ETSEIB.
El sistema de evaluación de la asignatura, se basa en la
evaluación continua, que permite hacer un seguimiento
13
de la adquisición de conocimientos y el logro de las
competencias específicas y genéricas de los estudiantes
a lo largo del cuatrimestre. El sistema se basa en las
tareas realizadas y entregadas al profesor en las sesiones
indicadas y en tres sesiones en las que los alumnos han
de realizar una presentación y defensa de su proyecto
(por etapas), así como la realización y entrega de
informes. El mayor peso de la nota corresponde a la
sesión final donde cada equipo de proyecto (integrado
por 3 o 4 alumnos) expone su trabajo y muestra el
funcionamiento de su máquina de acuerdo al problema
de ingeniería que ha identificado y solucionado con su
aplicación.
2. Metodología
Para disponer de los mecanismos básicos a utilizar por
los alumnos en el proyecto, los autores diseñan y
fabrican mediante impresión 3D un mecanismo de Cruz
de Malta (Figura 2), y con la colaboración de un
estudiante que realiza el Trabajo de Fin de Grado [2], se
diseña y fabrica un mecanismo de Retorno Rápido
(Figura 3). Ambos mecanismos son controlados con
motores paso a paso por una placa Arduino Uno, y
también disponen de la placa de prototipaje
(protoboard) con los elementos auxiliares conectados
(leds, pulsadores, cables…).
Figura 2. Maqueta funcional del mecanismo Cruz de Malta.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3. Maqueta funcional del mecanismo de Retorno
Rápido. Fuente: C. Horas [2].
La eleccción de los mecanismos básicos se debe a dos
razones fundamentales. Primero, el mecanismo de Cruz
de Malta posibilita, dado su funcionamiento, el ser parte
de una máquina en una línea de producción automática;
además permite el uso de utillajes que con diseños
diferentes y colocados sobre la Cruz de Malta, facilita el
posicionamiento de piezas u objetos de geometría
variada. Es un mecanismo que resulta bastante novedoso
para los alumnos. La elección del mecanismo de Retorno
Rápido también se debe a las características de su
funcionamiento (la carrera de trabajo es lenta y la carrera
en vacío es rápida); éste en general es más conocido por
los estudiantes.
De acuerdo con los objetivos esenciales y las
competencias genéricas a lograr con la asignatura
Proyecto II, expuestos en el primer párrafo del apartado
anterior, los autores establecen en la primera sesión de
clase las tareas básicas a lograr en el proyecto “Diseño,
materialización e implementación de mecanismos en
una aplicación práctica”, que constituyen la metodología
a seguir, y que son:
1. Analizar la estructura y el funcionamiento de un
grupo de mecanismos básicos: mecanismos de cruz
de malta, de leva-palpador, de engranajes y de
retorno rápido.
2. Proponer una aplicación práctica que implique la
combinación de dos de dichos mecanismos.
14
3. Realizar la síntesis directa o inversa y el diseño de un
mecanismo de leva, de barras o de engranajes para la
aplicación práctica propuesta.
4. Ejecutar la representación gráfica 3D –modelo
virtual– y los planos de los elementos del mecanismo
diseñado.
5. Fabricar los elementos y/o accesorios del mecanismo
propuesto mediante la impresión 3D con las
impresoras disponibles en el aula RepRap de la
escuela.
6. Implementar el comando de dicho mecanismo con
un microcontrolador.
Las tareas relacionadas muestran a los estudiantes que,
en la resolución de problemas prácticos de la ingeniería,
se requiere de la aplicación de conocimientos de varias
materias que reciben durante sus estudios de grado y
también de la necesidad y motivación en el autoapren-
dizaje de nuevos conocimientos, como por ejemplo el
diseño de piezas y mecanismos, la fabricación aditiva,
por impresión 3D mediante la técnica de deposición de
filamento fundido (FDM), la programación en Arduino,
etc.
La preparación e impartición de la asignatura también ha
requerido que los autores, profesores de Teoría de
Máquinas y Mecanismos, Vibraciones Mecánicas y
Sistemas de Fabricación, hayan tenido la necesidad de
aprender y aplicar materias de programación, creación
de modelos virtuales de sólidos, control y electrónica;
así como también en el uso de programas de modelación
y simulación, que han utilizado en las sesiones prácticas.
2.1. Sesiones y tareas programadas en el proyecto Las sesiones de proyecto constan básicamente de dos
partes: la primera es de introducción al tema a tratar, por
parte del profesorado con la exposición de aspectos
teóricos e información necesaria para el desarrollo del
proyecto, y la segunda parte, que es más extensa, es de
carácter práctico, donde los alumnos realizan
actividades guiadas que los preparan y familiarizan con
artefactos, softwares, instrumentos de medida, etc. Todo
ello pensado para que puedan desarrollar en equipos de
3 o 4 estudiantes un proyecto de aplicación práctica, a
partir de eligir uno de los mecanismos básicos antes
citados. En las sesiones hay una buena dinámica de
interacción profesor-alumno.
Teniendo en cuenta que el proceso de aprendizaje es
gradual y que la realización de un proyecto se realiza por
etapas, en las sesiones presenciales (excepto en la
última) se orienta al alumnado mediante una serie de
tareas que le van guiando y preparando para poder
ejecutar adecuadamente su proyecto, e ir logrando los
objetivos y competencias establecidos.
En la tabla 1 se expone el grupo de tareas programadas
para las sesiones.
Tabla 1. Sesiones y tareas programadas . Fuente: Elaboración
propia.
Sesión Tareas
1
• Buscar información sobre los
mecanismos: de Cruz de Malta y de Retorno
Rápido.
• Instalar SolidWorks (versión estudiante).
• Tomar las dimensiones y hacer el esquema
de símbolos normalizados del mecanismo
de Cruz de Malta o de Retorno Rápido,
según el elegido por cada grupo o equipo de
trabajo.
2
• Buscar información sobre el proceso de
modelado de engranajes en SolidWorks
(SW).
• Modelar una de las transmisiones analiza-
das en clase, a partir del módulo, del
número de dientes y del ancho de cara de los
dientes. Especificar en una tabla los valores
geomé-tricos calculados.
• Presentar en un formato A4 el plano de
cada rueda calculada y modelada con SW.
3
• Buscar información de la plataforma
Arduino.
• Instalar el entorno de desarrollo IDE de
Arduino y familiarizarse con el mismo.
• Definir e implementar una aplicación de
comando, y control si es el caso, con leds
inspirada en la propuesta: “Leds y pulsado-
res”, pero mejorándola. Dicha aplicación
constituirá la base de la primera presenta-
ción del equipo o grupo de trabajo.
4
• Instalar el programa QtCam y familiari-
zarse con el mismo.
• Diseñar un mecanismo de leva-palpador
utilizando QtCam. Elegir entre un palpador
de translación plano horizontal o un
palpador de rodillo de radio 10 mm.
• Generar el modelo 3D en SW de la leva.
5 • Primera Presentación de los equipos de
trabajo Proyecto II (ver tarea 3), que se
realizará en la sesión 6 de Proyecto II.
6
• Tomar las dimensiones constructivas y
dibujar la vista 3D y los planos de conjunto
y de despiece del mecanismo elegido.
• A partir de la aplicación propuesta por
cada grupo, concebir, diseñar, modelar en
3D e implementar virtualmente un utillaje
que facilite su montaje en el mecanismo y
que permita la realización de la tarea
requerida.
• Cada grupo debe precisar, si es el caso, el
objetivo de la aplicación concebida, el
15
7
entorno con que se relaciona y las presta-
ciones de dicha aplicación y la utilidad del
utillaje a utilizar.
• Prever el uso de sensores posibles a
utilizar (analizar su funcionamiento y
prestaciones, su precio y la posibilidad de
tenerlos a tiempo para su uso) e indicar
otros componentes electrónicos que
considere para la aplicación (pantalla lcd,
zumbador).
• Presentar la vista 3D y el plano del utillaje
diseñado para la aplicación elegida.
8
• A partir de lo orientado en la tarea 7, cada
grupo debe exponer al profesor los detalles
del utillaje diseñado, el porqué de la
geometría y dimensiones propuestas, la
forma de montaje en el mecanismo elegido.
Es esencial explicar los detalles para su
fabricación en impresión 3D.
9
• A partir de lo orientado en la tarea 8, cada
grupo debe exponer al profesor utilizando el
ordenador portátil con SW los detalles del
utillaje cuyo diseño ha modificado para su
impresión 3D, y que deben haber sido
discu-tidos con la persona que ayuda en la
impresión del primer prototipo.
• Cada grupo debe exponer con información
certera, el estado de adquisición de sensores
y otros componentes electrónicos a utilizar.
10
• A partir de lo orientado en la tarea 9, cada
grupo ha de entregar en un formato A3 el
diseño 3D en SW del ensamblaje del meca-
nismo, con el utillaje diseñado y los elemen-
tos de fijación de sensores, servomotores,
etc para su aplicación.
• Cada grupo ha de traer el primer prototipo
impreso del utillaje diseñado y analizado.
• Cada grupo ha de exponer en 3 o 4
diapositivas: 1) las características técnicas,
2) las prestaciones, 3) el funcionamiento y
4) los aspectos a considerar en la
programación Arduino de los elementos
electrónicos a utilizar (comandos utilizados
para la calibración, la configuración del
dispositi-vos, etc).
11
• Revisar el trabajo realizado y el material
generado.
• Hacer la puesta a punto final de la
aplicación.
• Confeccionar la versión definitiva de la
documentación, memoria (informe técnico)
y anexos, en formato papel y digital
(siguiendo las pautas correspondientes)
• Preparar la presentación final.
12 Presentación del Proyecto y del Informe
Final
2.2 Material y recursos utilizados por los estudiantes
Para la realización del proyecto, los estudiantes
disponen de las maquetas funcionales de los
mecanismos básicos de Cruz de Malta y de Retorno
Rápido, mostrados en las Figuras 2 y 3. Dichos
mecanismos se han diseñado y fabricado mediante
impresión 3D en material plástico PLA y la bancada en
madera; contienen un sistema para el posicionamiento
de la unidad electrónica compuesta por una placa
Arduino y una de prototipaje (protoboard), que va
montada en una base también de madera –que permite
su fácil colocación y cambio. Ambos mecanis-mos son
accionados por un motor paso a paso NEMA,
configurado para realizar 200 pasos por vuelta, es decir
un paso de 1,8º. En el mecanismo de Retorno Rápido, la
unidad eléctronica está colocada en la parte posterior de
la maqueta (no visible desde la vista frontal). Estas
maquetas son ligeras y facilmente manipulables por los
estudiantes, sin que representen un peligro para ellos.
A los equipos o grupos de trabajo, el Departamento de
Ingeniería Mecánica (DEM) le presta el material para
que puedan realizar su proyecto:
• Placa Arduino UNO
• Cable USB A/B
• Placa de prototipaje 70 mm x 50 mm
• 15 cables puentes de prototipaje (jumper wire)
• 3 pulsadores
• 6 leds y 6 resistencias
Las placas Arduino y de prototipaje están fijas en una
base de madera (unidad electrónica), de modo que cada
equipo cuando programa el control de su aplicación,
quita la unidad electrónica montada en la maqueta que
lleva el profesor a clase, y coloca y conecta su propia
unidad. Se debe destacar, que los integrantes de los equi-
pos de trabajo, en función de los elementos electrónicos
que han considerado utilizar en su aplicación (zumba-
dores, sensores de color, etc), compran dichos elementos
que utilizan juntos con los facilitados por el profesorado.
El profesorado también facilita a los alumnos algunos
Sketches (programas de Arduino), que desarrolló el
profesor Salvador Cardona [3], y que junto con apuntes
y la orientación de las tareas creadas para el Proyecto II,
tienen disponibles en Atenea (entorno virtual de
aprendizaje de la UPC que da apoyo a la docencia), les
facilita el autoprendizaje de programación en Arduino.
El DEM también ayuda a los equipos de trabajo en la
fabricación de utillajes y piezas, ya que dispone de una
máquina de impresión 3D de marca BCN3D tipo Delta
(Figura 4).
16
Figura 4. Máquina BCN3D tipo Delta. Fuente: Elaboración
propia.
3. Resultados
Los tres grupos de trabajo de Proyecto II han planteado
una aplicación práctica y dado respuesta a un problema
de ingeniería. En este caso los trabajos realizados han
sido los tres siguientes:
• Grupo_1: Aplicación: “Señalización de la apertura,
movimiento y cierre de las puertas de un ascensor
industrial” (mecanismo de Retorno Rápido utilizado
como mecanismo base).
• Grupo_2: Aplicación: “Identificador y distribuidor
de menús en la cocina de un colegio” (mecanismo de
Cruz de Malta utilizado como mecanismo base).
• Grupo_3: Aplicación: “Dispositivo identificador y
clasificador de monedas” (mecanismo de Cruz de
Malta utilizado como mecanismo base) (Figura 5).
En general, los estudiantes han trabajado como equipo y
han mostrado una excelente colaboración e interés en los
trabajos de los tres grupos.
Figura 5. Dispositivo identificador y clasificador de
monedas. Fuente: Elaboración propia.
4. Conclusiones
Los tres grupos de trabajo presentaron aplicaciones
funcionales en respuestas a un problema de ingeniería
que plantearon y al que han dado solución correcta.
Los alumnos reconocen estar satisfechos con la
propuesta de proyecto de los autores, sobretodo en lo
referente al carácter práctico e integrador de
conocimientos y al autoaprendizaje en el ámbito de la
programación de Arduino, de diseño y de fabricación
por impresión 3D.
El profesorado responsable del proyecto está satisfecho
con los resultados obtenidos; considera que se han
alcanzados los objetivos esenciales de Proyecto II en el
alumnado así como las competencias genéricas transver-
sales y está motivado a seguir mejorando su propuesta
de proyecto a partir del criterio de los alumnos.
5. Referencias
[1] UPC. Guía Docente de la Asignatura Proyecto II.
https://www.upc.edu/content/grau/guiadocent/pdf/cat/2
40064
[2] C. Horas. Recursos didácticos para la enseñanza y
aprendizaje de la asignatura “teoría de máquinas y
mecanismos”: prototipos virtuales y reales. Trabajo
Final de Grado (ETSEIB-UPC), Abril. 2019.
[3] S. Cardona, L. Jordi y J. Puig, “Proyecto de
Ingeniería Mecánica integrador de conocimientos.
Cuarto cuatrimestre del Grado de Ingeniería en
Tecnologías Industriales”, Anales de Ingeniería
Mecánica, n. 18, pp. 65-72, Noviembre. 2012.
17
2004. ESPACIO VIRTUAL DE APRENDIZAJE UTILIZANDO LAS PLATAFORMAS FACEBOOK
LIVE Y GOOGLE COMO APLICACIONES PRINCIPALES DE DIFUSIÓN. UN ENSAYO EN LA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, DE LA UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE
GUATEMALA
VIRTUAL LEARNING SPACE USING THE FACEBOOK LIVE AND GOOGLE PLATFORMS AS
MAIN BROADCAST APPLICATIONS. AN ESSAY AT THE SCHOOL OF MECHANICAL
ENGINEERING, UNIVERSITY OF SAN CARLOS DE GUATEMALA
Chicojay C. Carlos¹
¹Escuela de Ingeniería Mecánica
Universidad de San Carlos de Guatemala
Ciudad Universitaria Zona 12, ciudad de Guatemala
e-mail: [email protected], web page: http://emecanica.ing.usac.edu.gt
Resumen
La educación virtual cada vez se ve más necesaria en las universidades, debido a múltiples situaciones, como aulas
saturadas, tránsito citadino, parqueos llenos en las instituciones educativas, y otros.
Las autoridades de la Facultad de Ingeniería, autorizaron que se imparta como prueba piloto la asignatura de
Instrumentación Mecánica de forma online utilizando como plataforma principal Facebook Live. Además se utiliza la
plataforma de Google con sus aplicaciones de Grupos de Google, Formularios, y las extensiones Loom, Boomerang, y
FormLimiter.
Ya que el sistema permite realizar la actividad de manera sincrónica y asincrónica, al trasladar el aula a la pantalla de los
dispositivos electrónicos, la modalidad es bien recibida por los estudiantes, ya que el sistema les permite, recibir las clases
en el lugar, momento, y las veces que deseen.
Luego de la evaluación, se determinó que las aplicaciones tienen bondades, las cuales se pueden aprovechar en el proceso
Enseñanza Aprendizaje.
Palabras clave: Online, Facebook Live, Google, Espacio virtual, Enseñanza
Abstract
Virtual education is increasingly needed in universities, due to multiple situations, such as saturated classrooms, city
traffic, full parking spaces in educational institutions, and others.
The authorities of the Faculty of Engineering, authorized that the subject of Mechanical Instrumentation be taught as a
pilot test online using the main Facebook Live platform. In addition, the Google platform is used with its Google Groups
applications, Forms, and the Loom, Boomerang, and FormLimiter extensions.
Since the system allows the activity to be carried out synchronously and asynchronously, when moving the classroom to
the screen of the electronic devices, the modality is well received by the students, since the system allows them to receive
the classes in the place, moment , and as many times as they wish.
After the evaluation, it was determined that the applications have benefits, which can be used in the Teaching Learning
process.
Keywords: Online, Facebook Live, Google, Virtual space, Teaching.
1. Introducción
La educación a través de la Red experimentó un notable
crecimiento a mediados de la primera década del siglo
XXI. Hoy en día, en algunos casos ya se habla de
una supremacía del canal online de cara a la transmisión
de determinados tipos de conocimiento, particularmente
aquellos sujetos a una interacción intensa profesor-
alumno y con los alumnos entre sí.[1]. El uso de
plataformas online permiten al estudiante adecuar su
tiempo.
18
1.1 Antecedentes
En la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad
de San Carlos de Guatemala, cada profesor utiliza la red
de internet a su manera como complemento a las clases
presenciales, utilizando los recursos que allí se
encuentran.
Como consecuencia de una prueba piloto realizada en el
año 2018 para un tema del curso Instrumentación
Mecánica [2], la Junta Directiva de la Facultad de
Ingeniería autorizó para el año 2019, impartir dicho
curso de forma online, utilizando como plataforma
principal de difusión Facebook Live [3].
2. Plataforma virtual
La plataforma se diseñó utilizando las aplicaciones
siguientes:
2.1 Facebook Live
Fue la plataforma principal de difusión. Utilizando la
opción de compartir pantalla, se puede realizar la
difusión de contenidos de forma síncrona o asíncrona.
[3] Se utilizó en un alto porcentaje la forma asíncrona,
ya que en la prueba piloto del año 2018, el resultado fue
que los estudiantes prefieren esta modalidad. Como
facilidad para el profesor, se puede programar el día y
hora de difusión de una clase previamente grabada.
2.2 Loom
Es una extensión para Google Chrome que nos permite
grabar y compartir la pantalla de nuestro ordenador y la
webcam de forma sencilla. [4] Para realizar la difusión
asíncrona, se utilizó esta aplicación para la grabación
previa de la clase.
2.3 Boomerang
Es una extensión de Gmail. Se utilizó para programar el
día y hora el envío del link de evaluaciones utilizando
el correo Gmail [5]
2.4 Inbox Pause
Es una extensión de Gmail, sirve para pausar la bandeja
de entrada durante un periodo determinado durante el
cual no entra ningún email. Además se pueden
configurar palabras clave y direcciones de correo para
que esto no afecte a aquellos correos que sí queremos
recibir [6]. Se utilizó para programar el tiempo de
recepción de tareas y hojas de trabajo.
2.5 Google Forms
Para la realización de las evaluaciones se utilizó Google
Forms, [7] Los Formularios de Google permiten
planificar eventos, enviar una evaluación, hacer
preguntas a los alumnos o recopilar otros tipos de
información.
2.6 Formlimiter
Es un complemento de los Formularios de Google.
Permite limitar el tiempo para la resolución de una
evaluación [8]
3. Metodología o desarrollo de la clase virtual
3.1 Inicio del curso
El estudiante inicia el curso, enviando un correo a la
dirección instrumentació[email protected], recibe
una respuesta automática conteniendo los links para 1)
inscribirse en el curso, 2) descargar el programa del
curso, 3) descargar el libro de texto del curso, 4) página
de Facebook Live, y 5) correo para enviar tareas y hojas
de trabajo. 6) darse de alta en el grupo de Google del
curso.
3.2 Desarrollo del curso
El curso se desarrolló de manera asíncrona en la página
TRANSIMSIONES que se accede en
https://www.facebook.com/anibalchicojay2/ También
se utiliza para comunicación entre los estudiantes y el
profesor, indicando la instrucciones para las
evaluaciones, hojas de trabajo y tareas. Las clases se
realizaron los días martes y jueves, dividido cada día en
3 segmentos de aproximadamente 20 minutos cada uno.
4. Resultados
Se impartió el curso de forma semipresencial, ya que se
programó realizar los exámenes parciales de manera
presencial. Luego de concluído el curso durante el
primer semestre de 2019, se evaluó la aceptación y
eficiencia del método utilizado. Se realizó una encuesta
a la totalidad el grupo compuesto por 14 estudiantes. A
continuación se muestran los resultados más relevantes.
a) ¿Le parecieron comprensibles las clases?
Si 100% No 0%
b) ¿En cuál de los siguientes dispositivos vio las
clases?
Smartphone 43% Laptop 36% PC 21%
c) ¿Poseía cuenta de Facebook con anterioridad?
Si 100%% No 0%
19
d) ¿Poseía cuenta de Gmail con anterioridad?
Si 100% No 0 %
e) Las evaluaciones online, ¿fueron
comprensibles y adecuadas?
S 100% No 0%
f) ¿Considera que con este método se puede
impartir la clase 100% online?
Si 86% No 14%
g) ¿Considera que es necesario observar por la
cámara al profesor, o es suficiente sólo el audio
y la presentación?
Solo audio y presentación 93%
Ver al profesor 7%
h) ¿Considera que esta metodología online podría
adaptarse a otros cursos de la Escuela?
Si 93% No 7%
5. Conclusiones
El método fue muy bien aceptado por los estudiantes, ya
que indicaron que tanto las clases como los exámenes
fueron perfectamente comprendidos, además indicaron
que la metodología puede adaptarse a otros curso que
imparte la Escuela de Ingeniería Mecánica. Dado que el
curso se desarrolló en forma semipresencial, el 86% de
los estudiantes indican que podría realizarse en forma
100% online, y solamente el 14% no lo recomienda.
Dado que el 100% de los estudiantes poseía cuenta de
Facebook y Gmail con anterioridad al desarrollo del
curso, facilitó el desrrollarlo utilizando estas
plataformas.
Es de hacer notas que el dispositivos que más utilizaron
fue el Smartphone.
6. Agradecimientos
El autor agradece a la Junta Directiva de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad de San Carlos de
Guatemala por su apoyo para la realización de este
ensayo.
7. Referencias
[1] Las 7 tecnologías que están revolucionando la
educación. Disponible en https://spartanhack.com/7-
tecnologias-estan-revolucionando-educacion/
consultado el 11 mayo 2019.
[2] Progama del curso Instrumentaón Mecánica.
Disponible en
http://emecanica.ingenieria.usac.edu.gt/sitio/?page_id=
144 Consultado 14 junio 2019.
[3] Qué es, como entrar y como funciona Facebook
Live. Disponible en
https://www.expertosnegociosonline.com/que-es-
facebook-live-como-usar-funciona/ Consultado el 14
junio 2019.
[4] Video recording simplified. Disponible en
https://www.loom.com/ Consultado el 14 junio 2019
[5] Boomerang for Gmail. Disponible en
https://www.boomeranggmail.com/es/ Consultado el 14
junio de 2019
[6] En que coonsisste Inbox Pause. Disponible en
https://www.ticbeat.com/lab/con-esta-extension-
puedes-pausar-tu-bandeja-de-entrada-en-gmail/
Consultado el 14 junio 2019
[7] Formularios de Google. Disponible en
https://blogs.upm.es/observatoriogate/2016/04/21/form
ularios-google-una-herramienta-estrella-de-google/
Consultado el 15 junio 2019
[8] FormLimiter, una herramienta para limitar las
respuestas de un formulario de Google. Disponible en
http://coordinacionticepj.blogspot.com/2016/03/formli
miter-una-herramienta-para.html Consultado el 15 de
junio de 2019
20
2038. O LEAN MANUFACTURING E A INDUSTRIA 4.0
LEAN MANUFACTURING AND INDUSTRY 4.0
Marco Diniz1, Marcos Dias 2, Adelson Maia 3
1Departamento de Engenharia Mecânica, Unidade Ribeirão Preto, Anhanguera Educacional Participações S/A., Brasil.
Email: [email protected] 2 Departamento de Engenharia de Produção, Unidade Ribeirão Preto, Anhanguera Educacional Participações S/A., Brasil.
Email: [email protected] 3 Departamento de Engenharia de Produção, Unidade Ribeirão Preto, Anhanguera Educacional Participações S/A., Brasil.
Email: [email protected]
Resumo
A indústria de manufatura é a base da economia de una nação e influencia poderosamente o modo de vida das pesos. O
Lean Manufacturing é una filosofia com resultados conhecidos e testados que todos os dias são mais comuns e usados em
todo o mundo. Tecnologías emergentes podem ter um impacto revolucionário nos modelos de fabricação, abordagens,
conceitos e até negócios. Resumidamente o Lean Manufacturing é um processo e a Indústria 4.0 é um conjunto de
tecnologias que podem ser aplicadas ou não em função da necessidade. Portanto elas podem conviver sem problemas,
porém algumas questões precisam ser avaliadas.
Palavras chave: lean manufacturing; indústria 4.0; manufatura; tecnologías emergentes.
Abstract
The manufacturing industry is the basis of a nation's economy and powerfully influences the way of life of weights. Lean
Manufacturing is a philosophy with known and tested results that every day are more common and used around the world.
Emerging technologies can have a revolutionary impact on manufacturing models, approaches, concepts and even
business. Briefly, Lean Manufacturing is a process and Industry 4.0 is a set of technologies that can be applied or not
depending on the need. Therefore, they can live without problems, but some issues need to be evaluated.
Keywords: lean manufacturing; industry 4.0; manufacturing; emerging technologies.
1. Introdução
Produtividade, flexibilidade, desempenho, redução de
custos são algumas das melhorias possíveis com a
aplicação do Lean Management. Por outro lado, com
mudanças radicais no ambiente de produção, surgem
mudanças no Lean Manufacturing como uma prática.
Anunciada como a quarta revolução industrial, introduz
novas tecnologias na fabricação, reunindo os mundos
físico e digital do chão de fábrica. A combinação de
todas essas tecnologias na indústria abre o conceito de
Fábrica Inteligente. Surge a seguinte questão: Como o
Lean Manufacturing ira contribuir para a Indústria 4.0 ?
Especialistas acreditam que no futuro o Lean
Manufacturing e a Indústria 4.0 não só podem coexistir,
mas estar conectadas por meio de um vínculo
importante.
2. O sistema Lean Manufacturing
Inicialmente cumpre esclarecer, que o mercado
consumidor nunca esteve tão competitivo quanto na
atualidade, e considerando este novo contexto, torna-se
imprescindível que as empresas estejam preparadas para
enfrentar os obstáculos da rotina de trabalho e
proporcionar melhorias em seus processos de produção
otimizando a gestão de manufatura. [1]
O Lean Management é uma metodologia para
desenvolver valor e reduzir o desperdício, sua base é
encontrada no Sistema Toyota de Produção. Embora,
esta metodologia desenvolva seus conceitos em
manufatura, esta metodologia aplica suas ferramentas
fora deste escopo em áreas como saúde, departamentos
de RH, ensino superior, entre outros. [1][2].
O lean manufacturing é o nome que se dá ao Sistema
Toyota de Produção, que se baseia numa abordagem
sistemática para identificar e eliminar o desperdício
(aquilo que não agrega valor) através da melhoria
contínua, com fluxo de material puxado, buscando
qualidade total. A criação do sistema, em resumo, se
21
deve principalmente a 5 pessoas: Sakichi Toyoda,
o fundador da Toyoda Teares e mestre de invenções;
Kiichiro Toyoda, filho de Sakichi, fundador da Toyota e
segundo presidente; Eiji Toyoda, primo de Kiichiro,
tornou-se o quinto presidente; Taiichi Ohno, executivo e
engenheiro, criador do kanban; Shigeo Shingo,
engenheiro e criador do setup rápido e poka-yoke. [2].
Uma curiosidade: o termo “enxuta”, do inglês “lean”, foi
criado, na verdade, por John Krafcik, do MIT
(Massachussetts Institute of Technology), na década de
80, num artigo em que ele descrevia as técnicas do
sistema de produção e técnicas de trabalho
desenvolvidas pela Toyota. John Krafcik chamou o
sistema de enxuto pela redução de quantidade, custos e
tempo, ou seja: menos esforço dos funcionários, menos
espaço para a fabricação, menos investimento em
ferramentas, menos tempo em planejamento, menos
estoques, menos fornecedores, e redução de defeitos,
com uma maior variedade de produtos. O termo “pegou”
e é uma das maneiras como o Sistema Toyota de
Produção é referenciado. [3].
3. A Indústria 4.0
A Industria 4.0, é uma iniciativa estratégica alemã,
visando criar fábricas inteligentes onde as tecnologias de
fabricação são atualizadas e traçadas por sistemas físicos
informatizados (CPS), a internet das coisas (IoT) e a
cloud manufacturing, que é uma tecnologia voltada a
serviços. [4][5].
Na era da Industria 4.0, sistemas de manufatura são
capazes de monitorar ou processos físicos, criar um
“gêmeo digital” da mesma categoria (ou “gêmeo
cyber”), e tomar decisões inteligentes através de
comunicação em tempo real e cooperação com seres
humanos, máquinas, sensores e assim por diante [6]. A
Indústria 4.0 combina tecnologias integradas de sistemas
de produção com processos de produção inteligentes
para preparar o caminho para uma nova era tecnológica
que irá, fundamentalmente, transformar o valor da
indústria, as cadeias de valores da produção e os
modelos de negócios.
Uma verdadeira fábrica inteligente pode integrar dados
de ativos físicos, operacionais e humanos em todo o
sistema para impulsionar a fabricação, a manutenção, o
controle de estoque, a digitalização de operações por
meio do gêmeo digital e outros tipos de atividades em
toda a rede de manufatura. O resultado pode ser um
sistema mais eficiente e ágil, menos tempo ocioso da
produção e uma maior capacidade de prever e ajustar as
mudanças na instalação ou na rede mais ampla,
possivelmente levando a um melhor posicionamento no
mercado competitivo. [7].
A automação sempre fez parte da fábrica até certo ponto,
e mesmo altos níveis de automação não são novidade.
No entanto, o termo "automação" sugere o desempenho
de uma tarefa ou processo único e discreto.
Historicamente, as situações em que as máquinas tomam
“decisões” foram baseadas em automação lineares,
como abrir uma válvula ou ligar e desligar uma bomba
com base em um conjunto definido de regras. Através da
aplicação da inteligência artificial (IA) e da crescente
sofisticação dos sistemas ciber-fisicos que podem
combinar máquinas físicas e processos de negócios, a
automação inclui cada vez mais decisões complexas de
otimização que os humanos normalmente tomam. [8].
3.1 Os pilares da Indústria 4.0
A indústria 4.0 é uma realidade que se torna possível
devido aos avanços tecnológicos da última década,
aliados às tecnologias em desenvolvimento nos campos
de tecnologia da informação e engenharia. As
mais relevantes são: [9]
- Internet das coisas (Internet of Things – IoT): Consiste
na conexão em rede de objetos físicos, ambientes,
veículos e máquinas por meio de dispositivos eletrônicos
embarcados que permitem a coleta e troca de dados.
Sistemas que funcionam a base da Internet das Coisas e
são dotados de sensores e atuadores são denominados de
sistemas Cyber físicos, e são a base da indústria. [9].
- Big Data Analytics: São estruturas de dados muito
extensas e complexas que utilizam novas abordagens
para a captura, análise e gerenciamento de informações.
Aplicada à indústria 4.0, a tecnologia de Big
Data consiste em 6Cs para lidar com
informações relevantes: Conexão (à rede
industrial, sensores e CLPs), Cloud (nuvem/dados por
demanda), Cyber (modelo e memória), Conteúdo,
Comunidade (compartilhamento das informações) e
Customização (personalização e valores). [9]
- Segurança: Um dos principais desafios para o sucesso
da quarta revolução industrial está na segurança e
robustez dos sistemas de informação. Problemas
como falhas de transmissão na comunicação máquina-
máquina, ou até mesmo eventuais “engasgos” do
sistema podem causar transtornos na produção. Com
toda essa conectividade, também serão necessários
sistemas que protejam o know-how da companhia,
contido nos arquivos de controle dos processos. [9].
Além destas tecnologias, outros dispositivos terão um
papel importante na indústria 4.0. Como
a tecnologia RFID, que vem ganhando espaço com os
sistemas de rastreabilidade industrial, e os
módulos IO-Link. Esses módulos possuem endereço IP
próprio, com conexões diretas de alto e baixo nível.
Portanto, descentralizam e organizam a rede
de sensores e demais componentes. Com o processo de
modularidade da indústria 4.0, aliado
à crescente quantidade de sensores que serão utilizados
nas fábricas inteligentes, os módulos IO-
22
Link desenvolvimento de sistemas cyber físicos
para fábricas inteligentes. [10].
4. Lean Manufacturing e a Indústria 4.0
O cenário encontrado nas empresas neste início de
século XXI, tem-se basicamente, uma parte das
empresas que adotaram o Lean Manufacturing e estão
iniciando a implantação da Industria 4.0. Para que a
metodologia Lean Manufacturing esteja alinhada com a
tecnologia da Industria 4.0, é importante descrever as
tarefas dos profissionais que estão no meio deste
encontro – metodologia X tecnologia. [9].
Os gerentes de produção compartilham uma tarefa
significativa no processo de produção. Eles monitoram
continuamente operações da fábrica e estão envolvidos
na otimização das operações, de modo a aumentar a
eficiência da fábrica. Contudo, monitorar as operações
da fábrica e o status de produção não é uma tarefa fácil.
Muitos sistemas de automação industrial baseados em
computador existentes ajudam os gerentes a realizar
grande parte de seus objetivos. No entanto, estes
sistemas, sendo volumosos, não são portáteis e as
informações não estão disponíveis para os gerentes, a
menos que ele faça uso do computador. [9].
Assim, as atualizações sobre o processo de produção
não são transmitidas para os gerentes quando ele está
longe do sistema e isso pode atrasar algumas decisões
importantes relacionadas à produção. Essa desvantagem
exige o desenvolvimento do novo Sistema de Execução
de Manufatura, que pode ser portátil e pode fornecer
informações sobre as operações da fábrica sempre que
necessário, sem a presença do gerente antes do sistema.
[10].
A otimização de um processo de manufatura é
considerada, há várias questões-chave que são os
principais alvos para melhoria ou racionalização. Entre
eles incluem; não cumprir as datas de entrega
prometidas, máquinas quebrando, fazendo com que a
produção pare, ineficiências no fluxo de produção
devido a gargalos e falha na aprovação da garantia de
qualidade. Esses problemas não são autônomos,
significando que melhorias significativas podem ser
feitas se um sistema adequado estiver em uso para lidar
com essas dificuldades de maneira mútua. [11].
Claramente, há algo faltando que pode ser
implementado para melhorar muito a produção. As
máquinas que residem no chão-de-fábrica e o
planejamento que ocorre nos escritórios de
administração para o uso dessas máquinas não parecem
vincular-se em nenhum caminho distinto. Funções de
nível mais alto podem ter um impacto em atividades de
nível inferior, como o controle de processo e, portanto,
um efeito indireto no processo. Da mesma forma,
eventos de baixo nível, como falha de um sensor ou
atuador, terão um impacto negativo no gerenciamento de
alto nível e podem exigir a revisão dos planos. [12].
Os fabricantes precisam de software que possa melhorar
todas as áreas do processo de fabricação, incluindo
melhor desempenho, maior consistência e resposta mais
rápida às necessidades de adaptação de clientes,
fornecedores e processos internos. As ferramentas
tradicionais, como ERP, cadeia de suprimentos,
relacionamento com o cliente e sistemas de
gerenciamento de ciclo de vida do produto, não são
suficientes para alcançar as eficiências exigidas pela
baixa margem de lucro, resposta rápida e mercado
escalável. Os fabricantes precisam de uma ferramenta
que forneça às operações dados rápidos, precisos e
transparentes. [10].
4.1 Lean Manufacturing e a Indústria 4.0 no Brasil
O consenso entre os especialistas é de que a indústria
brasileira ainda está em grande parte na transição do que
seria a Indústria 2.0, caracterizada pela utilização de
linhas de montagem e energia elétrica, para a Indústria
3.0, que aplica automação por meio da eletrônica,
robótica e programação. Para ter uma ideia da
defasagem, seria necessário instalar cerca de 165 mil
robôs industriais para aproximar da densidade robótica
da Alemanha. No ritmo atual, cerca de 1,5 mil robôs
instalados por ano no país, vai levar mais de 100 anos
para chegar lá. [15].
A boa notícia é que não é necessário passar por todo o
processo de modernização fabril ocorrido nos países
desenvolvidos nas últimas décadas para poder abraçar as
tecnologias da Internet Industrial e da Indústria
4.0. Pode-se e deve-se queimar etapas. O que não pode
fazer é ignorar essa revolução no sentido de preservar a
indústria presente no Brasil e prepará-la para esse novo
panorama competitivo. Trata-se de criar um cenário no
qual as tecnologias de informação e de automação, e não
a mão de obra de baixo custo, é que vão gerar as
vantagens competitivas para as nações com setor de
manufatura relevante. A conjuntura brasileira atual,
marcada por uma severa crise econômica e política,
torna esse desafio ainda mais difícil para o país. [15]
[16].
É necessário, mais do que nunca, de lideranças fortes e
articuladores na indústria, no governo e nas instituições
acadêmicas e de pesquisa. Precisa-se também de níveis
de investimento relevantes e da capacitação intensiva de
gestores, engenheiros, analistas de sistemas e técnicos
nessas novas tecnologias, além de parcerias e alianças
estratégicas com entidades de outros países. Cada um
precisará fazer a sua parte: o governo: políticas
estratégicas inteligentes, incentivos e fomento;
empreendedores e gestores da indústria: visão, arrojo e
postura proativa, e; instituições acadêmicas e de
23
pesquisa: formação de profissionais e com
desenvolvimento tecnológico, preferencialmente em
grande proximidade com a indústria. [12].
A Internet Industrial e a Indústria 4.0 criam também
enormes oportunidades para empreendedores que atuam
na área de tecnologia, talvez como nunca antes na
história da humanidade. Muito do que será necessário
para converter a manufatura, os meios de transportes, o
agronegócio e outros setores industriais ainda precisa ser
desenvolvido. Boa parte dessas tecnologias disruptivas
ainda requer aperfeiçoamento, customização e a criação
de soluções abrangentes que funcionem e gerem os
benefícios esperados. [8][10][11]
Para mencionar apenas algumas dessas novas
ferramentas, precisa-se de empresas e de start-up
focadas em Big Data, Analytics, nuvem, segurança e
automação, e conhecimento na área de software e em
robótica avançada, manufatura aditiva, novos materiais,
energias sustentáveis e simulação no campo da
engenharia. Para empreendedores que já atuam em um
dos segmentos diretamente impactados por essa
revolução, vale investir tempo na formulação de um
plano consistente para avaliar e aplicar as novas
tecnologias em suas operações. [8][10].
O ideal é reunir a equipe interna com especialistas do
mercado para analisar a viabilidade e o impacto de cada
uma das novas tecnologias. Na transição, uma dica é
pensar grande e começar pequeno, ou seja, pilotar cada
ideia, medir os resultados e expandir para toda a
operação. Outra dica é não esperar por um momento
futuro, a hora é agora, antes que seus competidores o
tirem do mercado. [16].
5. Metodología
Este estudo foi realizado a partir de revisões
bibliográficas e análises de documentos publicados, a
fim de mostrar os conceitos técnicos do tema. Neste
estudo serão utilizados conceitos de Lean
Manufacturing e Indústria 4.0, buscando entender como
esses temas vem sendo discutidos na atualidade, levando
em consideração sua importância e necessidade nas
indústrias.
O método de pesquisa usado é qualitativo, voltado para
obtenção de resultado através de relatórios feitos a partir
de estudos em livros, sites e artigos. Esse tipo de estudo
tem como finalidade ser estruturado como uma revisão
teórica em autores e obras que oferecem conceitos que
dialogam com a proposta de pesquisa.
6. Resultados
De uma forma mais simples, o objetivo principal da
Indústria 4.0 é criar fábricas inteligentes com capacidade
e autonomia para agendar manutenções, prever falhas
nos processos e se adaptar aos requisitos e mudanças não
planejadas na produção. Apesar de tudo, isto parece
muito futurista. Neste início do século XXI, os
indicadores industriais apontam quedas constantes no
rendimento das empresas e os dados referentes ao
faturamento ainda oscilam muito. A adoção do sistema
Lean Manufacturing, nos processos das empresas visam
reduzir os desperdícios, aumentar a qualidade do
produto e melhorar o valor do cliente. Em termos
práticos a implantação da Indústria 4.0, ainda tem um
alto custo, enquanto o sistema Lean Manufacturing, já
está formatado e tem um custo menor. Ambos tem o
mesmo foco, com tecnologias diferentes e podem ser
complementares.
7. Conclusão
O Lean Manufacturing possui a filosofia que visa à
produção enxuta, mesmo com o surgimento da
empresa/indústria 4.0, ela não vai desaparecer e torna-se
mais importante, uma vez que a Indústria 4.0 permite a
visualização real de uma empresa enxuta, permitindo
assim a compreensão mais rica da demanda do cliente,
evitar os desperdícios, maior eficácia e menor
rotatividade de empregos.
8. Agradecimentos
Agradecemos a todos que nos incetivaram a participar e
dividir conhecimento, experiência e expectativas.
9. Referências
[1] N. Slack; S. Chambers; R. Johnston. Administração
da Produção. São Paulo: Edição, Editora Atlas, 2002.
[2] J. P. Woomack, D. T. Jones, D. T, D. ROSS. A
máquina que mudou o mundo. 1992. 14ª edição. Rio de
Janeiro. Editora Campus. 1992.
[3] R. Vargas. Lean Manufacturing - Reduzindo
desperdícios e aumentando a qualidade! 2017.
Disponível em: https://gestaoindustrial.com/lean-manufacturing/.pdf
[4] Lee J, Bagheri B, Kao HA. A cyber-physical systems
architecture for industry 4.0-based manufacturing
systems. Manuf Lett 2015; 3:18–23.
[5] Lasi H, Fettke P, Kemper HG, Feld T, Hoffmann M.
Industry 4.0. Bus Inform Syst Eng 2014; 6(4):239–42.
[6] Wang S, Wan J, Zhang D, Li D, Zhang C. Towards
smart factory for Industry 4.0: A self-organized multi-
agent system with big data based feedback and
coordination. Comput Netw 2016;101:158–68.
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[7] BURKE, Rick et al. The smart factory. Responsive,
adaptive, connected manufacturing. 2017. Disponível
em:
https://www2.deloitte.com/insights/us/en/focus/industr
y-4-0/smart-factory-connected-manufacturing.html.
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factory (Industry 4.0). 2015. Korea Institute of Industrial
Technology – KITECH. FOPIS – Factory Online
Productivity Innovation System. 2015.
[10] ROBERTI, Mark. The History of RFID
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https://www.rfidjournal.com/articles/view?1338.
[11] J. R. HAHN. O que é a Indústria 4.0 e descubra as
oportunidades que ela gera. 2017. Disponível em:
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[12] B. HADJIMICHAEL. Manufacturing Execution
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[16] T. NUNES. A indústria 4.0 no Brasil: os exemplos
de Alemanha e EUA para o avanço. 2019. Disponível
em: https://www.abecbrasil.org.br/novo/2019/04/a-
industria-4-0-no-brasil-os-exemplos-de-alemanha-e-eua-para-o-avanco/
25
2045. MÓDULO DE DETECCIÓN DE TAPONAMIENTO EN EL FILTRO DE PARTÍCULAS DE UN
SISTEMA ACUAPÓNICO
CLOGGING DETECTION MODULE IN A FILTER FOR SOLID SUSPENDED FILTER OF AN
AQUAPONICS SYSTEM
Pablo Andrés Peláez, Giacomo Barbieri
Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá (Colombia).
Email: {pa.pelaez10, g.barbieri}@uniandes.edu.co
Resumen
Debido al crecimiento constante de la población mundial, se hace cada vez más retadora la necesidad de encontrar
alternativas agrícolas sostenibles para alimentar a la población. Como respuesta a esta problemática, la acuaponía se ha
ubicado como una práctica agrícola económicamente y ambientalmente sostenible.
La acuaponía consiste en la combinación de la acuicultura con la hidroponía. En esta práctica, la correcta recirculación
del agua es fundamental ya que en pocas horas de malfuncionamiento el sistema colapsaría. Una de las principales causas
de malfuncionamiento del sistema de bombeo es el taponamiento del filtro de partículas debido a las heces de los peces.
Esta falla es difícilmente detectable en forma temprana y por lo tanto se propone un módulo para la detección del
taponamiento que avise al operario cuando la falla ocurre.
Después de un análisis del sistema, se identificó que el taponamiento del filtro determina un aumento del nivel de líquido
de la cama hidropónica. Por lo tanto, se seleccionó un sensor de ultrasonido para detectar un aumento del nivel. Cuando
el aumento supera un determinado umbral, el sistema envía automáticamente un correo al operador comunicando la falla
y el sistema en el cual ocurrió. El módulo propuesto fue probado en un sistema acuapónico prototipal que consta de una
cama hidropónica de 7 L y un tanque de 59 L conteniente 7 peces “carpas koi” de 5 cm. Una vez calibrado el sensor, el
sistema señaló correctamente un aumento permanente de líquido de 1.5 cm y el costo total de implementación fue de 110
USD.
Palabras clave: Acuaponía, Detección de fallas, Filtro de Partículas, Automatización, Internet de las Cosas.
Abstract
Due to the constant growth of the world population, the need to find sustainable agricultural alternatives to feed the
population is becoming increasingly challenging. In response to this problem, aquaponics has been located as an
economically and environmentally sustainable agricultural practice.
Aquaponics is the combination of aquaculture with hydroponics. In this practice, the correct recirculation of water is
essential since in a few hours of malfunction the system will collapse. One of the main causes of malfunction of the
pumping system is the clogging of the particulate filter due to the feces of the fish. This failure is difficult to detect early
and therefore a module is proposed for the detection of plugging that warns the operator when the failure occurs.
After an analysis of the system, it was identified that the plugging of the filter determines an increase in the level of liquid
in the hydroponic bed. Therefore, an ultrasonic sensor was selected to detect an increase in level. When the increase
exceeds a certain threshold, the system automatically sends an email to the operator communicating the fault and the
system in which it occurred. The proposed module was tested in a prototypal aquaponic system consisting of a hydroponic
bed of 7 L and a tank of 59 L containing 7 fish "koi carps" of 5 cm. Once the sensor was calibrated, the system correctly
signaled a permanent liquid increase of 1.5 cm and the total implementation cost was 110 USD.
Keywords: Aquaponics, Fault Detection, Particle Filter, Automation, Internet of Things.
1. Introducción
En el presente uno de los principales problemas que
enfrenta el ser humano es el desarrollo autosostenible.
Uno de los campos donde más se está buscando
desarrollo para esta temática, es la sostenibilidad por
medio de cultivos. Dentro de esta hay varias ramas que
se enfocan en poder generar el mínimo impacto en el
planeta, pero que a su vez den como resultado un cultivo
con los mismos resultados (en cuanto a calidad del
26
producto se refiere). Dentro de estos se encuentra la
acuaponía. Esta forma de autocultivo plantea el uso de
peces y sus heces para lograr que el fluido en uso (en
este caso agua), permita que se dé cierto grado de
fertilización dentro del tanque, haciendo posible el
cultivo de ciertas especies de plantas. Este tipo de
cultivo permite implementación de plantas y semillas en
sitios donde nunca se habían podido dar, puesto que se
busca la circulación de agua con nutrientes capaces de
que la plantas florezcan permitiendo cultivar.
Uno de los problemas principales que enfrentan dentro
de estos autocultivos es el estancamiento del sistema
puesto que las mismas heces causan el taponamiento de
las bombas, dando como resultado que el sistema no
permita la circulación del fluido y por ende no se pueda
continuar con la producción de las plantas, generando
que el cultivo se pueda ver destruido (si requiere mucho
cuidado). Por esta razón, si no existe un operario que este
todo el tiempo presente, el taponamiento de este sistema
va a ser incierto, dando con pérdidas catastróficas en
algunos casos.
Por lo cual, este documento tiene por propósito la
explicación de un posible sistema como solución. El cual
por medio de sensores permitirá identificar cuando el
sistema está fuera del rango de operación correcto, se
enviará una alerta vía Email para que el operario de turno
sea capaz de saber que debe asistir el sistema. El artículo
está estructurado de la siguiente manera: el estado del
arte se ilustra en la Sección 2, mientras el sistema
propuesto se presenta en la Sección 3. La sección 4
aplica el modelo a un caso de estudio y los resultados se
reportan en la Sección 5. Finalmente, la conclusión y los
trabajos futuros están en la Sección 6.
2. Estado del arte
Dentro de la industria, es posible ver que las bombas son
un punto a tener siempre en cuenta en sistemas
mecánicos, debido a que el malfuncionamiento de este
tipo de equipos genera terribles consecuencias que en
ultimas solo problemas. Por este motivo se empieza por
la búsqueda de fallas en bombas, donde se encuentran
principalmente dos documentos los cuales hablan de
fallas encontradas en estos sistemas, pero en otras áreas
de desarrollo.
La referencia [1] proporciona información acerca de
fallas de bombas centrifugas en aplicaciones
industriales. Dentro de la industria, es posible encontrar
documentación acerca de cómo los procesos de bombeo
de ciertas sustancias generan problemas. Lo anterior
debido a que hay agentes oxidantes que pueden generar
complicaciones dañando a largo plazo las bombas. Es
conveniente tener en cuenta esta referencia debido a que
en acuaponía el fluido de trabajo es agua junto a los
elementos que pueden venir inmersos dentro de las
heces de los animales, los cuales pueden generar
complicaciones si no se tiene cuidado a futuro con esto.
De todas formas, durante el documento en cuestión no
se habla precisamente de un taponamiento, por el
contrario, se habla de falla de la bomba por medio de
daños al sistema y sus componentes. Este documento se
considera importante puesto que dentro del área de
estudio deseada, permite segmentar el área a desarrollar,
puesto que se puede ver el comportamiento de las
bombas dentro
La referencia [2] trata el tema de fallos de sistemas de
bombas dentro de edificaciones. Estos sistemas son los
encargados de hacer que el agua dentro del acueducto de
la ciudad sea capaz de alcanzar los pisos más altos del
edificio. Como se puede imaginar, estos sistemas poseen
caudales mucho mayores a los del sistema en cuestión,
por esta razón las bombas serán mucho más grandes,
pues deben hacer más trabajo para lograr su finalidad.
En este documento el autor explica los tipos de fallas que
pueden suceder en este tipo de sistemas, donde el
primero concierne a fallo de la bomba, el cual es
detectable por caídas de presión dentro del flujo de agua
en duchas, lavados, etc. En este tipo de sistemas estas
fallas no son graves, puesto que el no tener agua dentro
de un apartamento no va a generar mayor problema pues
la vida de las personas no depende de esto. Se asemeja
este sistema con el sistema acuapónico puesto que se
busca lograr un bombeo a un nivel superior donde estará
la cama acuapónica. La diferencia crucial entre este tipo
de sistemas radica en la gravedad que puede tener este
tipo de fallas. Piense en un sistema de vivienda donde la
alimentación de los residentes dependa directamente de
la producción del sistema acuapónico. En caso de que la
bomba se tape, si no se generan correcciones a corto
plazo el sistema podría rebosar haciendo que los peces
mueran y que el sistema ya no pueda funcionar,
generando como consecuencia una falla letal para el
sistema, y por ende poniendo en riesgo la vida de las
personas que dependen de este sistema.
En conclusión, las dos referencias mostradas plantean
distintos tipos de fallas, en distintos sistemas. Pero,
aunque se realizó una exhaustiva búsqueda nunca se
llegó a encontrar un documento que hable de fallas de
bomba en sistemas acuapónicos y su prevención. Por
esto la finalidad de este documento será la generación de
un mecanismo de detección de falla en bombas
(taponamiento de estas), dándole un valor agregado a
este tipo de problemas, pero en industrias donde aún no
han sido implementados. Debido a que ya se tiene una
idea de cuales son algunos de los tipos de fallos
encontrados y expresados previamente dentro del texto,
se pasará a mostrar el desarrollo del sistema el cual se
cree es una solución viable para notificar operarios de
27
sistemas acuapónicos acerca de fallos por taponamiento.
3. Solución propuesta
Después entrevistar tecnicos que trabajan diariamente
con sistemas acuaponicos, se planterón los siguientes
requerimientos para el sistema de monitoreo: (se toma
esta muetra como representativa debido a que los dos
tecnicos entrevistados se encargan del matenimiento
diario de los sistemas, sabiendo perfectamente que
falencias poseen estos sistemas en cuestion)
- El sistema debe ser capaz de funcionar de
manera autónoma en todo momento.
- El sistema debe ser capaz de generar
mediciones de altura del agua dentro del tanque
en tiempo real.
- El sistema debe avisar de manera autónoma
cuando la falla sea detectada.
- El sistema debe poder transmitir datos de falla
al operario de alguna manera.
- El sistema debe ser lo mas pequeño posible
garantizando portabilidad y facilidad a la hora
de su implementación dentro de un acuapónico.
Con esto en mente, se comenzó a seleccionar y juntar
componentes que permitieran cumplir con los
requerimientos anteriores de forma que el dispositivo si
llegara al estado deseado.
El montaje final consta de un sensor ultrasonido para
medir la altura actual de agua [3] y una tarjeta NodeMcu.
Esta trajeta es capaz de transmitir datos vía wi-fi [4]. En
Figura 1 se muestra el sistema diseñado y sus conexiones
electricas. La programación del sensor requiere la unión
de ciertos códigos, los cuales se encargaban básicamente
de garantizar el correcto funcionamiento del sensor,
generar el envió del correo de la falla y garantizar la
conexión a un servidor en línea que se encargue de dar y
almacenar una respuesta en tiempo real del
comportamiento del sistema. El código desarrollado
podrá encontrarse en el anexo A. Este código fue todo
desarrollado dentro de la plataforma de programación de
Arduino, el cual necesita de la actualización y descargas
de librerías especificadas para la ejecución. Entre estas,
podemos ver que están las necesarias para el servidor
como lo es FireBase [5]. A su vez, es vital darse cuenta
que el código necesita en todo momento de una red de
internet para poder dar con el correcto funcionamiento
del dispositivo, razón por la cual cada vez que se fuese a
utilizar una red nueva, si es de carácter totalmente
mandatorio alterar la entrada de nombre de red y
contraseña dentro del código, de lo contrario el sensor y
la tarjeta no podrán realizar su tarea de forma efectiva.
Finalmente, el sistema implementado es ilustrado en
Figura 2.
Figura 1. Esquemático del sistema diseñado.
Figura 2. Conexiones y montaje utilizado.
4. Caso de estudio y equipos
Ahora bien, en cuanto al montaje final para el sistema,
se puso el sistema acuapónico dentro de una pecera de
vidrio. Esta poseía la cama acuapónica en la parte
superior (a forma de tapa con el fin de que los peces no
saltaran fuera del tanque). Por último, se añadió el sensor
diseñado en un costado para que este pudiera hacer
correctas mediciones sin la perturbación de las
vibraciones causadas por el bombeo del agua a la cama
acuapónica. El montaje final fue el que se muestra
dentro de la Figura 3. Es importante decir que los
equipos utilizados para poder llegar a este montaje final
fueron:
- Sensor HC-SR04.
- Jumpers.
- NodeMcu.
- Roca volcánica.
- Peces carpa (5 cm).
- Contenedor (7 L).
- Tanque de peces (59 L).
- Agua (60 L).
- Manguera de 1/8 “.
- Semillas de menta.
- PC con Windows.
28
- Arduino (software).
- Protoboard.
- Cable micro USB.
Es importante tener en cuenta que estos sistemas pueden
variar sin ningún problema (haciendo referencia a su
tamaño, temperatura, ph, caudal y el resto de las
variables del problema); es decir, sin importar que
tamaño posea el sistema acuapónico o las bombas que se
utilicen, el sensor podrá operar de manera perfecta. Lo
anterior debido a que este sensor se puede configurar
para que la respuesta sea mucho más rápida o lenta según
lo deseado. Esto genera una ventaja para el sistema ya
que el sistema no funciona solo en cierto tipo de sistemas
restringidos, por el contrario, puede operar dentro de
cualquier sistema que se desee. De todas maneras, si es
importante decir que el sistema debe ser recalibrado (por
medio de cambios dentro del código que restablecerán
los limites funcionales del control on-off, cambiando la
ecuación de altura y la red y contraseña a utilizar) cada
vez que se dé una implementación dentro de un sistema
diferente pues esto garantizara un mejor funcionamiento
del sistema, dando mejores resultados.
5. Resultados
En cuanto a los resultados del montaje experimental
concierne, se llega a resultados que permiten generar un
modelamiento para la solución al problema. Lo primero que
se llevó a cabo dentro del montaje fue la caracterización de lo
que una falla por taponamiento dentro del sistema
representaría, por lo cual se empezó la medición en un periodo
bastante largo de tiempo registrando los datos de lo que
pasaba en el tanque a lo largo de una semana con la ayuda del
servidor. Por esta razón se generó la gráfica en Figura 4, que
representa la altura que alcanzó el nivel del agua a medida
que los días avanzaban. Es pertinente decir que parte de los
datos fueron omitidos pues a partir de las 66 horas de toma de
datos el comportamiento del tanque no varía y se mantiene
totalmente estable.
Como se puede evidenciar, la Figura 4 permite ver que
el tanque posee un nivel de altura de agua totalmente
estable hasta la hora 52. Es en este momento donde se
puede ver que existe un cambio de altura, pues la bomba
se ve totalmente obstruida por las impurezas que se
encuentran dentro del agua en este punto de operación
del sistema. Es importante decir que la variación del
sistema se da en cuestión de minutos, y es por esta razón
que dentro de Figura 4 el cambio se ve representado
como un escalón y no se ve como una tendencia de
puntos.
Figura 4. Montaje final (banco experimental).
El siguiente punto a tener en cuenta fue la
caracterización en tiempo real de la falla de la bomba
(por medio de ensayos experimentales que garantizaban
el taponamiento de la bomba, lo cual se garantizaba
Figura 3. Montaje final (banco experimental).
29
mediante el uso inmediato de los input para generar
outputs tal como en el caso de real time processing ).
Esto se hizo con el fin de entender de manera correcta
cuanto tiempo es necesario para que la bomba deje de
bombear de manera total. Como será posible ver en los
Figura 5 y 6, la bomba se tapó e inmediatamente la falla
genera el desnivel total del fluido de trabajo en cuestión
de dos minutos. Por esto se decidió realizar dos tipos de
experimentos para poder entender el funcionamiento del
sistema. El primero fue una falla simulada donde se
apagó la bomba para ver cuánto tiempo tomaba el
sistema en perder todo el fluido y de esta manera hacer
que el nivel llegara a lo que se denominó como “nivel de
falla” (altura critica del fluido dentro del tanque de
peces). El segundo experimento si consistió en dejar el
tanque en su funcionamiento normal con la bomba
limpia, pero esta vez poniendo atención solo en el
momento en que se empiezan a notar variaciones
importantes dentro del nivel de fluido del sistema. Los
resultados se presentan a continuación.
Figura 5. Caracterización del tanque en ambiente simulado.
Figura 6. Caracterización experimental de la falla de la
bomba.
Con esto en mente, se pudo ver que el sensor ya estaba
funcionando de manera correcta y que el
comportamiento del tanque ya se podía entender
(cuando el sistema era estable y cuando la bomba
fallaba), teniendo en cuenta la altura actual del nivel de
agua. Como el propósito era que a su vez el operario
pueda monitorear el sistema sin necesitad de andar junto
al acuapónico se llegó a la conclusión de que la mejor
forma de poder hacer esto sería con un sistema en la
nube. Lo que se hizo fue generar por medio del host
Firebase [6] un código que en tiempo real va guardando
cada 2 segundos la altura de agua del sistema, y con esto
reportar en un gráfico en tiempo real el nivel de altura
de agua en el sistema. Se planteo el sistema como un
control “on-off” donde el programa analiza la condición
del sistema según la altura de agua actual. Para este caso
se pusieron alturas entre 7 y 9 cm (distancia actual al
sensor). ¿Por qué solo este rango? Porque se
establecieron como los rangos de estabilidad y falla de
la bomba. Dentro del código del sistema se decidió que
el sistema solo tome valores por debajo de 13
centímetros, pues hay ocasiones donde el sensor genera
resultados fuera de lugar y es mejor que la base de datos
los omita. El resultado del sistema planteado es posible
evidenciarlo dentro de la Figura 7, donde la curva en
tiempo real puede ser evidenciada.
Es posible darse cuenta del estado de la bomba
actualmente, en caso de que esta pasara a un escenario
de falla lo que pasaría seria que el estado pasa de normal
a un estado denominado “Alarma”, tal y como se puede
ver en Figura 7. Como se habló previamente el sistema
se puede adecuar a cualquier tipo de sistema donde se
quiera ver implementado, donde la única variación que
debe realizarse serán los rangos de operación deseados.
El último paso dentro de la secuencia de pasos seria
entonces el aviso al operario. Como se dijo lo que se
busco fue un método donde el aviso fuera practico y se
viera dentro del día a día de cualquier persona. Por esto
se pensó en que un celular inteligente está al alcance de
todo el mundo y el internet también, así que un envío de
notificación por medio de correo sería la forma más
simple de garantizar que esto se daría de la forma
sencilla posible. El código para el correo permite variar
los siguientes parámetros para el correo:
1. Asunto del correo.
2. Dirección de correo de donde se envía.
3. Dirección de correo a donde se desea enviar.
4. Contenido dentro del correo.
El resultado final del correo previamente descrito se
puede ver en la Figura 8, donde se envió un correo sin
asunto y con un cuerpo de 4 líneas.
El sistema se dejó corriendo por el mismo periodo de
una semana, y se dejó el sensor conectado. El sistema
probó funcionar a la perfección. Además, como se puede
ver dentro del código se generó un contador, el cual solo
toma la falla como única; es decir, una vez el sistema
detecta falla este envía un solo correo. Lo anterior es
importante debido a que de otra manera el sistema
enviaría un correo por cada lectura, generando una
30
cantidad irracional de correos dentro del mail receptor,
generando una posible molestia para la persona a cargo
del correo donde llega la información de la falla.
Por último, es importante decir que una de las grandes
ventajas es que este sistema puede enviar correos sin
importar el host del receptor. Se puede utilizar Gmail,
Outlook, Yahoo etc. Se habla de esto como una ventaja
debido a que hoy en día la mayoría de estos poseen
demasiadas restricciones haciendo que placas como el
NodeMcu posea varias restricciones a la hora de querer
enviar un correo a cualquier dirección de correo.
Figura 8. Correo de prueba en la bandeja de entrada.
6. Conclusiones
El modulo implementado es así caracterizado por la
siguientes caracteristicas:
- El modulo es capaz de detectar fallas por
taponamiento en un sistema acuapónico.
- Debido al tamaño del dispositivo, se considera
que el sistema diseñado es portátil.
- No existe restricción en cuanto a servidores
para el envío y recepción de correos.
- El modulo posee restricción de necesidad de
fuente de potencia que alimente
constantemente al sensor, en caso de no tener
fuente, este se vuelve totalmente inoperante.
En futuro se quiere implementar el módulo presentado
en diferentes sistemas acuapónicos de la universidad
para evaluar su funcionamiento en el tiempo.
ok
Referencias
[1] R. Yu y J. Liu, «Failure analysis of centrifugal
pump impeller,» Engineering Failure Analysis, vol. 92,
nº , pp. 343-349, 2018.
[2] M. Moglia, K. Gan, N. Delbridge, A. K.
Sharma y G. Tjandraatmadja, «Investigation of pump
and pump switch failures in rainwater harvesting
systems,» Journal of Hydrology, vol. 538, pp. 208-215,
2016.
[3] «Tutorial de Arduino y sensor ultrasónico HC-
SR04,» [En línea]. Available:
https://naylampmechatronics.com/blog/10_Tutorial-de-
Arduino-y-sensor-ultras%C3%B3nico-HC-S.html.
[Último acceso: 18 Junio 2019].
[4] «How to Send an SMTP Email using ESP8266
NodeMCU,» [En línea]. Available:
https://iotdesignpro.com/projects/how-to-send-smtp-
email-using-esp8266-nodemcu. [Último acceso: 18
Junio 2019].
[5] «firebase-arduino,» [En línea]. Available:
https://github.com/FirebaseExtended/firebase-arduino.
[Último acceso: 18 Junio 2019].
Figura 7. Valores reportados en tiempo real de la altura del agua dentro del tanque.
31
[6] Google, «Firebase,» [En línea]. Available:
https://firebase.google.com/. [Último acceso: 18 Junio
2019].
Anexos
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <FirebaseArduino.h>
#include <FirebaseError.h>
#define WIFI_SSID "PabloPelaez"
#define WIFI_PASSWORD "Nomelase"
#define FIREBASE_HOST "sensor-de-altura-
acuaponia.firebaseio.com"
#define FIREBASE_AUTH
"hubG7Tg4XvgIplnSHQK7wd8mZQgf5Lta1nW2gaGp"
#define echoPin D3
#define triggerPin D4
char server[] = "mail.smtp2go.com"; // The SMTP Server
boolean correoEnviado = false;
WiFiClient espClient;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
pinMode(echoPin,INPUT);
pinMode(triggerPin,OUTPUT);
/* Conexión WIFI */
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
// connect to wifi.
WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
Serial.print("connecting");
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
Serial.print(".");
delay(500);
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // turn the LED
on (HIGH is the voltage level)
delay(100); // wait for a second
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // turn the LED
off by making the voltage LOW
delay(100);
}
Serial.println();
Serial.print("connected: ");
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
Serial.println(WiFi.localIP());
/* Conexión con Firebase */
Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH);
}
void loop()
{
float distancia = ping(triggerPin,echoPin);
if(distancia>7 && distancia<13){
/* Registra en Firebase los valores */
Firebase.setFloat("/Estacion1/distancia", distancia);
Serial.print("Funcionamiento correcto de la bomba,
altura en tiempo real: ");
Serial.println(distancia);
if(distancia<9){
Serial.print("Alerta! La bomba se tapo.");
Firebase.setBool("/Estacion1/tempAlarm", true);
if(correoEnviado==false ){
/*Envío email*/
byte ret = sendEmail();
correoEnviado = true;
}
}else{
Firebase.setBool("/Estacion1/tempAlarm", false);
correoEnviado = false;
}
StaticJsonBuffer<200> jsonBuffer1;
JsonObject& root1 = jsonBuffer1.createObject();
JsonObject& time1 =
root1.createNestedObject("timestamp");
root1["distancia"] = distancia;
time1[".sv"] = "timestamp";
// append a new value
String name1 = Firebase.push("/Estacion1/historial",
root1);
if (Firebase.failed()) {
Serial.print("Firebase conection failed:");
Serial.println(Firebase.error());
return;
}
}
delay(1500);
}
/*FUNCION DE LECTURA SENSOR PROXIMIDAD*/
float ping(int triggerPin,int echoPin){
float duration, distance;
digitalWrite(triggerPin,LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(triggerPin,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(triggerPin,LOW);
duration = pulseIn(echoPin,HIGH);
distance = duration*0.0343/2.0;
delay(100);
return distance;
}
/*FUNCIONES DE EMAIL*/
byte emailResp(){
byte responseCode;
byte readByte;
int loopCount = 0;
while (!espClient.available()){
delay(1);
loopCount++;
if (loopCount > 20000){
espClient.stop();
Serial.println(F("\r\nTimeout"));
return 0;
}
}
responseCode = espClient.peek();
while (espClient.available()){
readByte = espClient.read();
Serial.write(readByte);
}
if(responseCode >= '4'){
return 0;
}
return 1;
32
}
byte sendEmail(){
if (espClient.connect(server, 2525) == 1){
Serial.println(F("connected"));
}else{
Serial.println(F("connection failed"));
return 0;
}
if (!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending EHLO"));
espClient.println("EHLO www.example.com");
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending auth login"));
espClient.println("AUTH LOGIN");
if (!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending User"));
espClient.println("YXBlbGFlenB1ZW50ZXMyM0BnbWFpb
C5jb20="); // Your encoded Username
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending Password"));
espClient.println("WjNKbWNUaG9ibmRoZVdrdw==");//
Your encoded Password
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending From"));
espClient.println(F("MAIL From:
[email protected]")); // Enter Sender Mail Id
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending To"));
espClient.println(F("RCPT To:
[email protected]")); // Enter Receiver Mail Id
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending DATA"));
espClient.println(F("DATA"));
if(!emailResp())
return 0;
Serial.println(F("Sending email"));
espClient.println(F("To: [email protected]"));
// Enter Receiver Mail Id
// change to your address
espClient.println(F("From:
[email protected]")); // Enter Sender Mail Id
espClient.println(F("Ensayo de mail de falla"));
espClient.println(F("La bomba se ha tapado!"));
espClient.println(F("Por favor acuda de inmediato a asistir
el acuaponico."));
espClient.println(F("Cordialmente, equipo de
acuaponia."));
//
espClient.println(F("."));
if(!emailResp())
return 0;
//
Serial.println(F("Sending QUIT"));
espClient.println(F("QUIT"));
if(!emailResp())
return 0;
//
espClient.stop();
Serial.println(F("disconnected"));
return 1;
}
33
2046. ANÁLISIS DE RECURSOS ONLINE APLICADOS A ACTIVIDADES COLABORATIVAS EN
DOCENCIA DE GRADOS DE INGENIERÍA
ANALYSIS OF ONLINE RESOURCES APPLIED TO COLLABORATIVE ACTIVITIES IN
TEACHING ENGINEERING DEGREES
Emilio Velasco-Sánchez1, Héctor Campello-Vicente2, Ramón Peral-Orts3, David Valiente-García4,
Nuria Campillo-Davó5, Óscar Cuadrado-Sempere6
1Departamento de Ing. Mecánica y Energía, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected]
2Departamento de Ing. Mecánica y Energía, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected] 3Departamento de Ing. Mecánica y Energía, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected]
4Departamento de Ing. de Sistemas y Automática, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected] 5Departamento de Ing. Mecánica y Energía, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected] 6Departamento de Ing. Mecánica y Energía, Universidad Miguel Hernández de Elche, España. Email: [email protected]
Resumen
En el campo de la ingeniería, la enseñanza se basa generalmente en la aplicación de los conceptos teóricos a la resolución
de problemas. Para ello existen diferentes metodologías según el tipo de habilidad que se espera que los estudiantes
adquieran. Una de las metodologías de enseñanza más utilizadas al realizar sesiones prácticas, enfocada en la resolución
de ejercicios, es el trabajo en grupo. Los estudiantes se dividen en pequeños grupos con la intención de establecer una
discusión productiva sobre la actividad por medio de un trabajo colaborativo. Esto ayuda a los estudiantes a obtener una
solución de consenso para la actividad propuesta, que también contribuye a su propio aprendizaje activo y mejorado. Este
tipo de actividades generalmente implica un verdadero desafío para los profesores cuando está diseñado para realizarse
online, sin presencia física de los estudiantes. Se han desarrollado algunas herramientas para lograr este objetivo
fácilmente, pero su impacto real en los estudiantes aún no se ha validado. Para comparar la efectividad de los grupos de
trabajo virtuales, se realizaron simultáneamente actividades en grupos de trabajo online y en persona. El diseño de los
grupos online se ha realizado utilizando las herramientas disponibles en Google Suite. Una vez concluidas las actividades,
se encuestó a los estudiantes sobre la metodología de aprendizaje (adquisición de habilidades y satisfacción) y se tomaron
algunos resultados numéricos como retroalimentación. Como conclusión, se detectaron algunas deficiencias para el
enfoque de trabajo en grupo virtual, mostrando puntos de mejora potenciales para las herramientas online.
Palabras clave: docencia on-line, trabajo en grupo, innovación docente, Google Suite.
Abstract
In the field of engineering, teaching is generally based on the explanation of theoretical concepts applied to exercises,
which can be tackled by using different methodologies, depending on the type of skill that students are expected to acquire.
One of the most widely used teaching methodologies when conducting practical sessions, focused on exercise resolution,
is group work. During those sessions, students are divided into small groups with the intention of establishing a productive
discussion on the activity by means of a collaborative work. This helps students obtain a consensus solution to the
proposed activity, which also contributes to their own active and enhanced learning. This type of activities usually really
implies a challenge for lecturers when it is designed to be conducted on-line, or through a blended approach. Some tools
have been developed to achieve this objective easily, but their real impact in the students have not been proved yet. To
compare the effectiveness of virtual group work activities, some activities were designed and performed simultaneously
of on-line and face-to-face work groups. The design of the on-line groups has been devised by using the set of tools
available in Google Suite. Once the activities were carried out, students were asked about the learning methodology (skills
acquisition and satisfaction) and some numerical results were taken as feedback. As a conclusion, some shortcomings
were detected for the virtual group work approach, showing potential improvement points for the on-line tools.
Keywords: on-line teaching, work groups, innovation, Google Suite
34
1. Introducción
La lección magistral ha sido la metodología más
utilizada para la enseñanza de la educación superior en
las últimas décadas. Esa metodología tiene beneficios,
pero también diferentes desventajas sobre todo las
relacionadas con la pérdida de atención de los
estudiantes. La pérdida de concentración durante una
sesión de lección clásica ha sido ampliamente estudiada
[1,2]. Estudios demuestran que los estudiantes pierden
su atención después de 50 minutos. Ese hecho implica
que se pierde mucha información con el método clásico,
que generalmente conlleva una reducción de la
motivación y un empeoramiento de los resultados de
aprendizaje, y conduce a resultados deficientes en las
pruebas de evaluación.
Figura 1. Atención durante las clases.
Sin embargo, el enfoque de enseñanza basado
exclusivamente en la lección magistral no se usa con
frecuencia y, especialmente en los grados técnicos, el
proceso de aprendizaje generalmente se enfoca hacia un
enfoque mixto donde las lecciones tradicionales se
complementan con sesiones de actividades prácticas. El
trabajo en grupo es una metodología muy utilizada
durante las sesiones prácticas, donde los estudiantes
normalmente se dividen en grupos pequeños. El trabajo
de colaboración desarrollado durante dichas sesiones es
muy beneficioso para su aprendizaje activo y mejorado.
En este trabajo se presenta un enfoque de enseñanza
mixta para complementar las sesiones de clases
tradicionales en titulaciones relacionadas con la
Ingeniería Mecánica. Para ello, se ha promovido una
plataforma on-line, basada en las herramientas
disponibles en Google Suite [3]. La implementación de
dicha plataforma ha permitido la creación de un marco
comparativo en el que se evalúa el desempeño de los
grupos de trabajo on-line y los grupos de trabajo
presenciales. El objetivo de la presente investigación es
analizar la experiencia de los estudiantes y la efectividad
en el aprendizaje cuando se utiliza el enfoque de trabajo
en grupo virtual frente al trabajo en grupo tradicional
cara a cara.
2. Metodología empleada.
El enfoque docente de enseñanza mixta desarrollado
durante este trabajo se basa en Google Suite, que
proporciona diferentes herramientas para la
colaboración on-line. Una vez que se analizaron todas
las herramientas, se decidió utilizar las aplicaciones
Google Classroom, Google Groups y Google Hangouts.
Google Classroom proporcionó la plataforma donde se
cargó el material de enseñanza empleado durante el
curso. Los estudiantes siguieron la estructura del curso
utilizando esa herramienta, cuya interfaz es similar a una
interfaz de red social y pueden escribir comentarios
sobre cada publicación. Además, se utilizó Google
Classroom durante el desarrollo de las sesiones
prácticas, para descargar y consultar el material de
enseñanza relacionado con esas sesiones.
Los estudiantes se dividieron en grupos de trabajo
tradicionales, cara a cara, y grupos de trabajo on-line
durante las diferentes sesiones prácticas. Todos estos
grupos realizaron la misma prueba práctica
simultáneamente durante cada sesión,
independientemente de su sistema de trabajo (vis a vis u
on-line). La comunicación entre los miembros de los
grupos de trabajo on-line se llevó a cabo mediante dos
aplicaciones diferentes: Grupos de Google y Google
Hangouts.
Los Grupos de Google, que proporcionan una
plataforma para crear foros de discusión, se utilizaron
con la intención de aproximar el trabajo durante la sesión
práctica a un sistema de comunicación regular en las
empresas, a través del correo electrónico. Por el
contrario, Google Hangouts es una aplicación para
mensajería instantánea que se usó para escribir mensajes
directos entre los estudiantes de cada grupo, por medio
de un chat común en vivo.
35
El trabajo realizado durante el presente proyecto se
distribuyó en 4 sesiones prácticas. Previamente se
realizó una sesión de toma de contacto para que los
estudiantes estuvieran familiarizados con las
aplicaciones de Google mencionadas anteriormente. Un
total de 40 alumnos participaron en el proyecto. Los
estudiantes que participaron eran de segundo curso, de
la asignatura “Teoría de Máquinas”, de dos títulos
diferentes: Grado en Ingeniería Eléctrica y Grado en
Ingeniería Electrónica y Automatización Industrial,
ambos de la Universidad Miguel Hernández de Elche,
España. Se organizaron en 10 grupos de trabajo (4
estudiantes por grupo de trabajo), en una distribución
aleatoria para crear grupos lo más heterogéneos y
colaborativos posible. Durante cada sesión práctica, los
estudiantes tuvieron que resolver un ejercicio
relacionado con un tema de Teoría de Máquinas, en el
que se estudian los principios de la cinemática y
dinámica de máquinas y mecanismos.
Durante las 2 primeras sesiones prácticas, 5 grupos de
trabajo utilizaron el canal de comunicación cara a cara
tradicional para la relación entre los miembros del
grupo, mientras que los otros 5 grupos utilizaron la
aplicación de correo electrónico Grupos de Google.
Durante las siguientes 2 sesiones prácticas, 5 grupos de
trabajo utilizaron nuevamente el sistema de trabajo cara
a cara, mientras que los otros 5 grupos utilizaron la
aplicación de chat Google Hangouts. Los estudiantes en
cada grupo de trabajo cambiaron de práctica, con el
objetivo de comparar resultados entre los diferentes
tipos de trabajo.
3. Resultados.
Los resultados de este proyecto se dividen en dos
categorías diferentes: resultados cualitativos y
cuantitativos. Por un lado, los resultados cualitativos
evaluaron elementos como el tiempo dedicado a realizar
la sesión práctica y las habilidades de comunicación de
los estudiantes. Por otro lado, los resultados
cuantitativos miden elementos como las puntuaciones de
los ejercicios resueltos durante la práctica.
Con respecto al tiempo empleado y las habilidades de
comunicación, ambos elementos dependen del tipo de
ejercicio planificado. En la figura 3 se presentan los
resultados donde se puede apreciar las diferencias de
tiempo empleado para realizar actividades entre los
grupos de trabajo on-line y cara a cara. El trabajo on-line
necesita más tiempo para llegar a los mismos resultados
que el trabajo cara a cara, entre 12 y 17 minútos más
respecto a los 60 minutos en el trabajo cara a cara. Es
decir, en torno a 25% más de tiempo. El trabajo on-line
es claramente menos productivo.
Como regla general, durante el desarrollo de la actvidad,
se observó que los estudiantes no compartieron sus ideas
o conocimientos con los otros miembros de su grupo,
enfocaron su atención en hacer el ejercicio solo (o con
un compañero) y luego compartieron los resultados con
el equipo (cuatro personas).
Esta actitud se ha detectado en mayor medida en el
trabajo on-line, donde los estudiantes sólo mostraron su
resultado final. Los estudiantes no compartían dudas,
debatían o planteaban explicaciones de los ejercicios
durante la realización de los mismo. El trabajo en grupo
resultó deficiente y difuso. Este problema es general. Si
bien, la falta de capacidad para el trabajo en grupo se ve
más acentuada si el trabajo se realiza on-line.
Figura 2. Momentos durante el desarrollo de las actividades.
36
Por otro lado, era habitual que apareciera alguna
discusión o explicación entre los estudiantes en grupos
cara a cara una vez que se resolviera el ejercicio, al
finalizar la actividad, pero rara vez aparecía antes o
durante la actividad. Parece ser que los estudiantes
tuvieron más dificultades para explicar y debatir los
detalles de su trabajo, durante esta etapa de la práctica.
La mayoría de los estudiantes conocían los conceptos
teóricos y en caso de duda preferían consultar sus
apuntes que preguntar o compartir la duda con sus
compañeros. En las sesiones on-line tuvieron bastantes
dificultades para compartirlos en un sistema escrito.
Independientemente de que sea un chat o un correo
electrónico, los estudiantes no eran capaces de expresar
por escrito las dudas y plantear los debates o discusiones
con las herramientas on-line, perdiendo parte de la
información sobre el trabajo y reduciendo los beneficios
de trabajar en grupo. En la definición de las
competencias de las asignaturas y de la titulación suele
aparecer la “capacidad o habilidad para trabajar en
grupo”. Sin duda es preciso trabajar, como profesores,
esta competencia para que los estudiantes adquieran o
consigan este objetivo al finalizar el Grado.
Los resultados cuantitativos del proyecto aparecen como
se esperaba, es decir, las calificaciones de la prueba son
mejores cuando los estudiantes trabajaron cara a cara
que cuando trabajaron utilizando una metodología on-
line. Sin embargo, esta diferencia no es muy
significativa si se amplía el tiempo de trabajo on-line. Se
constata la menor productividad o aprovechamiento del
tiempo en el trabajo en grupo on-line de nuevo, que
repercute en la calificación del ejercicio.
La Fig. 4 muestra la calificación media de las
actividades propuestas, completadas por los estudiantes
durante el proyecto. Los estudiantes que trabajaron en
grupos cara a cara (fila 1, Fig. 4) presentan mejores
puntuaciones. En promedio, en el trabajo cara a cara se
supera el 8 sobre 10, pero en el trabajo on-line no se llega
al 6. Estas diferencias muestran una perdida de eficacia
de los estudiantes que trabajaron en grupos on-line.
Si analizamos las diferencias asociadas a trabajar con
Google Groups (fila 3, Fig. 4) o con Google Hangouts
(fila 3, Fig. 4), se observa que la herramienta Google
Groups presenta peores resultados. La razón por la cual
estos resultados son peores podría derivarse de las
dificultades de comunicación que pueden surgir durante
el desarrollo de la práctica, ya que los estudiantes
normalmente no utilizan este tipo de herramienta de
comunicación como herramienta de trabajo, pero
sorprende pues están muy habituados a usarlas en las
relaciones sociales.
Además, al trabajar con Google Hangouts (aplicación de
chat), los estudiantes obtuvieron calificaciones
promedio que superaron el 6 sobre 10. Esta mejora
puede deberse al hecho de que los estudiantes tienen una
mejor relación con las aplicaciones de chat en la vida
cotidiana y, por ese motivo, las puntuaciones de estas
Figura 3. Tiempo medio empleado en 4 ejercicios prácticos.
37
actividades son mejores que las relacionadas con la
aplicación de correo electrónico. La mensajería
instantánea es más parecida a la relación directa cara a
cara y por tanto, mejora la eficacia.
Además de los resultados que se muestran en la figura 4,
los estudiantes completaron un formulario de
satisfacción al final del proyecto. Revelaron sus
impresiones sobre las lecciones y las actividades
planificadas, así como su motivación y actitud hacia el
proyecto. Sus respuestas se registraron utilizando la
escala de Likert [3]. El general la actividad fue muy bien
acogida por todos los estudiantes, mostraron más interés
por la asignatura y nos anima a seguir trabajando en esta
línea. Los estudiantes invirtieron más horas de trabajo y
estudio que se tradujo en mejores resultados finales de
la asignatura.
4. Conclusiones
Una vez finalizado el proyecto y analizados sus
resultados, fue posible extraer diferentes conclusiones
sobre la experiencia educativa. El enfoque de enseñanza
mixta basado en las aplicaciones de Google Suite se
desarrolló para comparar los resultados y la posibilidad
de utilizar actividades on-line durante un curso regular.
Como resultado, este enfoque de enseñanza fue útil para
que los alumnos siguieron las sesiones durante el curso.
Los resultados finales de estos estudiantes fueron
mejores, si bien no podemos extraer conclusiones a este
respecto, puesto que había un sesgo claro. Los
estudiantes que mostraban mayor interés por el
aprendizaje fueron los que se apuntaron a participar en
el proyecto. Este hecho en sí podría determinar las
mejores calificaciones finales de este grupo.
Sin embargo, se detectaron algunas deficiencias en las
habilidades de comunicación entre los estudiantes. El
resultado mostró que no siempre es apropiado utilizar
métodos on-line y, según el tipo de ejercicio, las
dificultades podrían ser mayores y los estudiantes
podrían perder información durante la comunicación
entre ellos. Posiblemente es preciso diseñar la actividad
de forma diferente si se pretende que trabajen en grupo
on-line.
La falta de interacción entre los estudiantes dentro del
trabajo en grupo es particularmente notable, ya que no
comparten ideas o conocimientos antes de comenzar, y
los estudiantes trabajaron individualmente en las
actividades, poniendo en común el resultado final. El
proceso seguido de forma general en el grupo de trabajo,
ha consistido en que una vez puesto en común los
resultados, procedían a comparar impresiones o explicar
preguntas, pero no a compartir ideas antes y durante el
trabajo. En general, si queremos conseguir la
competencia de capacidad de trabajo en grupo,
consideramos necesario programar actividades de forma
transversal entre diferentes asignaturas para que los
estudiantes consigan esta capacidad al finalizar el
Grado.
Figura 4. Puntuación media obtenida en 4 ejercicios prácticos.
38
Independientemente de estas impresiones y al centrar la
atención en el objetivo de este estudio, resulta que es
posible utilizar aplicaciones en línea para actividades de
colaboración, pero requiere tiempo adicional para
completar la tarea. Los estudiantes necesitaron más
tiempo para llegar a las soluciones, y cuando tenían el
mismo tiempo para los sistemas de comunicación on-
line y cara a cara, los resultados fueron alrededor de un
30-35% peores en comparación con los grupos cara a
cara. Esta clara diferencia puede ser debida a la falta de
entrenamiento o costumbre en el manejo de las
herramientas on-line. O bien que no es igual de eficaz
esta metodología frente a la tradicional.
Este estudio ha analizado el rendimiento de un grupo
heterogéneo de participantes en temas comunes
relacionados con la mecánica en los grados de ingeniería
de ámbito industrial, pero no de Ingeniería Mecánica
propiamente dicha. A pesar de que los resultados sólo
evaluaron elementos particulares del proceso de
aprendizaje, la intención es extender este estudio durante
varios años académicos, a fin de obtener resultados
consistentes y resultados sólidos. Para ese fin, se planea
extender y adaptar este trabajo a otras asignaturas
estándar en títulos de ingeniería, en diferentes cursos.
5. Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por la Universidad
Miguel Hernández de Elche y los autores desean
agradecer al Programa de Innovación Educativa PIEU-
UMH 2018/05 por el apoyo brindado.
6. Referencias
[1] J. Hartley, I.K. Davies, “Note taking: A critical
Review,” Programmed learning and Educational
Technology, vol. 15, No. 3, pp. 207–224. 1978.
[2] G. Gibbs, “Lecturing to more students,” Oxford:
Oxonian Rewley Press, 1992.
[3] E. F. Gehringer, W. T. Cross, “A suite of Google
services for daily course evaluation,” IEEE Frontiers in
Education Conference (FIE), 2010.
[4] B. Sathyendra, R. Ragesh, B. Athokpam , D. Rio,
“Leveraging E-Learning through Google Classroom: A
Usability Study,” Leveraging E-Learning through
Google Classroom: A Usability Study, vol. 31 , no. 3,
2018.
[5] H. N. Boone, Jr. D. A. Boone, “Analyzing Likert
Data,” Journal Extension, vol. 50, no. 2, 2012.
39
2252. DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN GENERADOR DE OXÍGENO DE BAJO
COSTO PARA APLICACIONES DE ACUICULTURA EN PEQUEÑA ESCALA
DESIGN, SIMULATION AND IMPLEMENTATION OF A LOW-COST OXYGEN
GENERATOR FOR SMALL-SCALE AQUACULTURE APPLICATIONS
Ariel Capote Sánchez1, Giacomo Barbieri2, Gil Capote Rodriguez3
1 Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Colombia. Email: [email protected] 2 Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Colombia. Email: [email protected]
3 Departamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Colombia. Email: [email protected]
Resumen
La acuicultura es el sector alimentario de más rápido crecimiento en Colombia. En este sector se requiere controlar la
cantidad de oxígeno disuelto en el agua, para garantizar las funciones metabólicas del cultivo de peces. Actualmente, los
generadores de oxígeno están disponibles para aplicaciones a gran escala. Sin embargo, debido a sus costos, son poco
empleados en aplicaciones a pequeña escala. En este trabajo se diseña e implementa un generador de oxígeno para
aplicaciones a pequeña escala. El sistema fue fabricado con tuberías de acero inoxidable y accesorios hidráulicos. Para
caracterizar el flujo de salida fueron determinadas las concentraciones de oxígeno, presión y pérdidas de carga. Los
resultados indican que es posible obtener concentraciones de oxígeno superiores al 80% para presiones de entrada
superiores a 3 bar con una baja inversión, lo cual favorece su implementación por parte de pequeños agricultores.
Palabras clave: Acuicultura, peces, oxígeno, pureza, diseño.
Abstract
Aquaculture is the fastest growing food sector in Colombia. In this sector, it is necessary to control the amount of oxygen
dissolved in the water, in order to guarantee the metabolic functions of the fish culture. Currently, oxygen generators are
available for large-scale applications. However, due to their costs, they are little used in small-scale applications. In this
work an oxygen generator is designed and implemented for small scale applications. The system was manufactured with
stainless steel pipes and hydraulic accessories. To characterize the output flow, oxygen flows, pressure and load losses
were defined. The results indicate that it is possible to obtain oxygen results higher than 80% for input pressures higher
than 3 bars with a low investment, which favors its implementation by small farmers.
Keywords: Aquaculture, fish, oxygen, purity, design.
1. Introducción
En los últimos años la piscicultura se ha convertido en
una práctica de producción masiva utilizando tanques de
mayor tamaño y por lo tanto permitiendo establecer
poblaciones más numerosas. Estudios recientes
confirman que durante la fase de producción es
importante mantener niveles apropiados de oxígeno
disuelto en el agua con el fin de hacer más eficiente el
desarrollo y reproducción de los cultivos. En este
sentido, los concentradores o generadores de oxígeno
son una fuente económicamente sostenible para
piscicultores con acceso a un suministro eléctrico fiable
[1].
La obtención de oxígeno puede ser realizado por
diversos métodos, sin embargo, se destacan la
electrólisis del agua, la destilación del aire licuado y la
separación de gases por adsorción. En la electrólisis del
agua se genera una descomposición de los elementos
primarios al excitar los enlaces con una corriente
eléctrica [2,3]. La electrólisis permite la obtención de los
elementos hidrógeno y oxígeno en estado gaseoso en
proporción 2:1 en volumen, correspondiente a la
fracción estequiométrica de los elementos en la
molécula de agua (H2O). Por otro lado, la destilación de
aire licuado es un proceso termodinámico que permite la
separación de fases debido a las diferencias en los puntos
40
de ebullición entre el nitrógeno (78 K) y el oxígeno (90
K), principales constituyentes del aire [4].
El principio de la separación de gases por adsorción
indica que cuando un flujo interactúa con la superficie
de un material se generan fuerzas de atracción o
repulsión entre las moléculas del fluido y del material
sólido [5,6]. En la separación de gases por adsorción el
proceso más destacable es el de Adsorción por
Oscilación de Presión (PSA) en este proceso, a
diferencia de la Adsorción por Oscilación de
Temperatura, los cambios de presión en un proceso de
adsorción isotérmico permiten separar selectivamente
determinados componentes de una mezcla de gases. La
principal ventaja de este ciclo con respecto a otros es que
es más rápido permitiendo obtener mayores tasas de
flujo de salida.
En general, en el escalado de un proceso los costos de
operación son proporcionales a la tasa de flujo de salida.
Los procesos de separación de gases por adsorción
suelen presentar un comportamiento lineal, mientras que
otros como la destilación del aire licuado presentan un
comportamiento no lineal. Según Yang (1987), es
posible demostrar que los procesos de adsorción son
económicamente viables para aplicaciones de tasas de
flujo de salida bajas o moderadas. Por otro lado, los
procesos de destilación criogénicas se presentan como
una opción más viable para tasas de flujo de salida altas
[5].
El nivel de oxígeno disuelto en el agua es un factor
fundamental en la piscicultura influyendo en gran
medida en la actividad, metabolismo y reproducción de
los cultivos, por lo cual es de gran importancia mantener
niveles apropiados de oxígeno disuelto en el tanque.
La norma ISO 80601-2-69:2014 de Medical Electrical
Equipment indica los requisitos vigentes para
concentradores de oxígeno estacionarios. La actual
norma indica que el concentrador de oxígeno deberá ser
capaz de suministrar un flujo de salida continuo con
concentración superior al 82%. La concentración o
pureza del oxígeno de la mayoría de los concentradores
actuales producen entre 82% y 96% de fracción de
volumen [7].
En este trabajo se presenta el diseño y elaboración de un
prototipo de generación de oxígeno de alta pureza para
el tratamiento de aguas de piscicultura.
2. Parte experimental
2.1. Diseño conceptual
El proceso de generación de oxígeno fue dividido en
cinco etapas: compresión del aire, pre-tratamiento del
aire, separación por adsorción, almacenamiento del
oxígeno y distribución.
Compresión del aire: Se realizó mediante el uso de
compresores reciprocantes. Este tipo de compresor
permite aumentar la presión de un gas en un espacio
confinado mediante el uso de un pistón. El compresor
reciprocante consta de una válvula de admisión y otra de
descarga. Ambas válvulas se abren debido a
diferenciales de presión generados en el ciclo de
movimiento del pistón.
Pre-tratamiento del aire: Consistió en adecuar el flujo de
aire atmosférico previo a su entrada en las columnas de
adsorción, removiendo la humedad y realizando el
filtrado de partículas sólidas como el polvo. El proceso
de filtrado se realizó mediante la conjugación de filtros
de partículas sólidas y filtros coalescentes, lo cual
propicia la obtención de un caudal más refinado
permitiendo de esta manera aumentar la eficiencia del
proceso.
Separación del aire: Se realizó por medio de válvulas de
bola y de cortina localizadas a la entrada y la salida de
las columnas de absorción.
Almacenamiento del oxígeno: se realizó en un recipiente
a presión. Los elementos sometidos a presión deben
poseer válvulas de alivio de presión, estos elementos
preventivos disminuyen la posibilidad de accidentes en
caso de que la presión del tanque exceda la presión
admisible de seguridad.
Distribución del oxígeno: Se realizó mediante un
conducto de salida con una válvula dispuesta la cual
permite regular el caudal.
El proceso de generación de oxígeno fue implementado
de acuerdo al método de Adsorción por Oscilación de
Presión (PSA). La instrumentación empleada en el
diseño del sistema consistió en el uso de sensores
indicadores de presión, de caudal y de concentración de
oxígeno.
2.2. Diseño de ingeniería
Como material absorbente se seleccionó el empleo de la
zeolita de tipo 13X, la cual es ampliamente utilizada en
la purificación del oxígeno debido a su alta selectividad
con el nitrógeno [8]. Las propiedades de la zeolita
empleada son presentadas en la Tabla 1.
Tabla 1. Propiedades de la Zeolita 13X.
41
Especificación Valor
Tipo 13X
Tamiz 4x8
Diámetro (mm) 2,3 – 4,8
Desgaste (%peso) ≤ 0,1
Densidad (lb/ft3) 40 - 50
Resistencia mecánica (lbf) ≥ 18
Fuente: elaboración propia.
Para el diseño se optó por emplear columnas de
absorción de diámetro nominal igual a dos pulgadas,
construidas de acero inoxidable ASTM A-312 tipo 304L
[9]. Adicionalmente el diseño del dispositivo contempla
la utilización de tuberías de proceso y otros elementos
mecánicos tales como tapones de fin de línea y bujes de
acople [10].
El factor de seguridad, los esfuerzos principales y la
deformación presente en los elementos que componene
el dispositivo mecanico fueron obtenidos por medio de
una simulación numérica, realizada por medio de un
programa comercial de elementos finitos. Los resultados
del factor de seguridad obtanida or medio del modelo
numérico son presentados en la Figura 1.
Figura 1. Resultados del factor de seguridad de la
columna de adsorción. Fuente: elaboración propia.
Los resultados presentados en la Figura 1 muestran un
factor de seguridad mínimo 7,6 sobre el tapón de fin de
línea próximo a los bujes, mientras que para la tubería
de proceso y resto de elementos se encuentran factores
de aproximadamente 15. Por otro lado, en los tapones se
obtienen valores más bajos debido a que los agujeros
requeridos para la ubicación de los bujes se comportan
como concentradores de esfuerzo, sin embargo, este
factor es suficientemente alto para la aplicación
destinada.
En la Figura 2 se presenta los resultados obtenidos para
los esfuerzos de Von Mises. Estos esfuerzos se emplean
en la teoría de fallas de la energía de distorsión para
materiales dúctiles. En esta teoría se considera la energía
de distorsión en el volumen, la cual se representa en
función de los esfuerzos principales. Si estos esfuerzos
superan el esfuerzo de fluencia del material entonces se
producirá una falla. De los resultados presentados en la
Figura 2 se puede determinar que el esfuerzo máximo de
Von Mises es de 30 MPa, valor considerablemente
inferior al esfuerzo de fluencia del material, por lo tanto,
los resultados indican que no ocurrirá una falla mecánica
en el sistema.
Por otro lado, los resultados presentados en la Figura 3
indican que las deformaciones máximas presentes en la
estructura son despreciables y no representan riesgo para
la operación del dispositivo.
Figura 2. Esfuerzos principales. Fuente: elaboración
propia.
2.3. Manufactura
El proceso de manufactura del dispositivo se realizó en
el Laboratorio de Servicios de Manufactura (ML- 027)
de la Universidad de los Andes. El uso de sierra sinfín,
torno convencional, fresadora y estación de soldadura
TIG permitieron obtener la totalidad de las piezas
empleadas en este trabajo.
En primer lugar se manufacturaron las tuberías de las
columnas de adsorción, al disponer de una tubería de
proceso de un metro de longitud se realizó un corte con
la sierra sinfín en la sección media para obtener dos
columnas de dimensiones similares. Posteriormente, se
contrató el servicio de un taller externo para realizar las
roscas externas con diámetro nominal de dos pulgadas y
paso de rosca designado por la norma NPT para roscas
cónicas.
42
Figura 3. Deformaciones equivalentes. Fuente:
elaboración propia.
Se emplearon tapones de fin de linea comerciales por lo
cual no fue necesario realizar el roscado, sin embargo su
superficie superior era sólida y por lo tanto fue necesario
adecuarla para permitir el paso de los bujes a través de
ella. Con el uso de un torno convencional y una
fresadora se realizaron agujeros en las tapas de ambos
extremos de la columna de adsorción. En las Figuras 4 y
5 se muestran los tapones de fin de linea.
Figura 4. Tapón de fin de línea con agujero central.
Fuente: elaboración propia.
El proceso de soldadura de los bujes a los tapones se
realizó mediante la técnica de soldadura GTAW o TIG,
esta fue realizada sin material de aporte dado que un
electrodo de tungsteno produce un arco que logra unir
ambos componentes. Una vez que se obtuvieron los
cordones de soldadura se dejó reposar y se
inspeccionarón las soldaduras individualmente.
Posteriormente, se ensamblanrón las columnas de
adsorción. Las Figuras 6 y 7 muestran los cordones de
soldadura y el ensamble de las columnas de absorción.
Figura 5. Tapón de fin de línea con agujeros y bujes
insertados. Fuente: elaboración propia.
Figura 6. Cordones de soldadura de los bujes y tapones.
Fuente: elaboración propia.
Figura 7. Ensamble de las columnas de adsorción.
Fuente: elaboración propia.
Debido al tamaño de las partículas adsorbentes fue
necesario implementar un sistema de tamizaje grueso
que impidiera el paso de la zeolita al conducto de
válvulas del dispositivo, para esto se empleó una malla
de acero inóxidable comercial. La Figura 8 muestra el
sistema de tamizaje empleado.
43
Figura 8. Sistema de tamizaje en el interior de las
columnas de adsorción. Fuente: elaboración propia.
Una vez que las columnas cumplieron las características
necesarias para su apropiado funcionamiento se
prosiguió con insertar el material adsorbente en su
interior y garantizar que este se dispusiera de manera
compacta. Adicionalmente, se empleó teflón para
facilitar el roscado y aportar a la hermeticidad de las
columnas.
Finalmente, se realizó la conexión de los conductos de
entrada y salida el cual consta de tuberías de cobre
flexible, racores, tees y válvulas manuales. Este proceso
demandó el cálculo de las dimensiones y curvaturas
apropiadas para las tuberías de cobre, se emplearon
cortadores y dobladoras de tubería para obtener cada
segmento. La Figura 9 muestra el ensamblaje del
dispositivo.
Figura 9. Dispositivo ensamblado e instrumentado.
Fuente: elaboración propia.
2.4. Procedimiento experimental
Se realizaron ensayos de laboratorio con el fin de
conocer y caracterizar el funcionamiento del dispositivo.
Las metodologías empleadas se describen a
continuación:
2.4.1. Presión de entrada en función de la
concentración del oxígeno.
Este ensayo permitió conocer la incidencia de la presión
de entrada o de generación sobre el valor de
concentración de oxígeno. Para esto se reguló la presión
de entrada con la válvula de cortina 1 (VC1), se realizó
el experimento con presiones en el rango entre 0,5 y 7
bares.
Al establecer la presión de generación se realizaron
múltiples ciclos de generación con el fin de obtener
valores estadísticos de la concentración de oxígeno
obtenida. La concentración de oxígeno se obtuvo
mediante el uso del sensor de oxígeno. El uso de este
sensor requiere que se ubique en la opción de medición
hasta 100% y que el flujo de entrada sea menor o igual a
8 lpm, esto garantiza mediciones replicables y
disminuye las posibilidades de que el sensor se
descalibre.
2.4.2. Tiempo en función de la concentración del
oxígeno
Este ensayo permitió evaluar el comportamiento de la
concentración del oxígeno en función del tiempo
transcurrido. Para esto se reguló la presión de entrada
con la válvula de cortina 1 (VC1), se realizó el
experimento con presiones en el rango entre 0,5 y 7 bar.
Al establecer la presión de generación se monitoreó la
concentración de oxígeno tomando dichos valores cada
minuto durante un período de 15 minutos.
2.4.3. Presión de entrada en función del tiempo de
saturación
Por medio de este ensayo fue posible conocer los
tiempos de saturación de las columnas de adsorción.
Para esto se reguló la presión de entrada con la válvula
de cortina 1 (VC1), se realizó el experimento con
presiones en el rango entre 0,5 y 7 bar. Al establecer la
presión de generación se realizaron múltiples ciclos de
generación con el fin de obtener valores estadísticos, en
este experimento se monitorearon los cambios en la
concentración de oxígeno hasta que estos fueran
mayores al 10%. Con ayuda de un cronómetro digital se
registraron los tiempos en los cuales dichos valores de
concentración variaban considerablemente. Así mismo,
se registraron los flujos de salida máximos que
suministra el dispositivo.
2.4.4. Presión de entrada en función de las pérdidas
de presión
Este ensayo permitió determinar las pérdidas de presión
de dispositivo. Para esto se reguló la presión de entrada
con la válvula de cortina 1 (VC1), se realizó el
experimento con presiones en el rango entre 0,5 y 7 bar.
Al establecer la presión de generación se monitoreó la
presión de la columna de adsorción.
3. Resultados y discusión
3.1. Presión de entrada en función de la
concentración del oxígeno
44
Los resultados obtenidos indican que al aumentar la
presión de entrada se obtienen valores mayores de
concentración de oxígeno. Este comportamiento se
produce debido que a presiones más altas la zeolita es
capaz de adsorber mayor cantidad de nitrógeno, ver
Figura 10. Adicionalmente, es posible observar, que a
partir de una presión de 3 bar se obtienen flujos de salida
cuyas concentraciones de oxígeno son superiores al
80%.
Figura 10. Presión de entrada en función de la
concentración de oxígeno. Fuente: elaboración propia.
3.2. Tiempo en función de la concentración de
oxígeno
Los resultados presentados en la Figura 11 indican que
al iniciar el ciclo de generación la concentración de
oxígeno en el flujo es equivalente a la del aire, sin
embargo rápidamente este valor se incrementa y se
mantiene relativamente estable en el período de
monitoreo de 15 minutos. Es posible evidenciar que para
presiones comprendidas entre 3 y 7 bares los resultados
son similares y las pequeñas alteraciones producen que
los resultados se traslapen en múltiples ocasiones. A
partir de esto se puede analizar que no existen
diferencias considerables entre las operaciones en dicho
rango de presiones en cuanto a la pureza del producto
obtenido.
Adicionalmente, es posible distinguir que para la curva
de operación de 7 bares a partir del minuto catorce se
producen una rápida disminución de la concentración
del oxígeno, esta disminución está asociada con una
pérdida en la capacidad de adsorción del nitrógeno.
Figura 11. Tiempo en función de la concentración de
oxígeno. Fuente: elaboración propia.
3.3. Presión de entrada en función del tiempo de
saturación
Los resultados presentados en la Figura 12 indican que
al aumentar la presión de entrada o de generación se
obtienen menores tiempos de saturación de las columnas
de adsorción. Este comportamiento se produce debido
que a presiones más altas la zeolita es capaz de adsorber
mayor cantidad de nitrógeno en un mismo período de
tiempo, por lo tanto, la capacidad total de adsorción de
la columna se completa con mayor rapidez. A partir de
los resultados, es posible observar, que la operación del
dispositivo a bajas presiones puede permitir ciclos largos
de generación y regeneración. Por otro lado, la
operación a presiones altas demandará ciclos más cortos
y por lo tanto mayor asistencia del operador o sistema de
control. El flujo de salida en función de la presión de
operación es presentado en la Tabla 2.
Figura 12. Presión de entrada en función del tiempo de
saturación. Fuente: elaboración propia.
Tabla 2. Flujo de salida.
45
Presión de operación (bar) Flujo máximo (lpm)
0,5 13
1 18
2 20+
3 20+
4 20+
5 20+
6 20+
7 20+
Fuente: elaboración propia.
3.4. Presión de entrada en función de las pérdidas de
presión
Los resultados presentados en la Figura 13 indican que
al aumentar la presión de entrada o de generación se
obtienen mayores pérdidas de presión en las columnas
de adsorción. Este comportamiento se produce debido
que a presiones más altas el flujo posee mayor
turbulencia y por lo tanto aumenta la fricción con los
conductos y adsorbentes.
Tal y como se observa en la Figura 13, las pérdidas
registradas entre 1 y 4 bares son considerablemente
bajas y por lo tanto no generan ningún efecto
considerable en el proceso de generación de oxígeno.
Por otro lado, las pérdidas más altas pueden afectar la
capacidad de adsorción del nitrógeno al disminuir las
presiones parciales de los gases en el interior de las
columnas.
Figura 13. Presión de entrada en función de las pérdidas
de presión. Fuente: elaboración propia.
4. Conclusiones
En este trabajo se realizó el diseño de un dispositivo de
concentración de oxígeno para su aplicación en
actividades industriales tales como la piscicultura.
Siendo este un sector de importante crecimiento en
Colombia este trabajo aporta las bases del diseño de un
producto capaz de suministrar oxígeno de alta pureza. El
análisis desarrollado del proceso de concentración del
oxígeno mediante el ciclo de Adsorción por Oscilación
de Presión (PSA) identifica sus características
principales y brinda una explicación resumida y concreta
sobre los principales aspectos a tener en cuenta en el
desarrollo de futuros trabajos afines.
El diseño del dispositivo planteado en este trabajo logra
simplificar el proceso de manufactura con el ánimo de
hacerlo más accesible para campesinos y pequeños
empresarios colombianos. Por otra parte, se garantiza
que el dispositivo sea funcional y seguro para su
operación puesto que los cálculos basados en las normas
respectivas dan soporte a las decisiones ingenieriles
planteadas.
Los resultados presentados en este trabajo indican que el
dispositivo es capaz de obtener un producto de oxígeno
de alta pureza dentro de su rango de operación, así
mismo, se caracterizaron los parámetros de operación
más relevantes del dispositivo. Los diferentes métodos
de verificación permiten establecer que el dispositivo
cumple con todos los requerimientos de ingeniería
planteados.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad de los Andes por
el apoyo financiero que posibiitó la realización de este
trabajo.
6. Referencias
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2003. [PDF]. Disponible en:
https://archive.org/details/FundamentosDeQumicaRalp
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Disponible en: https://www.worldcat.org/title/gas-
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46
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[5] J. García, G. Peña, G. Soto, A. Mercado, O. Alatorre
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[6] Y. Yang, N. Burke, S. Ali, S. Huang, S. Lim y Y.
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Disponible en: https://doi.org/10.1039/C6RA25509D.
[7] Oxygen Plus Medical Systems Inc.”Industrial
Oxygen Generators”, 2015. Disponible en:
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[8] M. Mofarahi, E. Javadi. “Comparison of two
pressure swing adsorption processes for air separation
using zeolite 5A and zeolite 13X”. Petroleum and Coal,
vol. 55, pp. 216-225, 2013. Disponible en:
www.vurup.sk/petroleum-coal.
[9] The American Society of Mechanical Engineers,
Tuberías de proceso: Código ASME para tuberías a
presión, B31, New York: THE AMERICAN SOCIETY
OF MECHANICAL ENGINEERS, 2012.
[10] R. Budynas y J. Nisbeth. Diseño en ingeniería
mecánica de Shigley, 9 ed., México: McGraw Hill,
2012.
47
2255. EVALUACIÓN DEL PROCESO DE CORTE POR TROQUELADO EN LÁMINAS DELGADAS
DE ALUMINIO COMO PRÁCTICA DE TALLER DE PROCESOS DE MANUFACTURA
EVALUATION OF THE CUTTING PROCESS BY DIE-CUTTING IN THIN SHEETS OF
ALUMINUM AS A WORKSHOP PRACTICE OF MANUFACTURING PROCESSES
Zeferino Damián Noriega1, Víctor Alcántara Alza2, Francisco Beltrán Carbajal 3, Gilberto D. Álvarez Miranda 4,
Ernesto Montes Estrada 5
1,3-6 Sistemas Mecánicos de Frontera, Departamento de Energía, Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, México.
E-mail: 1 [email protected] 2 Departamento de Mecánica y Energía, Universidad Nacional de Trujillo, Perú.
E-mail: [email protected]
Resumen
Como práctica de laboratorio, en la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco - México, se realizó un
estudio sobre la calidad del proceso de troquelado en función de la holgura entre punzón y/matriz, y las alturas de rebabas
encontradas en el producto. Se utilizó una lámina de aluminio de 0,46 mm de espesor y dos punzones de 10.1 y 12.7 mm
de espesor con ángulo de filo de 1.5°. Se realizaron dos recortes por punzón en láminas, que correspondían al área
desarrollada de un tronco de cono. Se determinó la calidad de corte considerando la máxima altura de rebaba permisible
según norma NF E 81-010. Se encontró que las rebabas se concentran por zonas y la eficiencia de corte por troquelado se
encuentra entre 55 y 57.5 %. El espesor de la placa punzón (PP) para un mismo ángulo de filo influye en la rigidez de la
PP, así como el juego y holgura punzón/matriz, influyen directamente en la calidad del corte.
Palabras clave: Troquelado didáctico manual, rebabas de troquelado, holguras de troquelado, cizalladora de esquinas,
Abstract
In the Workshop course on Processes of Manufacture I, of Mechanical Engineering at the Autonomous Metropolitan
University - Mexico, a study on the quality of the die-cutting process, according to the punch / die clearance and the burr
heights found in the product was made. An aluminum sheet of 0.46 mm thickness and two punches of 10.1 and 12.7 mm
thickness with cutting edge angle of 1.25° were used. Two cuts by punch, in sheets that corresponded to the developed
area of a truncated cone were made. The cutting quality was determined considering the maximum permissible burr height
according to norm NF E 81-010. It was found that the burrs are concentrated by zones, and the efficiency of cutting by
die cutting is found: (55-57.5) %. The thickness of the punch plate (PP) for the same edge angle influences the stiffness
of the PP, as well as the play and clearance punch / matrix, directly influencing the quality of the cut.
Keywords: Manual didactic dies, die-cutting burrs, die-cutting clearances, corner shearing,
1. Introducción
Las prácticas de laboratorio en Ingeniería Mecánica,
tienen como objetivo principal, desarrollar habilidades
analíticas y experimentales mediante la observación y el
desarrollo de experimentos en sus diversas áreas, para
evaluar, diseñar y optimizar componentes o sistemas
mecánicos. Este propósito contempla lo siguiente: a) Las
prácticas realizadas deben provocar un impacto que este
dirigido al desarrollo tecnológico del país donde se
realiza; b) Las prácticas deben desarrollarse empleando
equipos adecuados, modernizados y bajo la supervisión
de profesores e instructores capacitados; c) Las prácticas
deben capacitar al alumno para ser un solucionador en
problemas ingenieriles, y fomentar el espíritu de
innovación.
En el presente trabajo se ha tomado como modelo de
prácticas, el estudio del troquelado de láminas
correspondiente al área de Procesos de Manufactura sin
arranque de virutas, en Ingeniería Mecánica.
Antes de iniciar una práctica de laboratorio como
cualquier otra, es necesario fundamentarla, tratando de
encuadrarla dentro de un marco científico-tecnológico;
Por lo tanto, se hace necesario invitar a los estudiantes a
la búsqueda de información y revisar los antecedentes
teóricos más resaltantes que estén estrictamente
relacionados con el tema de estudio.
48
Dentro de los procesos de troquelado, el corte por
punzonado es uno de los métodos de corte mecánico más
atractivos por su sencillez y bajo costo. En la industria,
los componentes de corte por punzonado están sujetos a
una amplia variedad de requisitos que permiten un
manejo seguro y un procesamiento posterior de los
componentes. Así tenemos los estudios de Hatanaka et
al. [1] y Takamura et al. [2] quienes investigaron el corte
con punzón/matriz de materiales metálicos y
presentaron las características del borde de las hojas
cortadas, que consistían en zonas de enrollado, bruñido,
fractura y rebabas. Por otro lado, diversos trabajos de
investigación han confirmado que las características de
los bordes cortados se ven afectados por las condiciones
de corte. Así, Klocke et al. [3] demostraron que una
holgura demasiado grande entre el punzón / matriz
causaba una mala calidad de los bordes cortados en
láminas delgadas de acero. Neugebauer et al. [4]
investigaron el efecto de la precarga lateral aplicada en
las características del borde en láminas de acero
sometidas a un proceso de cizallamiento. Z. Tekiner, M.
Nalbant et al, [5] realizaron un estudio experimental de
troquelado en chapas de aluminio delgadas, centrándose
en el efecto de las diferentes holguras punzón/ matriz, en
la formación de rebabas y fuerzas de corte, llegando a la
conclusión que las rebabas, la fuerza de cizallamiento
suave y la fuerza del punzón están fuertemente
relacionadas con el valor de la holgura punzón/matriz.
Uno de los defectos más resaltantes del proceso de
troquelado, es la formación de rebababas en los
productos terminados, por lo tanto, es de considerable
importancia esforzarse por reducir la formación de éstas,
para evitar el posterior desbarbado. En el entorno
industrial, esto se realiza actualmente en una etapa de
procesamiento posterior, como el desbarbado mecánico
[6, 7], el esmerilado por correa [8], el esmerilado por
deslizamiento [9], etc. La eliminación del material
debido a un proceso de corte conduce a una menor
precisión dimensional; y todas las técnicas mencionadas
anteriormente son de trabajo intensivo, aumentando los
tiempos y costos.
El presente estudio, de tipo teórico-práctico, tiene
como objetivo general, encontrar la relación que existe
entre la holgura punzón/matriz, con el tipo de rebabas
que se forman en el proceso de troquelado de láminas
delgadas de aluminio blando, bajo una carga constante y
manual.
El estudio se llevó a cabo dentro de las prácticas de
laboratorio de procesos de manufactura sin arranque de
viruta, de la Unidad de Enseñanza y Aprendizaje (UEA)
de Taller de Procesos de Manufactura I, de Ingeniería
Mecánica de la UAM-A, México.
2. Materiales y Métodos.
La práctica de laboratorio, motivo del presente informe,
consiste en manufacturar una plantilla curvada de aluminio
blando calibre 26 (Fig. 1), que es la superficie desarrollada
cono-truncada de la pantalla de una lámpara de escritorio
(Fig.2); siendo esta, el prototipo de un proyecto mayor
para producir lámparas de escritorio (Fig.2).
Figura 1. Contorno geométrico de la plantilla para el
formado de la pantalla.
Figura 2. Lámpara de escritorio mostrando la pantalla
manufacturada por troquelado por alumnos en el curso de
Taller de Procesos de Manufactura I.
Dentro del Proyecto conjunto, la parte que demanda
mayor tiempo de manufactura es la pantalla cónica,
hecha de lámina de aluminio calibre 26, diámetro
menor de 80 mm, 30° de conicidad y 130 mm de
generatriz.
Este trabajo expone el método de troquelado empleado
en la fase de fabricación de la superficie desarrollada de
la pantalla, donde se aplican las normas estandarizadas
con la finalidad que el formado posterior de la pantalla
quede exento de errores.
Las fases de manufactura tradicional después de
calcular las dimensiones de la plantilla son: 1. Cizallado
de lámina, 2. Trazado manual de las plantillas, 3.
Recorte manual de plantillas con tijeras, 4. Rebabado de
bordes, 5. Formado cónico manual con un mandril de
madera y, 6. Engargolado.
49
Para la manufactura esbelta de las fases 2, y3, se
diseñó un herramental para troquelado manual de la
plantilla y se adaptó a una cizalladora manual de
esquinas de 90°, ya que el cálculo preliminar de la fuerza
de corte requerida demostró que la operación de
recortado de la plantilla era posible efectuarla en dicha
cizalladora.
1.1. Dimensiones de la plantilla
Luego de aplicar las ecuaciones geométricas
correspondientes al cono-truncado, se determinaron las
dimensiones de la plantilla que se muestran en la Tabla
1.
Tabla 1. Dimensiones de la plantilla
Ri = 155.4 mm b = 421.9 mm d = 456.9 mm
Re = 290.4 mm c = 222.9 mm γ = 3.5536°
= 93.2° β = 1.7759°
1.2. Material de la placa - punzón.
Se fabricó de acero AISI D2; acero ledeburítico ~ 12%
de cromo aleado con vanadio y molibdeno. Posee
excelente prestación al corte, alta resistencia al desgaste
y tenacidad. Siendo un acero de corte de alto
rendimiento, y estable dimensionalmente, se utiliza para
cortes sensibles a la rotura, estampas, cuchillas de corte,
matrices de troquelado hasta de 6 mm, etc. Su
composición química se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2. Composición química de la plantilla-punzón
usada en el proceso: acero AISI D2 (% en peso). Ref. [10]
C Si Mn Cr Mo V
AISI
D2
1,55 0,35 0,35 11,80 0,85 0,85
1.3. Diseño de la placa-punzón.
La Fig.3 muestra el diseño de la placa punzón, de
espesor máximo de 10 mm y con un ángulo de afilado
de 1.25°. A la placa punzón se le incluyeron dos ranuras
de 12.7 mm de ancho y 1.5 mm de profundidad, para
fijar en ellas dos plaquitas prismáticas con las cuales se
sujeta al ariete móvil de la cizalladora.
En la Fig.4 se observa la placa - punzón terminada, con
sus dos plaquitas prismáticas en forma de escuadra a
90°, fijadas con tornillos. Se muestran los esquineros
recortados con un radio de 3.175 mm, necesarios para
evitar puntas agudas, que además son concentradores de
tensiones que con las fuerzas de impacto pueden
deteriorar la placa. Para el maquinado de la placa punzón
fue necesario utilizar una fresadora con control
numérico (CNC).
Figura 3. Contorno geométrico de la placa –punzón
mostrando las ranuras para alojar dos plaquitas prismáticas.
Figura 4. Placa- punzón terminado, listo para fijarse a la
cizalladora de esquinas.
En la Fig. 5 se muestran la placa-punzón y placa-matriz
montadas en la cizalladora de esquinas, listas para
ejecutar la operación de corte de la plantilla de lámina
de aluminio, cuyo contorno geométrico se muestra en la
Figura 1 anterior.
Figura 5. Placa - matriz y placa - punzón fijadas
al ariete móvil de la cizalladora de esquinas.
50
1.4. Fuerzas de corte.
La Figura 6 muestra como las fuerzas de corte (FS) en el
punzón se descomponen en una componente horizontal
(FH) y una componente vertical (FV). La fuerza de corte
genera una fuerza de reacción (FS’) en la matriz, la cual
también puede descomponerse en una componente
horizontal (FH’) y otra vertical (FV’). Las fuerzas
verticales (FV y FV’) comienzan desde el punzón y la
matriz, ocasionando esfuerzos de compresión durante el
proceso de corte en un área estrecha en la cara del
troquel o en la superficie de presión de la matriz. Puesto
que ya existe un deslizamiento del material en estas
posiciones, resultan fuerzas de fricción; estas fuerzas
son las responsables del desgaste de la matriz y el
punzón. Debido a la distancia l de las fuerzas verticales,
un momento M surge en la tira, la cual se mantiene en
equilibrio para los esfuerzos de doblado y las fuerzas
horizontales FH.
En la Figura 7 se observa la apariencia geométrica de
una superficie de corte por punzonado, mostrando sus
áreas características. La variación de los parámetros del
proceso de corte por punzonado afecta la condición de
la apariencia de la superficie de corte de muchas
maneras.
Con el primer impacto del elemento de corte activo
superior en la hoja, comienza una deformación elástica
del material, que se convierte en una deformación
plástica en el espacio entre los elementos activos de la
herramienta. En este momento, el rollover se crea en el
borde de la hoja cortada. La mayor penetración de la
lámina por el elemento activo de corte superior conduce
a una zona de pulido vertical del material. Esta área se
denomina cizallamiento limpio. Si la tensión de corte
supera la resistencia al corte máxima, se inicia una
fractura bajo un cierto ángulo, el llamado ángulo de
fractura. La propagación de grietas está orientada entre
la superficie lateral del elemento activo de corte superior
e inferior. Esta es la formación de la zona de fractura y
las rebabas en el extremo inferior de la hoja de metal.
Figura 6. Componentes de las fuerzas
presentes en el proceso de corte. [11]
Figura 7. Aspecto característico de la superficie de corte
por punzonado, según VDI 2906-2. Ref. [12].
La condición de tensión en la zona de corte está
afectando el inicio de la grieta y, por lo tanto, la
apariencia de la superficie de corte. La fuerza de corte
total se puede dividir en una horizontal y una vertical.
La iniciación de la fuerza vertical resultante no tiene
lugar directamente en el borde de corte, sino justo detrás
de él. Estas fuerzas se generan tanto en los elementos de
corte superiores como en los inferiores. Debido a esto,
se crea un par de torsión. Esto llevaría a que la hoja se
levantara durante el corte abierto, lo cual es impedido
por el soporte en blanco. Sobre la base de las fuerzas
verticales y el deslizamiento entre la superficie del
elemento activo de corte superior y la lámina, se produce
fricción que genera calor. El componente de fuerza
horizontal genera una acción transversal y fuerza el
punzón. Este efecto es más intensivo para procesos de
corte con ángulos de corte aumentados. [13]
3. Resultados
2.1. Altura de rebabas en el borde de las láminas.
En la Tabla 3 se muestran las mediciones de la altura de
la rebabas resultante después de recortar una placa de
aluminio con un espesor de 0.46 mm. Para los ensayos
se utilizaron dos punzones distintos, y con cada uno se
recortaron dos plantillas. En cada una de ellas se
realizaron 10 mediciones en diferentes puntos sobre la
periferia, tanto en el arco superior (Re) como en el arco
inferior (Ri).
Para evaluar la eficiencia del troquelado en función
de la altura de rebabas, se pueden mencionar dos
estándares que recomiendan la altura máxima
permisible: las normas DIN 9830 (estándar alemán) y
NF E81-010 (estándar francés).
51
Alturas de rebabas permisibles según normas.
Ambas normas clasifican las alturas de rebabas
aceptables en relación con el espesor del material de la
pieza y la resistencia a la tracción. En este estudio se ha
considerado la norma Francesa NF E81-010, mostrada
en la Tabla 4.
Considerando que la resistencia a la cizalla del
material de ensayo es de 60 N/mm2 (60 MPa) y el
espesor de la lámina de ensayo de 0.46 mm, la Tabla 4
indica que se debe tomar como altura máxima
permisible: 8x10-2 mm (0,08 mm).
La Figura 8 muestra las alturas de rebabas
encontradas utilizando el punzón (1). En la muestra A se
observa que en 6 puntos del arco superior las rebabas
están dentro de la altura permisible, lo que equivale al
60% de eficiencia de corte en esa zona; pero en el arco
inferior se encuentran solo 4 puntos dentro de control
(40% eficiencia).
Punzón 1 Altura de la rebaba después del proceso de cizallado (mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Muestra
A
Arco superior 0.09 0.08 0.07 0.35 0.01 0.01 0.02 0.06 0.30 0.42
Arco inferior 0.12 0.10 0.15 0.14 0.18 0.09 0.13 0.04 0.03 0.04
Muestra
B
Arco superior 0.13 0.17 0.09 0.07 0.08 0.08 0.06 0.03
0.50 0.54
Arco inferior 0.15 0.15 0.09 0.07 0.05 0.08 0.05 0.05 0.06 0.02
Punzón 2 Altura de la rebaba después del proceso de cizallado (mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Muestra
A
Arco superior 0.28 0.28 0.51 0.41 0.69 0.38 0.34 0.18 0.18 0.57
Arco inferior 0.44 0.33 0.35 0.38 0.39 0.28 0.44 0.18 0.15 0.14
Muestra
B
Arco superior 0.20 0.06 0.05 0.03 0.08 0.05 0.07 0.06 0.04 0.49
Arco inferior 0.71 0.77 0.52 0.24 0.62 0.23 0.18 0.05 0.14 0.37
Punzón 1……∡afilado =1.25° espesor máx = 10.1 mm
Punzón 2……∡afilado =1.25° espesor máx = 12.7 mm
Tabla 3. Altura de la rebaba resultante después de cizallar una chapa de aluminio curva de espesor 0,46 mm,
utilizando punzones del mismo ángulo de afilado, y diferentes espesores.
Tabla 4. Altura máxima permisible de rebabas en función del espesor de chapa (t) y la resistencia mecánica
(𝑹𝒎), para procesos de troquelado, según norma: NF E 81-010, (unidades de rebaba: 10-2 mm).
(Unidad de rebaba: 10-2 mm)
52
Figura 8. Gráficas que muestran la altura de rebabas
en dos plantillas de lámina de aluminio de 0.46 mm de
espesor, recortadas con el punzón (1). A.P = Altura
permitida de acuerdo a la norma NF E 81-010
Tabla 5. Eficiencia de corte en función de la altura de
las rebabas encontradas en los ensayos de troquelado.
Punzón 1
eficiencia
parcial
eficiencia
Promedio
Muestra
A
Arco superior 60 % 50 %
Arco inferior 40 %
Muestra
B
Arco superior 60 % 65 %
Arco inferior 70 %
Punzón 2 eficiencia
parcial
eficiencia
Promedio
Muestra
A
Arco superior 70 % 40 %
Arco inferior 10 %
Muestra
B
Arco superior 80 %
50 %
Arco inferior 20 %
Figura 9. Gráficas que muestra la altura de rebabas en
dos plantillas de lámina de aluminio de 0.46 mm de
espesor, recortadas con el punzón (2). A.P = Altura
permitida de acuerdo a la norma NF E 81-010
El control de las rebabas y desbarbado es un tema
importante para los industriales e ingenieros. En las
piezas de chapa metálica, las rebabas son habituales,
pero después de un límite específico toman una forma de
defecto. Por lo tanto, controlar este defecto es también
un problema de calidad [14]. En el proceso de corte, el
material en exceso llamado rebabas se produce en la
dirección opuesta al flujo de material. En estudios
anteriores, se ha informado que la altura de las rebabas
es menor en los materiales blandos que en los materiales
duros. Este fenómeno aumenta en importancia cuando
los materiales blandos y dúctiles, como las aleaciones de
aluminio, son troquelados. Por lo tanto, las rebabas que
se producirán en el producto deben estar dentro de los
límites aceptables [15], tal como se informa en la Tabla
4.
2.2. Holgura placa-punzón /matriz.
Según Hambli [16], las holguras de hasta el 10% son
adecuadas para minimizar las fuerzas de cizallamiento;
de lo contrario, es conveniente contar con holguras de
53
hasta el 5% porque el ángulo de fractura y la profundidad
desarrollados en la región de corte se minimizan. Por lo
tanto, la holgura punzón /matriz debe oscilar en el rango:
(5- 10%) del espesor de lámina, y teniendo en cuenta el
espesor de nuestra lámina (0,46 mm); el punzón y la
matriz fueron fabricadas con dimensiones precisas y
adecuadas, de tal manera que en el ensamble presentan
holguras dentro del rango: (0,023-0,046) mm.
Según Husson et al. [17], la holgura entre el punzón
y matriz tiene una influencia significativa en la calidad
del proceso y se debe controlar para minimizar la
aparición de rebabas; es decir, se debe seleccionar el
valor de holgura óptimo. Esta cantidad varía,
dependiendo del espesor de la lámina y las propiedades
mecánicas del material [18-19]. En caso de que el valor
de la holgura esté por encima del valor óptimo, se tendrá
un aumento en la formación de rebabas en el producto
final [18]. En todo caso, se establece como regla general,
que la altura máxima de rebaba aceptable para un
troquelado de metal sea igual al 10% del espesor de la
lámina metálica.
2.3. Relación holgura – altura de rebabas.
La holgura medida entre la placa-punzón/matriz,
utilizada en la práctica de troquelado, se encontró dentro
del rango: (0,03-0,06) mm. Si esta holgura la
comparamos con la holgura (0,023-0,046) mm
recomendada por la ref. [16], se justifica el hecho de que
en los extremos de los arcos se tengan valores más altos
de rebabas, además de encontrarse en varios casos fuera
de lo permisible, según la norma NF E 81-010, lo que
indica un corte sin calidad en esta zona.
El caso más favorable para este proceso lo
encontramos graficado en la figura 8b), donde se
observa que ambos arcos muestran buena calidad en la
parte central, con excepción de los extremos. Por otro
lado en la Fig. 9a) y 9b) se observa una buena calidad de
corte en el arco superior más no en el inferior.
Si se toma como eficiencia de corte la relación:
[cantidad de rebabas dentro de la norma / cantidad total
en una longitud dada], de la Tabla 5 se puede inferir que
la máxima eficiencia de corte (80%), la encontramos
utilizando el punzón (2) en el corte del arco superior de
la lámina; y la mínima eficiencia (10%) se encuentra en
el arco inferior usando el mismo punzón.
Lo anterior demuestra que se ha producido un
desajuste en la holgura, al momento de producir el corte,
que se puede deber a diversos factores: ajuste incorrecto
del troquel, errores de diseño, o errores de operación
durante el proceso. En todo caso si se observa la pieza
en conjunto; se tiene una eficiencia promedio de 57.5%
utilizando el punzón (1), y de 55% utilizando el punzón
(2).
Conclusiones
De los resultados de las prácticas de troquelado
ejecutadas en el curso de Taller de Procesos de
Manufactura I (sin arranque de viruta), se derivan las
siguientes conclusiones:
La eficiencia de corte por troquelado en láminas de
aluminio de 0,46 mm de espesor, calibre 26, utilizando
una placa-punzón de acero endurecido, varía en el rango:
(55-57,5) %.
Las alturas de las rebabas determinan la calidad del
proceso y dependen directamente de la holgura que
exista entre la placa-punzón y la placa-matriz.
El espesor y ángulo del punzón, también influyen en
la calidad del corte. Un objetivo importante que debe
perseguir todo proceso de corte o de conformado es,
determinar el parámetro de calidad del proceso, de
manera que los resultados se ajusten a las normas
académicas y/o industriales.
Es recomendable que antes de iniciar una práctica de
troquelado, se deben verificar los ajustes de las
máquinas de troquelar, y verificar el desgaste del punzón
y matriz, para evitar el juego excesivo. En caso de que
el valor del juego esté por encima del valor óptimo, se
provocará un aumento en la formación de rebabas en el
producto, disminuyendo la eficiencia de corte.
Se debe centrar el punzón en la matriz para que la
holgura entre ellos sea uniforme en todo el contorno y
así la altura de las rebabas sea constante.
Se observó que las rebabas se sitúan del lado del
punzón, es decir, en la parte superior de la plantilla.
Referencias
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55
2313. DESENVOLVIMENTO DE FOTOGRAFIAS TÁTEIS UTILIZANDO AS TÉCNICAS DE
ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA PARA PESSOAS PORTADORAS DE
DEFICIÊNCIA VISUAL
DEVELOPMENT OF TACTILE PHOTOGRAPHS USING THE TECHNIQUES OF REVERSE
ENGINEERING AND ADDITIVE MANUFACTURING FOR PEOPLE WITH VISUAL
IMPAIRMENT
Marcelo Augusto dos Santos1, Ruís Camargo Tokimatsu 2, Luzia Aparecida Dias Lima 3
1Depto. de Design de Interiores, Universidade de Rio Verde - UniRV, Brasil. E-mail: [email protected]
2Depto. de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filo”, Brasil. E-mail: [email protected] 3Escola Centro de Ensino Especial, Brasil. E-mail: [email protected]
Resumo
Nos dias atuais, a inclusão de pessoas com deficiência visual nas Escolas, Universidades ou na Sociedade como um todo,
tem sido um assunto muito discutido. Conforme a Organização Mundial de Saúde, existem aproximadamente 39 milhões
de cegos no mundo e outros 246 milhões sofrem de baixa visão. O objetivo desta pesquisa é proporcionar a pessoas
portadoras de deficiência visual, a percepção de compreender com seu tato, os detalhes de imagens de ambientes, faces
de rostos, quadros famosos e ilustrações que aprenderam nas escolas ou ouviram de pessoas que através de palavras
tentaram passar essas emoções. Através desta pesquisa, foi possível digitalizar imagens através da técnica de Engenharia
Reversa e imprimi-las tridimensionalmente pela tecnologia de Manufatura Aditiva para que pessoas portadoras de
deficiência visual, conseguissem sentir com seu tato, detalhes nunca vistos.
Palavras chave: deficiência visual; inclusão; prototipagem rápida; digitalização 3D.
Abstract
In the present day, the inclusion of people with visual impairment in Schools, Universities or in the Society as a whole
has been a subject much discussed. According to the World Health Organization, there are approximately 39 million blind
people in the world and another 246 million suffer from low vision. The purpose of this research is to provide visually
impaired people with the perception of understanding with their touch the details of images of environments, faces of
faces, famous pictures and illustrations they have learned in schools or heard from people who through words have tried
to pass these emotions. Through this research, it was possible to digitize images through the technique of Reverse
Engineering and to print them three-dimensional by the technology of Additive Manufacturing so that people with visual
impairment could feel with their touch, details never seen before.
Keywords: visual impairment; inclusion; rapid prototyping; 3D scanning
56
1. Introdução
De acordo com a Organização Mundial de Saúde – OMS
em 2013, 246 milhões de pessoas sofrem de baixa visão
e aproximadamente outras 39 milhões de pessoas são
cegas. Cada vez mais, a inclusão de pessoas com
deficiência visual nas Escolas, Universidades ou na
Sociedade como um todo, tem sido um assunto muito
discutido na atualidade. O Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística – IBGE, divulgou no Censo de
2010, que em 45.606.048 de brasileiros, 23,9% da
população total têm algum tipo de deficiência, sendo que
18,60% possuem algum tipo de deficiência visual.
Mediante a estes dados, trazer a estas pessoas deficientes
visuais mais conforto, dignidade, inclusão, socialização
e qualidade de vida é uma conquista. O objetivo desta
pesquisa é proporcionar as pessoas com deficiência
visual, a percepção de compreender com seu tato,
ilustrações, objetos, pinturas de autores famosos que
aprenderam nas escolas ou ouviram de colegas através
de palavras, detalhes que tentavam passar emoções.
Utilizando a Engenharia Reversa para digitalizar um
rosto e imprimir pela Manufatura Aditiva, irá permitir ao
deficiente visual perceber com o tato, a riqueza dos
detalhes de um rosto.
1.1. Deficiência Visual
A deficiência visual compreende na perda total ou
parcial da visão. Quando a pessoa possui deficiência
com 100% de perda na visão, considera-se uma pessoa
cega e quando existe a perda parcial da visão é
determinada uma deficiência de baixa visão. A baixa
visão pode ser causada por enfermidades, disfunção do
sistema visual, enfermidades e traumas que diminuem o
campo visual, dificulta a visão de perto quanto a de
longe, na percepção de cores, entre outras alterações
visuais. A baixa visão corresponde a acuidade visual ou
capacidade visual de cada olhos ser entre 0,3 e 0,05 no
olho que possui a melhor visão. Também pode
considerar uma pessoa com baixa visão quando a
medida do campo visual em ambos os olhos for igual ou
menor que 60 grau [1].
1.2. Engenharia Reversa
A Engenharia Reversa permite reduzir o ciclo de
produção na criação de um produto. Esta tecnologia é
capaz de reconstruir um objeto já existente e transformá-
lo em um modelo tridimensional utilizando um processo
de varredura de pontos. A coleta desses pontos podem
ser feitos através de métodos por contato ou sem contato
[2] [3]. O processo de Engenharia Reversa passa por três
etapas sendo: digitalização, processamento de pontos e
a construção de malhas da face do objeto tridimensional.
1.3. Manufatura Aditiva
A Manufatura Aditiva é um processo de fabricação por
meio de adição de material sucessivas por camadas, que
utiliza um modelo tridimensional computacional do
componente [4]. A fabricação por camadas permite uma
facilidade na sua automatização, que por sua vez,
diminui processos de operadores consideravelmente na
produção de um produto. A Manufatura Aditiva baseada
na extrusão de material é denominada Modelagem por
Fusão e Deposição – FDM [4].
1.4. Método(s), metodologia
Todos os processos desenvolvidos nesta metodologia serão
feitos em um Notebook da Marca Dell, modelo Inspiron
15R 7520 SpecialEdition. Esta máquina possui tela FullHD
(1080p) de 15,6”, seu processador é Intel® Core™ i7 -
3612QM CPU @ 2.10GHz - 3 Geração dos Processadores
Intel. Sua memória é de 8gb, e seu HD possui 1Terabyte de
armazenamento, sua placa de vídeo é dedicada AMD
Handeon HD7730M com 2048Mb. O sistema Operacional
é Windows 10 PRO, conforme Figura 1.
Figura 1. Imagem Notebook Dell. Fonte: Dell.
Para a digitalização tridimensional do perfil a ser criado
virtualmente será utilizado o aparelho Kinect One
desenvolvido pela empresa Microsoft Corporation. Esta
técnica é conhecida como Engenharia Reversa tempo de
voo, ilustrado na Figura 2.
Figura 2. Imagem Kinect One. Fonte: Microsoft Corporation.
57
O programa a ser utilizados para o processamento dos
pontos e a conversão para o modelo virtual será o
KScan3D 1.2 64 bits, versão livre, conforme Figura 3.
Figura 3. Interface do programa KScan 3D. Fonte:
Elaboração própria.
Os ajustes no modelo virtual como recorte e separações
das partes a serem impressas tridimensionalmente serão
realizadas no programa 3D Builder versão 16.1.1431.0
desenvolvido pela Microsoft Corporation, ilustrado na
Figura 4.
Figura 4. Interface do programa 3D Builder. Fonte:
Elaboração própria.
Para fazer o fatiamento do modelo tridimensional e gerar
o arquivo em tecnologias de Controle Numérico
Computadorizado – CNC denominada como gcode.
Para fabricar na impressora 3D será utilizado o
programa livre Repetir-Host V2.1.3, conforme Figura 5.
Figura 5. Interface do programa de fatiamento Repetier-Host.
Fonte: Elaboração própria.
Para Manufatura Aditiva do modelo físico tátil, será
utilizado uma impressora 3D Prusa I3 que possui a
técnica de fabricação por camadas utilizando um
material sólido em formato de filamento conhecida
como Fusão e Deposição de Materiais – FDM, conforme
ilustrado na Figura 6.
Figura 6. Impressora 3D Prusa I3. Fonte: Elaboração própria.
O Filamento a ser utilizado é de Poli (ácido-lático) –
PLA no padrão preto, que por sua vez é um material
biodegradável ao meio ambiente com espessura de 1,75
mm de diâmetro. O ponto de fusão é de 220°C que é
aquecido através de um bico extrusor para depois ser
depositado em uma mesa aquecida a 60°C para manter
o objeto fixo até o término de sua produção.
1.5. Resultados
Através do dispositivo Kinect One, com auxílio do
programa KScan 3D foi possível capturar uma nuvem de
pontos do perfil escolhido para a criação do modelo
virtual. O modelo definido ficou imóvel em um banco e
com o dispositivo Kinect One fixado em um suporte com
três pés para manter ele em uma altura e nível adequado
para a coleta, foram digitalizado um total de 40 posições
do modelo buscando um giro de 360° em torno do
modelo de modo que todo o perfil fosse capturado,
iniciando na face frontal, passando pela lateral direita,
posterior, lateral esquerda e por fim, retornando a região
inicial. A Figura 7, ilustra a malha triangulada dos
pontos capturados pelo Kinect One e alinhadas pelo
KScan 3D.
Figura 7. Digitalização tridimensional feita pela técnica tempo de voo.
Fonte: Elaboração própria.
58
O próximo passo foi utilizar o programa para alinhar
todas as faces criadas através da nuvem de pontos
capturada e depois eliminar os artefatos indesejáveis que
o dispositivo captura. Por fim, realizou as combinação
de todas as superfícies digitalizadas para criação do
modelo virtual final, buscando incluir nas malhas
trianguladas textura e relevos, conforme Figura 8.
Figura 8. Junção das malhas digitalizadas e exportação para
um modelo tridimensional. Fonte: Elaboração própria.
Como estudo, é possível verificar na Figura 9, os
detalhes do modelo virtual finalizado à esquerda com o
modelo apenas digitalizado e alinhado as malhas
trianguladas à direita. É possível ver que os resultados
da textura e superfície são mais perfeitas e com o aspecto
visual mais detalhados.
Figura 9. Comparação do modelo finalizado à esquerda com
triangulação de malhas digitalizadas do modelo à direita.
Fonte: Elaboração própria.
Depois do modelo virtual ser criado pelo programa
KScan 3D, o protótipo é exportado para uma linguagem
que os programa de modelagem possam fazer os ajustes
finais e modelar conforme o necessário, estas extensão
exportadas podem ser em *.obj, *stl, *ply, entre outros
que diversos programas aceitam. Neste projeto ele foi
exportado em extensão *.obj e utilizado o programa 3D
Builder para modelagem final. Neste programa foi
dividido e separado apenas a parte superior do modelo.
A Figura 10 ilustra a separação da parte que será
manufaturada pela impressora 3D.
Figura 10. Definição e separação da região que será
manufaturada na Impressora 3D. Fonte: Elaboração própria.
Após a definição da parte que será impressa na
impressora 3D, o arquivo foi salvo e aberto
posteriormente no programa Repetier-Host para criação
do código numérico para iniciar a impressão. Este
programa é responsável pelo fatiamento do modelo em
diversas camadas e criação de suportes para auxiliar na
impressão de partes suspensas. A Figura 11, ilustra o
modelo aberto e já fatiado pelo programa estando pronto
para ser fabricado pela impressora 3D.
Figura 11. Importação do modelo tridimensional e fatiamento
do modelos em camadas. Fonte: Elaboração própria.
Desta forma, após o gcode ser criado e salvo, é
importado na impressora através de um cartão de
memória e assim, é possível iniciar a fabricação em 3D
do modelo. A Figura 12 ilustra o protótipo sendo
produzido pela técnica FDM pelo filamento PLA preto.
Esta técnica utiliza um filamento sólido que é extrusado
por um bico a uma temperatura de 220°C e depositado
sobre uma mesa de trabalho já aquecida a 60°C. Esta
mesa se movimenta nos eixos Y, e o bico extrusor se
movimenta nos eixos X e Z. O filamento é depositado
em formato de camadas finas configuradas a 0,1 µm de
espessura sobre a mesa aquecida e vai depositando
camada por camada até que o objeto virtual modelado
seja construído. O objeto foi configurado com densidade
0%, ou seja, apenas foi construído o perímetro externo
do objeto, desta forma ele ficou com a parte interna oca.
É possível analisar na Figura 12 o perímetro sendo
fabricado e seu interno vazio.
59
Figura 12. Impressora 3D fabricando modelo físico através
da tecnologia Manufatura Aditiva. Fonte: Elaboração própria.
Como resultado final, o modelo virtual fatiado foi
totalmente construído. Por fim, é necessário após a
impressão fazer a remoção do modelo fabricado da mesa
de trabalho da impressora 3D e retirar os suportes que
serviram de auxílio para a construção das partes
suspensas. A Figura 13 ilustra o fim da impressão 3D
pela técnica Manufatura Aditiva.
Figura 13. Modelo impresso pela técnica de Manufatura
Aditiva. Fonte: Elaboração própria.
A Figura 14 mostra como ficou o resultado final do
modelo fabricado pela impressora 3D depois de passar
pelo pós-processamento para remoção dos suportes e
rebarbas que a impressora produz.
Figura 14. Impressão 3D finalizada. Fonte: Elaboração
própria.
1.6. Conclusão
Utilizando a técnica de Engenharia Reversa tempo de
voo para digitalizar o perfil de um rosto escolhido e a
Manufatura Aditiva para fabricar esse perfil
digitalizado, foi possível desenvolver
tridimensionalmente através de imagens, uma fotografia
tátil para que a pessoa portadora de deficiência visual
possa tocar, e sentir os detalhes de uma face, que por sua
vez, seria impossível em uma fotografia bidimensional
demonstrar. Este tipo de tecnologia abre caminhos para
novas pesquisas para o desenvolvimento de objetos
digitalizados e manufaturados para auxiliar na inclusão
do deficiente visual como materiais pedagógicos,
impressão de quadros táteis de autores famosos, mapas
táteis, entre outros.
2. Referencias
[1] C. A. Domingues, et al. "A Educação Especial na
Perspectiva da Inclusão Escolar: os alunos com deficiência
visual: baixa visão e cegueira." A educação especial na
perspectiva da inclusão escolar: os alunos com deficiência
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aplicações da impressão 3D”. Editora Blucher, 2017.
60
2335. PROYECTO COLABORATIVO PARA EL ANÁLISIS CINEMÁTICO Y DINÁMICO DE
MOTORES ALTERNATIVOS MEDIANTE HOJAS DE CÁLCULO
COLLABORATIVE PROJECT FOR THE KINEMATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF
INTERNAL COMBUSTION ENGINES USING EXCEL
Miguel Pleguezuelos González1, Miryam B. Sánchez Sánchez1, José Ignacio Pedrero Moya1, Eduardo Gómez1
1Departamento de Mecánica. Universidad Nacional de Educación a Distancia - UNED, España.
Email: [email protected] / [email protected] / [email protected] / [email protected]
Resumen
En el presente artículo se explica el desarrollo de una aplicación en Excel que permite abordar el análisis cinemático y
dinámico de cualquier mecanismo manivela-corredera mono o multicilíndrico. En función de la curva de presión en el
pistón se obtienen gráficas, para cualquier posición de la manivela, de todas las variables cinemáticas y dinámicas del
problema y se plantea el diseño de los volantes de inercia necesarios para el equilibrado del sistema. Se analiza el motor
en función de las características geométricas y sus condiciones de funcionamiento con el objetivo de su optimización
desde el punto de vista mecánico y de respuesta. Todo este conjunto de tareas forma parte del aprendizaje y sirve de apoyo
en la tarea docente de asignaturas de Análisis y Diseño de Máquinas en la Escuela de Ingenieros Industriales de la UNED.
Palabras clave: formación, síntesis y análisis de mecanismos.
Abstract
In the present article the development of an application in Excel is explained that allows to approach the kinematic and
dynamic analysis of any single or multi-cylinder crank-slide mechanism. Depending on the pressure curve in the piston,
graphs are obtained, for any position of the crank, of all the kinematic and dynamic variables of the problem. Also the
design of the necessary flywheels for the balancing of the elements is considered. The engine is analyzed according to the
geometrical characteristics and its operating conditions with the aim of optimizing them from mechanical and motor
response points of view. All this set of tasks is part of the learning and serves as support in the teaching task of the subjects
of kinematics and dynamics of machines at the school of industrial engineers of the UNED.
Keywords: collaborative learning, kinematics and dynamics of machines.
1. Introducción
Los estudios de ingeniería mecánica incluyen numerosas
materias en las que es necesario realizar cálculos para
determinar las magnitudes físicas que caracterizan el
comportamiento de un material en condiciones de
servicio. Para cálculos estáticos se determina
principalmente las tensiones y deformaciones a las que
está sometido un cuerpo y cuando se analiza la respuesta
dinámica de un sistema calcularemos las variaciones
temporales de las fuerzas, velocidades y aceleraciones a
las que están sometidos sus elementos. Si el estudio
incluye un análisis a fatiga habrá que aplicar modelos de
fallo en los que, además de consideraciones de
geometría y características del material, intervienen la
temperatura de operación y el tipo e historia de carga.
Comparar unos valores característicos de
funcionamiento con unos de referencia, que no han de
superarse, constituye el proceso habitual de cálculo. En
el proceso de diseño mecánico se parte de unos objetivos
a cumplir, normalmente limitados por criterios de coste,
volumen o masa, durabilidad, facilidad de construcción
y/o reparación, etc. a pesar de los cuales el ingeniero
dispone de unos rangos de geometría y materiales a
emplear [1]. Partiendo de un diseño inicial, la etapa de
optimización requiere una reiterada repetición del
proceso de cálculo en base a criterios de decisión [2].
En el ámbito del diseño de mecanismos cabe citar el
mecanismo de manivela-corredera, que tiene múltiples
usos y aplicaciones, en cualquiera de sus cuatro
inversiones, principalmente en motores de combustión
interna, compresores y bombas. En este artículo se
explica el desarrollo de una aplicación en Excel para
61
estudiar el análisis cinemático y dinámico de este
mecanismo. Dicha aplicación será realizada por los
estudiantes tras el estudio de la teoría correspondiente y
del cálculo de algunos ejemplos mediante técnicas
tradicionales (“papel, lápiz y calculadora”).
2. Metodología. Desarrollo de la aplicación
El cálculo de la cinemática y dinámica de un mecanismo
de cuatro barras se resuelve sin más que aplicar las Leyes
de Newton y su base matemática no excede los
conceptos fundamentales de la trigonometría, de la
geometría de masas y del cálculo diferencial elemental.
Además de la geometría de los eslabones y de las fuerzas
y momentos exteriores aplicados al sistema, el dato
habitual son las condiciones de funcionamiento
(velocidad y aceleración angular) para cada posible
posición del mecanismo, dada por la posición angular
del eslabón de entrada, que se empleará como variable
independiente.
Mediante un planteamiento trigonométrico elemental se
resuelve la posición del mecanismo completo para
cualquier posición y, derivando los vectores de posición
con respecto al tiempo, se obtiene la velocidad y, de
nuevo, la aceleración. En el caso general de un
mecanismo plano de cuatro barras aparecen como
incógnitas 4 fuerzas en sendas articulaciones y el par de
torsión motriz necesario para mantener las condiciones
de funcionamiento. Del mismo modo, se dispone de las
tres ecuaciones de equilibrio dinámico del sólido rígido
en el plano, para cada uno de los tres eslabones móviles.
Dicho sistema de 9 ecuaciones con 9 incógnitas puede
resolverse simultáneamente mediante un planteamiento
matricial.
Todo este proceso, en absoluto complicado, se hace sin
embargo largo y tedioso mediante realización “a mano”,
tarea que, no obstante, el estudiante debe realizar y
dominar para comprender el funcionamiento del
sistema. Pero cualquier mecanismo deberá estudiarse en
el conjunto de todas sus posibles configuraciones
geométricas, lo que en el caso más general de un
mecanismo de Grashof de clase I (al menos un eslabón
puede realizar una revolución completa) supondría una
posición comprendida entre 2 radianes en
configuración abierta y otro tanto en configuración
cruzada.
Para analizar de modo completo la cinemática de
mecanismos planos, y como refuerzo de la tarea de
aprendizaje, se propone a los estudiantes de las
asignaturas de Teoría de Máquinas y Análisis Dinámico
de Máquinas de la Escuela de Ingenieros Industriales de
la UNED implementar en un conjunto de hojas Excel
todo el proceso de cálculo de cualquier mecanismo de
cuatro barras. En el caso del mecanismo manivela-
corredera, partiendo de la configuración geométrica de
los eslabones y de la curva de presión en el pistón (figura
1), tanto para motores de 2 tiempos como de 4 tiempos,
se obtienen gráficas para cualquier posición de la
manivela de todas las variables cinemáticas y dinámicas
del problema y se plantea el diseño de los volantes de
inercia necesarios para el equilibrado de los elementos.
El estudio completo del motor monocilíndrico servirá de
punto de partida para el análisis de los correspondientes
motores multicilíndricos.
Como premisa de diseño se han planteado dos objetivos
fundamentales de la aplicación:
1. Su desarrollo y uso deben ser sencillos.
2. Debe ser abierta y admitir modificaciones simples y
sencillas por parte de futuros usuarios.
Para el cumplimiento de estos objetivos se usará un
programa multiplataforma, que esté al alcance de
cualquier usuario, sencillo de usar y con gran capacidad
de cálculo. Estas características se encuentran en
Microsoft Excel, un programa de hojas de cálculo que
permite gestionar, almacenar y analizar gran cantidad de
información. Aunque se emplea habitualmente en tareas
contables y financieras, su uso y aplicación en tareas de
ingeniería está igualmente extendido debido a su
capacidad de cálculo, facilidad para organizar datos y
sencillez para confeccionar gráficas de todo tipo [3].
En base a las premisas de diseño de la aplicación, se ha
eludido expresamente el empleo de programación en
VBA (Visual Basic for Applications) que ofrece Excel.
Todos los cálculos se han realizado usando las funciones
elementales en cada celda. Para ello es de gran ayuda la
designación de variables iniciales, así como otras
intermedias calculadas, lo que facilita la introducción de
las largas ecuaciones que intervienen y proporciona
rapidez y fiabilidad en el proceso. Cabe mencionar la
sencillez en Excel para invertir y operar con matrices, lo
Figura 2. Mecanismo de manivela-corredera para un
motor de combustión interna de un cilindro.
62
que hace inmediato la resolución de sistemas lineales.
La aplicación se estructura en una serie de hojas de
cálculo (figura 2). La primera hoja, DATOS, contiene
todos datos de la geometría que definen cada elemento,
bien como elementos geométricos elementales (barras,
tubos o placas), o bien a través de la introducción directa
de la masa, inercia y posición del centro de masa de cada
elemento. También se introduce la configuración del
motor (monocilíndrico, número de cilindros, disposición
en línea o en V), así como los datos característicos de la
curva del gas en el pistón (figura 3). Cualquiera de las
selecciones anteriores en los parámetros de diseño dará
lugar, mediante comandos condicionales, a la aplicación
de las fórmulas a aplicar en cada caso. Para estudiar el
comportamiento del motor con la velocidad de giro de la
manivela ((del cigüeñal en motores multicilíndricos)
se introduce un conjunto de 5 velocidades, así como el
coeficiente de fluctuación deseado para la velocidad,
para calcular los volantes de inercia necesarios. La otra
variable significativa es la posición del pistón, dada por
la correspondiente posición de la manivela (), por lo
que podrán obtenerse gráficas de una función objetivo
como superficies 3D. A estas gráficas 3D puede añadirse
el efecto, en un rango discreto de valores, de una tercera
variable (. Esta variable puede ser alguna variable
adimensional que caracterice la geometría del
mecanismo, como es la relación entre el diámetro del
pistón y la carrera. El resultado son superficies
sensiblemente paralelas, a modo de “capas de cebolla”,
por lo que pueden obtenerse interesantes gráficas del
estilo:
Obji = fi {,
La segunda hoja corresponde a los CÁLCULOS. La
primera columna se asigna a la variable independiente,
la posición de la manivela, entre 0 y 4 rad (periodo en
motores de 4 tiempos), respecto de la que se
Figura 2. Diagrama de flujo de la hoja Excel.
Figura 3. Funciones de la fuerza de gas y su par en motores de dos y cuatro tiempos.
0
250
500
750
1000
0
5000
10000
15000
20000
0 90 180 270 360 450 540 630 720
Tg(N m)Fg(N)
Ángulo de cigüeñal (º)
Ciclo Otto de cuatro tiempos.
Fuerza gas (N)
Par del gas (N.m)
Par del gas promedio (N.m)
0
250
500
750
1000
0
5000
10000
15000
20000
0 90 180 270 360 450 540 630 720
Tg(N m)Fg(N)
Ángulo de cigüeñal (º)
Ciclo Clerk de dos tiempos.
Fuerza gas (N)
Par del gas (N.m)
Par del gas promedio (N.m)
63
representarán, por defecto, todos los resultados. A
continuación, se implementarán por columnas, de forma
progresiva, todos los cálculos parciales hasta alcanzar el
conjunto de resultados deseados, como se muestra en la
figura 2. Cada nuevo cálculo requerirá entre dos y cuatro
columnas adicionales (componentes de una magnitud
vectorial en el plano, en coordenadas cartesianas o
polares), todo ello replicado n veces para el conjunto de
n velocidades a estudio. Para el estudio de motores de N
cilindros, se vuelve a replicar todo lo anterior N veces
sin más que considerar cómo afecta el desfase de inicio
entre los mismos, añadiendo las columnas
correspondientes para el cálculo del efecto combinado
[4, 5].
Las siguientes hojas albergarán las gráficas de
RESULTADOS en el mismo orden en que se van
obteniendo: posición, velocidad y aceleración del pistón,
fuerza del gas, par del gas, fuerza de sacudimiento, par
de sacudimiento, par total, cálculo del volante de inercia,
par reducido por el volante y fuerzas en los pasadores
del pistón, de la manivela y en el pasador principal.
La estructura de la hoja de cálculos permite calcular
nuevas funciones sin más que añadir nuevas columnas a
la derecha de las existentes: se introduce la fórmula
necesaria para el primer valor de la posición de la
manivela y se replica para todo el giro de la misma sin
más que arrastrar la fórmula de la primera celda hacia la
fila correspondiente al giro de 4 rad, periodo de estudio
en motores de 4 tiempos Se ha elegido un incremento de
giro de 5º de la manivela para cada nuevo cálculo, lo que
proporciona 144 puntos de cálculo por ciclo, que supone
precisión y continuidad suficiente para la representación
de resultados o para la integración de la energía del ciclo
en el caso del cálculo de los volantes de inercia.
Todas las celdas estarán bloqueadas para proteger el
documento de cambios accidentales, pero la protección
será sin contraseña para permitir la libre modificación,
normalmente ampliación y mejora, por parte de futuros
estudiantes.
3. Resultados
Se muestra a continuación las gráficas de resultados para
un motor convencional.
- Posición, velocidad y aceleración del pistón.
La posición, velocidad y aceleración del cilindro son
funciones que dependen exclusivamente de la geometría
del sistema y de la velocidad de rotación del cigüeñal.
La figura 4 muestra un ejemplo de cómo influye la
velocidad de rotación en la del desplazamiento del
pistón para cada posición de la manivela:
Fuerza de gas y par de torsión del gas.
La fuerza de gas, Fg, se debe a la presión de éste por la
explosión de la mezcla combustible-aire que choca en la
parte superior de la superficie del pistón
(1)
, siendo Pg = presión de gas y B = diámetro interior del
cilindro. Se caracteriza por la función de presión de gas,
Pg , que es función del ángulo de la manivela t y está
definida por la termodinámica del motor. El par de
torsión de gas, Tg21, se debe a la fuerza del gas que actúa
en un brazo de momento con respecto al centro de la
manivela O2 y es función de la geometría del
mecanismo, de la posición de la manivela y de Pg
(2)
Las funciones de la fuerza de gas y su par en motores de
dos y cuatro tiempos, funciones tienen cierta semejanza,
se representan en la figura 3. El motor de dos ciclos
parece que tiene en teoría dos veces la potencia
disponible del motor de cuatro tiempos, a igualdad del
resto de factores, porque existen dos veces más pulsos
de par de torsión por unidad de tiempo. No obstante, la
poca eficiencia del motor de dos tiempos reduce
significativamente esta ventaja teórica [4].
- Modelos de masas equivalentes.
El siguiente paso en el proceso de cálculo es la
determinación de los modelos de masas equivalentes de
los elementos del mecanismo que simplifiquen el
modelo continuo real a un sistema ideal de masas e
inercias con semejante comportamiento dinámico.
El muñón de la manivela, punto A, tiene dos masas
concentradas en él, la masa equivalente de la manivela
m2a y la parte de la biela m3a. Su suma es mA. En el
pasador de pistón, punto B, también se concentran dos
masas, la masa del pistón m4 y la parte restante de la
masa de la biela m3b. Su suma es mB. Este modelo de
Figura 4. Velocidad del pistón
64
parámetros concentrados del mecanismo tiene masas
que están en rotación pura (mA) o en traslación pura
(mB), así que es fácil analizarlo dinámicamente.
- Fuerzas de inercia y de sacudimiento.
La fuerza de inercia total Fi es la suma de la fuerza
centrífuga (de inercia) en el punto A y la fuerza de
inercia en el punto B:
(3)
Las fuerzas de inercia en la dirección x tienen
componentes primarias (en la frecuencia de la manivela)
y secundarias (segunda armónica, en dos veces la
frecuencia de la manivela). La fuerza generada por la
masa rotatoria en el punto A tiene sólo una componente
primaria.
(4)
La fuerza de sacudimiento Fs es la suma de todas las
fuerzas que actúan en el plano de la bancada. La fuerza
de sacudimiento es igual al negativo de la fuerza de
inercia Fi. La fuerza de gas es una fuerza interna que se
elimina dentro del mecanismo y no contribuye a la
fuerza de sacudimiento, por lo que sólo las fuerzas de
inercia y las fuerzas externas se perciben como fuerzas
de sacudimiento.
- Pares de torsión de inercia y sacudimiento.
El par de torsión de inercia Ti21 está producido por la
acción de las fuerzas de inercia. Si se eliminan los
términos de r/l elevados a potencias mayores que uno,
se obtiene la siguiente ecuación aproximada con
constante
(5)
, en la que se aprecia que el par de torsión de inercia tiene
un tercer término armónico, lo mismo que uno de
primera y uno de segunda. El segundo armónico es el
término dominante, ya que su coeficiente es mayor
debido a que r/l es siempre menor que 2/3. El par de
torsión de sacudimiento TS es igual al par de torsión de
inercia:
(6)
La figura 7 muestra una curva del par de torsión de
inercia para diversas velocidades de giro del motor en la
que se puede observar el dominio de la segunda
armónica. Su valor promedio siempre es cero, por lo que
no afecta al par de torsión motriz neto, sólo crea grandes
oscilaciones en el par de torsión total que incrementan
las vibraciones del sistema. Una forma de reducir o
eliminar este par de torsión de inercia y de sacudimiento
es mediante el uso de volantes de inercia o mediante la
disposición apropiada de los cilindros en un motor
multicilíndrico.
- Pares de torsión total del motor.
El par de torsión total, Ttotal , del motor es la suma del
par de torsión de gas, Tg , y el par de torsión de inercia,
Ti . Las contribuciones relativas de ambas componentes
al par de torsión total varían con la velocidad del motor:
Figura 5. Modelos dinámicos de masa concentrada de la
biela [4].
Figura 6. Fuerza de sacudimiento en un mecanismo
desequilibrado.
65
el par de torsión de gas es menos sensible a la velocidad
del motor que el par de torsión de inercia, el cual es
función de 2 (figura 7).
- Volantes de inercia. Las oscilaciones del par de torsión a lo largo del ciclo
pueden reducirse mediante la incorporación de un
volante de inercia que almacenará la energía cinética
necesaria para llevar al pistón a través de los tiempos de
escape, admisión y compresión del ciclo Otto, durante
los cuales se debe realizar trabajo sobre el sistema. De
modo similar, en el motor de dos tiempos también será
necesario el uso de un volante para impulsar al pistón en
la carrera de compresión. En general, un volante se
diseña como un disco plano, atornillado en un extremo
del cigüeñal. Se remite al lector a la bibliografía
especializada para el cálculo del mismo [4]. La hoja de
cálculo evalúa la energía acumulada en el ciclo, las
posiciones máxima y mínima, y calcula el volante
necesario para asegurar un cierto coeficiente de
fluctuación de la velocidad. En la figura 7 puede verse
como, al incorporar un volante de inercia, las grandes
fluctuaciones del par total se reducen de forma
significativa, variando éstas alrededor del par promedio.
- Fuerzas en los pasadores.
Para el diseño mecánico de los componentes del
mecanismo (pasadores, eslabones y cojinetes) los
resultados más significativos son las fuerzas y
momentos a los que están sometidos, fuerzas de carácter
cíclico, cuyos principales valores aparecen en el primer
y segundo armónicos (fuerzas primarias y secundarias).
Todos ellos deben diseñarse para soportar cientos de
millones de ciclos de carga alternante sin que aparezca
el fallo por fatiga.
Las fuerzas en los pasadores dependen tanto de fuerza
de gas como de las fuerzas de inercia, por ello, motores
con pistones de gran diámetro experimentan fuerzas de
pasador mucho mayores a consecuencia de que la
presión en la cámara de combuestión actúa en un área
mayor.
- La figura 8 muestra la fuerza de pasador del pistón en un
motor desequilibrado, para varias velocidades del motor.
La distribución de fuerzas en forma de “corbata de moño
o pajarita” se debe al efecto de las fuerzas de inercia y la
que tiene forma de “lágrima” es la debida a las fuerzas
de gas. En las fuerzas de pasador puede apreciarse un
interesante cambio entre el efecto predominante: a baja
velocidad, la fuerza de gas domina, ya que las fuerzas de
inercia son insignificantes a una pequeña, sin
embargo, a altas velocidades, las componentes de inercia
son predominantes y la fuerza máxima aumenta de
forma considerable. A velocidades intermedias la fuerza
de inercia contraresta parte de la fuerza de gas y la fuerza
máxima puede disminuir a la mitad.
Figura 7. Par de torsión de inercia. Par de torsión
total con y sin volante de inercia.
66
- La figura 9 muestra la interacción de las fuerzas de gas
y las fuerzas de inercia en los pasadores, durante una
revolución completa de la manivela, conforme la
velocidad del motor se incrementa desde una marcha
lenta hasta una velocidad alta. Las componentes de las
fuerzas de gas e inercia se contrarrestan una a otra y el
resultado es la existencia de una velocidad particular en
la que la fuerza en el pasador es mínima durante la
carrera de potencia.
- A baja velocidad de giro las fuerzas del pasador de la
manivela y del pasador principal son en esencia iguales
y opuestas porque las componentes de la fuerza de
inercia son pequeñas comparadas con las de la fuerza de
gas. Conforme aumenta la velocidad de giro, los efectos
de la fuerza de inercia se hacen evidentes. La diferencia
entre las fuerzas del pasador principal y de la manivela
se debe a los diferentes términos de masa de sus
ecuaciones.
- Equilibrado del motor de un cilindro Las elevadas fuerzas en los pasadores y en el plano de la
bancada se deben a las fuerzas de gas, que son internas,
y tienen un efecto importante en las fuerzas de inercia y
sacudimiento. Mediante un equilibrado del cigüeñal
puede reducirse la fuerza del pasador principal, pero ello
no afecta a las fuerzas en el pasador de la manivela y
pistón. Una medida para reducir estas fuerzas de
sacudimiento es el balanceo y sobrebalanceo de la
manivela. La hoja contempla dicha opción y pueden
obtenerse las gráficas correspondientes en función de la
masa de equilibrado y su brazo.
- Motores multicilindricos
Todo lo desarrollado y calculado para motores
monocilíndricos se implementa para motores de hasta 4
cilindros, tanto para encendido desigual como uniforme,
disposición en línea o en V. Todas las funciones
calculadas son semejantes pero el efecto conjunto es la
suma del efecto de cada cilindro por separado según sus
ángulos de fase (figura 10).
El motor de un solo cilindro se puede considerar como
Figura 9. Fuerzas en los pasadores durante el ciclo de funcionamiento a varias velocidades de giro.
Figura 8. Fuerzas en los pasadores principal, de la manivela y del pistón.
67
un dispositivo bidimensional y por tanto puede
equilibrarse estáticamente. Sin embargo, un motor
multicilíndrico es un sistema tridimensional en el que los
múltiples cilindros se reparten uniformemente a lo largo
del eje del cigüeñal (figura 11). Aunque es posible
anular las fuerzas de sacudimiento, aún puede haber
momentos desequilibrados en el plano del bloque del
motor. Por ello se deben aplicar criterios de equilibrado
dinámico y la adecuada selección de los ángulos de fase
y el orden de encendido puede reducir en algunos casos
las fuerzas de sacudimiento y los pares de torsión [4].
4. Conclusiones y posibilidades futuras
Se ha desarrollado una aplicación informática, basada en
Excel, que permite abordar toda la casuística y
condiciones de diseño para el análisis y cálculo de la
cinemática y dinámica de motores mono y
multicilíndricos en función de diversas configuraciones
de funcionamiento y de su geometría, y que sirve de
apoyo para la docencia y el aprendizaje de las
asignaturas de Teoría y Análisis Dinámico de Máquinas
en la Escuela de Ingenieros Industriales de la UNED.
Partiendo del presente trabajo, a nivel docente, existe un
gran número de posibilidades de ampliación, como el
estudio de motores de más de 4 cilindros en sus diversas
configuraciones geométricas y de funcionamiento. Otras
posibles ampliaciones y mejoras, a nivel de
investigación, pudieran considerar una curva de presión
del gas variable en situaciones transitorias de
acelearado, los efectos termodinámicos y el estudio
térmico del sistema o el análisis de las vibraciones
inducidas a lo largo de los diversos regímenes de
funcionamiento, e incluir para todas estas situaciones el
estudio de cómo influye la geometría y configuración
del sistema [6].
5. Agradecimientos
Los autores desean dejar constancia de su
agradecimiento a la Dirección General de Investigación
Científica y Técnica por la financiación del proyecto de
investigación DPI2015-69201-C2-1-R “Distribución de
carga y cálculo resistente de engranajes con geometría
modificada”, y a la ETS Ingenieros Industriales de la
UNED por la Acción 2019-MEC24 “Simulación de
engranajes”.
6. Referencias
[1] Kevin L. Hoag, “Vehicular Engine Design”, 2nd ed.,
Springer-Verlag, 2006.
[2] Singiresu S. Rao, “Engineering Optimization:
Theory and Practice”, John Wiley & Sons, 2009.
[3] Ronald W. Larsen, “Engineering with Excel”, 4th ed.,
Pearson, 2013.
[4] Robert L. Norton, “Diseño de Maquinaria”, 5a Ed.,
México D. F, McGraw Hill, 2010.
[5] Robert L. Norton, “Kinematics and Dynamics of
Machinery”, Singapore. McGraw Hill, 2013.
[6] Kermani, J. et al., "An Experimental Investigation of
the Effect of Bore-to-Stroke Ratio on a Diesel Engine,"
SAE Technical Paper 2013-24-0065, 2013.
durante o torneamento dos aços AISI 316, AISI 410 e
UNS S32760”. Congresso Nacional de Engenharia
Mecânica, Salvador Bahia, 2018.
Figura 11. Brazos del momento de sacudimiento.
Figura 10. Par del gas motor de 4 cilindros-tiempos.
68
2347. ANÁLISIS DE UNA TRANSMISIÓN POR ENGRANAJES CON AUTODESK INVENTOR
GEAR TRANSMISSION ANALYSIS WITH AUTODESK INVENTOR
Miryam B. Sánchez Sánchez*, Miguel Pleguezuelos González*, José Ignacio Pedrero Moya*, Eduardo Gómez
García *
Departamento de Mecánica
Universidad Nacional de Educación a Distancia - UNED
C/Juan del Rosal 12, 28040 Madrid, España
e-mail: [email protected] / [email protected] / [email protected] / [email protected]
web page: www.uned.es
Resumen
Los sistemas de transmisión de potencia están sometidos durante su funcionamiento a diferentes tipos de cargas, cuyo
fallo, desde un punto de vista meramente teórico, se estudia en las asignaturas de Tecnología de Máquinas en las Escuelas
de Ingenieros. En el presente artículo se explica el procedimiento para la modelización y el análisis de las tensiones de
una transmisión por engranajes con una herramienta basada en el método de los elementos finitos. En la actualidad este
método constituye una herramienta habitual para la realización de estudios tensionales y de deformaciones en el ámbito
de la ingeniería. Debido a la importancia que este tipo de herramientas han adquirido, se emplea Autodesk Inventor para
realizar el análisis de un sistema mecánico, que supone un complemento ideal a las explicaciones y desarrollos teóricos
realizados en la docencia de la asignatura, sirve de apoyo en la tarea de aprendizaje y su uso forma parte de la evaluación
continua.
Palabras clave: formación, método de los elementos finitos, transmisión por engranajes, Autodesk Inventor.
Abstract
Power transmission systems are subjected, under operating conditions, to different kinds of loads. Their failure is studied,
under theoretical point of view, in Machine Design subjects in Engineering Schools. This paper presents the procedure
for modelling and analyzing the stresses on a gear transmission, based on the Finite Element Method. Nowadays, FEM is
a widely used tool for stress analysis and deflection in mechanical design. Considering the importance of this kind of
tools, Autodesk Inventor is used to perform the analysis of a mechanical system. This analysis is a suitable complement
to the explanations and theoretical developments presented during the teaching activity, serves a support of the student
learning, and is used as part of the continuous evaluation.
Keywords: collaborative learning the finite element method, a gear transmission, Autodesk Inventor.
1. EL Introducción
Los sistemas de transmisión de potencia están sometidos
durante su funcionamiento a diferentes tipos de cargas,
cuyo fallo, desde un punto de vista meramente teórico,
se estudia por carga estática o por fatiga, en la asignatura
de Tecnología de Máquinas en la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad
Nacional de Educación a Distancia (UNED). Esta
asignatura [1,2] es común a cuatro de los cinco grados
de ingeniería que se imparten en la escuela y sus
contenidos se han seleccionado pensando, por un lado,
en completar la formación del ingeniero en las áreas
básicas de Mecánica y Materiales, y por otro, en
establecer los fundamentos que sirvan de base a
asignaturas más aplicadas. Los objetivos formativos de
esta asignatura son fundamentalmente dos:
Describir las propiedades de los materiales
empleados en la construcción de maquinaria y su
comportamiento frente a estados de carga, así como
presentar los distintos criterios empleados en el
diseño mecánico para la prevención de fallos: carga
estática, fatiga, fractura y propagación de las
grietas.
Exponer los principios fundamentales que rigen el
estudio de los elementos de máquina, y desarrollar,
por aplicación de los criterios de diseño anteriores,
los métodos de cálculo y análisis de los distintos
componentes de las máquinas.
69
Los contenidos de la asignatura se han organizado en dos
unidades didácticas. La primera de ellas abarca desde los
conceptos fundamentales de la elasticidad y la
resistencia de materiales –sobre los que se asienta el
cálculo tensional de los elementos de máquina–, o las
propiedades de los materiales empleados en la
construcción de maquinaria y su comportamiento, hasta
los criterios de diseño y cálculo resistente frente a
solicitaciones tanto estáticas como de fatiga. La segunda
unidad trata los ejes de transmisión de potencia, los
acoplamientos entre ejes y los elementos sobre los que
se soportan.
La Universidad Nacional de Educación a Distancia
(UNED) es una de las universidades públicas españolas
con mayor número de estudiantes matriculados en
España, más de 200.000 estudiantes que cursan sus
titulaciones oficiales o sus más de 600 cursos de
formación permanente. La principal característica de
esta universidad es su metodología a distancia, para ello
la UNED utiliza una plataforma institucional educativa
virtual que constituye el soporte en el que descansan la
mayoría de los cursos y asignaturas que se imparten en
la universidad.
El perfil de alumno es una persona cuya media de edad
es de 37 años y que en el 80% de los casos tiene
obligaciones laborales o familiares Los alumnos
extranjeros constituyen un 16% del total del alumnado,
predominan los alumnos de Iberoamérica y de la Unión
Europea. La crisis económica ha cambiado el perfil del
alumno de la UNED, no sólo estudian personas de una
cierta edad que desean compatibilizar los estudios con
un empleo, sino personas más jóvenes que han visto en
la UNED una posibilidad.
En este contexto se ha diseñado unas prácticas para la
asignatura, cuyos principales objetivos son los
siguientes:
Que sean un complemento ideal a las explicaciones
y desarrollos teóricos realizados en la docencia de
la asignatura, que sirvan de apoyo en la tarea de
aprendizaje y que su uso forme parte de la
evaluación continua del alumno.
Que los alumnos aprendan el manejo de una
herramienta basada en el método de los elementos
finitos (MEF). Este método ha adquirido una gran
importancia en la actualidad en el ámbito de la
ingeniería para la realización de estudios
tensionales y de deformaciones.
Que se adecúen al perfil del alumno de la UNED, es
decir, que se planteen como prácticas virtuales y se
evite, de esta forma, el desplazamiento de los
alumnos a los laboratorios de la sede central,
minimizando el coste y las incomodidades debidas
al desplazamiento.
Que supongan un coste en licencias asumible tanto
por el alumno como por la universidad.
2. Metodología
Una vez definidos los objetivos que deben cumplir las
prácticas de la asignatura, se evalúan los diferentes
paquetes de software que hay en el mercado, analizando
las prestaciones, precios.... Finalmente se selecciona el
Autodesk Inventor [3]. Este software ofrece un conjunto
de herramientas fáciles de usar para diseño mecánico,
simulación, visualización y documentación 3D, además
dispone de licencias gratuitas para estudiantes y
profesores que, de manera muy sencilla, permite que
cada alumno se descargue el programa en su ordenador,
evitando los desplazamientos a la sede central de la
universidad e incluso el mantenimiento de un servidor
para la distribución de licencias.
El siguiente paso es la definición de los contenidos de
las prácticas. Los dos aspectos más importantes a tener
en cuenta son:
Contenidos: se debe incidir en los aspectos más
relevantes de la asignatura. El objetivo es diseñar un
sistema sencillo en el que se apliquen los principios
más básicos y fundamentales del diseño de
máquinas, como es el análisis tensional de un eje de
transmisión
El tiempo que los alumnos deben dedicar a la
realización de las prácticas es de unas 15 horas de
media. Es un tiempo bastante reducido para que los
alumnos aprendan a manejar un programa, por ello,
el manual debe ser claro, conciso y con un alto nivel
de detalle para que los alumnos no se dispersen en
la preparación de los programas y sean capaces de
realizar las tareas previstas sin perderse y de forma
autónoma.
Desde la plataforma virtual, los alumnos podrán
descargase los tres documentos necesarios para la
realización de las prácticas (figura 1):
El manual de instalación que, como su propio
nombre indica, es un guion en el que se explica paso
a paso el procedimiento que el alumno ha de seguir
para descargarse e instalarse el software en su
ordenador personal.
El guion de prácticas, que consta de los apartados:
o Introducción y objetivos.
o Conceptos generales de Autodesk
Inventor, donde se explica el
procedimiento a seguir con el software
para realizar las funciones elementales
70
como iniciar el programa, crear un nuevo
proyecto en unidades del sistema
internacional y manejar la ayuda del
programa.
o Un problema de entrenamiento que servirá
para aprender a usar las funcionalidades
más básicas del programa y para analizar
los parámetros fundamentales que se han
de tener en cuenta en un análisis de este
tipo.
o Un problema de mayor complejidad cuyo
principal objetivo será el análisis estático
de las tensiones obtenidas mediante
simulación y la comparación de dichas
tensiones con los cálculos teóricos.
El cuaderno de resultados, donde se anotarán los
resultados de cada una de las tareas que se indican
en el guion de prácticas para cada uno de los
problemas. Al final del cuaderno se ha incluido una
encuesta de satisfacción para que los alumnos
expongan las principales dificultades que han
encontrado durante la realización e indiquen cuáles
son, a su criterio, aquellas cosas que se podrían
mejorar de las prácticas. Esto supone una
realimentación para que, teniendo en cuenta esos
comentarios, el equipo docente mejore los guiones
en cada convocatoria.
3. Resultados
El MEF ha adquirido una gran importancia en el mundo
de la ingeniería, y permite resolver problemas que hasta
hace poco tiempo eran prácticamente imposibles de
resolver por métodos matemáticos tradicionales. Esta
circunstancia obligaba a realizar prototipos, para ensayar
y realizar mejoras de forma iterativa, lo que conlleva un
elevado coste económico y temporal. El MEF permite
realizar un modelo matemático de cálculo del sistema
real, más fácil y económico de modificar que un
prototipo. Sin embargo, no deja de ser un método
aproximado de cálculo debido a las hipótesis básicas del
método. Los prototipos, por lo tanto, siguen siendo
necesarios, pero en menor número, ya que el primero
puede acercarse bastante más al diseño óptimo.
El MEF consiste en la división de un sistema continuo
en un conjunto de pequeños elementos interconectados
por una serie de puntos llamados nodos, así se consigue
pasar de un sistema con infinitos grados de libertad, que
se rige por una ecuación diferencial o un sistema de
ecuaciones diferenciales, a un sistema con un número de
grados de libertad finito cuyo comportamiento se
modela por un sistema de ecuaciones, lineales o no.
En este apartado el alumno aprenderá con el programa a
crear la geometría a analizar, a mallar el sistema para
dividirlo en elementos y nodos, a aplicar las condiciones
Figura 3. Esquema de la información presentada en la plataforma virtual
71
de contorno (aquellas variables conocidas que
condicionan el cambio del sistema) y a obtener las
incognitas o variables que se quiere conocer
(desplazamientos, tensiones…). Cada problema está
dividido en una serie de tareas que se definen para guiar
al alumno en los diferentes pasos, poder evaluarlo y que
el alumno aprenda cuáles son los problemas típicos que
suelen aparecer al enfrentarse a un problema de este tipo.
2.4. Problema de entrenamiento
El objetivo de este problema es el aprendizaje del
funcionamiento del programa y el estudio de los
principales parámetros y problemas que pueden surgir
cuando se simula un sistema con el MEF, se contrastará
los resultados obtenidos con los teóricos y se estudiarán
las discrepancias que pudiese haber. Para ello se
analizará un sistema muy sencillo: una barra de sección
circular con un salto a sección sometida a carga axial.
En esta sección se aprovecha para explicar la
funcionalidad de los principales botones que aparecen en
la pantalla, como el zoom, el botón para desplazar,
arrastrar o girar la imagen a cualquier posición, el árbol
de trabajo, la creación de ejes de coordenadas o incluso
la opción de borrado.
El primer hito consiste en la resolución del problema de
forma teórica. El siguiente paso será la construcción del
eje con la herramienta del programa “Shaft Component
Generator” (figura 2) que nos permitirá:
Posicionar el eje con respecto a unos ejes globales.
Generar un eje con varias secciones, cada una con
su longitud y su diámetro. También permite definir
diferentes acabados para cado extremo de la
sección, radios de entalladura o incluso definir
ranuras.
Realizar con la herramienta, de una forma
meramente teórica, los cálculos de esfuerzos a los
que está sometido el eje. Para ello, la herramienta
permite definir el material, el tipo y la localización
de los apoyos y de las cargas.
Visualizar los diagramas de esfuerzos y momentos
obtenidos con la herramienta. La comparación de
estos diagramas con los obtenidos por el alumno de
forma teórica es objeto de estudio en otra de las
tareas.
Una vez finalizada la creación de la geometría, se pasa a
la parte del cálculo de las tensiones para un análisis
estático por el MEF. En el manual se le enseña al alumno
a crear un nuevo análisis, asignar el material, definir las
condiciones de contorno (restricciones de movimiento y
cargas) (figura 3).
En el siguiente paso se le enseña a realizar el mallado
del sistema, definir las principales variables que influyen
sobre éste y a realizar la simulación. En las tareas
siguientes el alumno tiene que identificar la
funcionalidad de las principales opciones para mostrar
los resultados y cambiar las escalas de colores con las
que estos se representan. Además, se le muestra cómo
poner sondas para visualizar los resultados en cada
punto.
Uno de los aspectos más importantes en un análisis de
Figura 2. Herramienta para la creación de ejes
72
elementos finitos es el mallado. Las siguientes tareas
están pensadas para que el alumno aprenda cómo influye
la densidad y el tipo de mallado en el resultado final,
tanto en la precisión de los resultados como en la carga
computacional del sistema y, por tanto, el compromiso
que existe entre ambos (figura 4). Se le pide que malle
con elementos de diferentes tamaños y apunte el valor
de las tensiones, el número de nodos y elementos y el
tiempo que tarda su ordenador en obtener los resultados,
o incluso que defina una malla local más fina en la zona
de cambio de sección. Además, se le pide que calcule los
errores que se producen en el valor de las tensiones con
los diferentes mallados comparándolos con los valores
teóricos que calculó.
Las dos últimas tareas sirven, principalmente, para que
los alumnos asienten conceptos estudiados en la teoría y
lo relacionen con los resultados obtenidos mediante
simulación. Se trabajan los conceptos de:
Concentración de tensiones y su efecto en los
materiales frágiles y dúctiles.
El tensor tensiones y cómo, a partir de dicha matriz,
se obtienen las tensiones principales y la de Von
Mises. Deberán comprobar los resultados de los
cálculos con los resultados de simulación que
muestra el programa.
2.5. Problema de verificación
La complejidad de este problema es ligeramente
superior al anterior y, aunque se detallan los pasos
fundamentales que se han de seguir, se espera que sea el
alumno el que lleve la iniciativa para su resolución y se
plantean tareas algo más complejas para poder evaluar
los conocimientos del alumno. En este caso se analizará
una transmisión compuesta por dos ejes y una
transmisión de engranajes rectos. Ambos ejes están
formados por 5 secciones, en las dos extremas van
situados los rodamientos y en la sección media se sitúa
el engranaje. Existen varios cambios de sección puesto
Figura 3. Definición de las condiciones de contorno
Figura 4. Influencia de la densidad de mallado y del tipo elemento en el modelo de EF.
73
que las secciones también cambian de diámetro. La
potencia entra al primero de los ejes por un embrague
situado en el extremo derecho.
Al igual que en el problema anterior, lo primero que se
le pide al alumno es la resolución teórica del problema y
dibujar los diagramas de esfuerzos y tensiones para cada
sección. Con respecto al Autodesk Inventor, para este
problema tienen que crear cada pieza por separado y
aprender a ensamblar las diferentes piezas, para ello hay
que crear diferentes ejes de coordenadas y planos de
trabajo. La herramienta “Shaft Component Generator”
se usará para crear los dos ejes y verificar los cálculos
teóricos. Se usará una nueva herramienta que ofrece el
programa para generar la pareja de engranajes rectos
“Spur Gears Component Generator”, que al igual que la
usada para ejes, realiza internamente cálculos teóricos
según la normativa que se establezca y los muestra en
pantalla (fuerza normal, tangencial y radial, eficiencia,
valores de resistencias y factores de seguridad…), de
forma que el alumno pueda verificar sus cálculos.
Además, simula el proceso de engrane en 2D y muestra
la geometría de los dientes generados (figura 5). La
herramienta crea la geometría de los engranajes para
unos datos dados, pero estos engranajes son macizos,
posteriormente, hay que crear el agujero del anillo
interno para poderlos ensamblar con los ejes.
Una vez finalizada la geometría del problema, se crea un
nuevo estudio para analizar las tensiones y
desplazamientos. En este caso, además de asignar
material y establecer las condiciones de contorno
(restricciones de movimiento y cargas), se han de crear
los contactos que existe entre las diferentes partes del
modelo. Será objeto de una de las tareas que el alumno
investigue sobre los tipos de contactos que se pueden
definir con el programa e investigue la diferencia entre
ellos. En este caso, habrá tres contactos:
Entre el cilindro central del primer eje y la
superficie del taladro del primer engranaje o piñón
se definirá en contacto tipo “bonded”.
Entre el cilindro central del segundo eje y la
superficie del taladro del segundo engranaje o rueda
se definirá en contacto tipo “bonded”.
Entre el diente del piñón y el diente de la rueda que
vayan a contactar cuando se aplique el par, se
definirá un contacto tipo “Separation”.
En el guion se explica al alumno cómo crear y definir
cada uno de los contactos. El siguiente paso es el
mallado, en este sistema es mucho más importante tener
el control sobre el mallado, porque al ser un sistema más
grande y complejo, si se realiza un mallado muy grueso
puede que el programa tenga problemas de convergencia
o de precisión en los resultados. Por el contrario, si se
realiza un mallado muy tupido en todo el modelo, la
carga computacional que ello requiere puede hacerlo
inviable de resolver en algunos computadores o requerir
excesivo tiempo. Por tanto, lo ideal es establecer un
mallado bastante grueso para la mayor parte del modelo
y definir un mallado local mucho más exigente en las
zonas de interés y en la zona de contacto de los dientes
que engranan (figura 6).
Una vez configurado el análisis, se simula para obtener
los resultados. En el guion se le enseña al alumno a
ocultar los elementos que no interesa analizar para sólo
visualizar el primer eje y el engranaje asociado. En la
figura 7 se muestra la distribución de tensiones de Von
Mises; se observan las zonas más cargadas, que en el
caso del eje se produce en el cambio a sección y en el
caso del engranaje se ve claramente que la zona de más
carga es la línea de contacto del diente que está
engranando, también se produce una concentración de
tensiones en la zona de la base del diente.
Figura 5. Herramienta “Spur Gears Component Generator”
74
Las siguientes tareas que deberá resolver el alumno
están relacionadas con el análisis de resultados y
requieren tener los conceptos teóricos bien asimilados.
A través de diferentes sondas deberán representar las
distintas componentes del tensor de tensiones o de las
tensiones principales que influyen en la tensión cortante
y, mediante un cálculo muy sencillo, obtener el
diagrama de la tensión cortante que se produce a lo largo
del eje para poder compararlo con el diagrama teórico.
El alumno deberá realizar un proceso similar para
representar las tensiones debidas a flexión. En este caso,
habrá discrepancias entre el diagrama de tensiones
obtenido teóricamente y con los resultados de
simulación, que se hace muy evidente en la zona del eje
más pegada a los apoyos donde se han definido las
condiciones de contorno. Donde cabía esperar una
tensión de flexión prácticamente nula, aparece incluso el
máximo de la tensión. Esto es debido a que las
restricciones impuestas en la simulación no
corresponden a un apoyo articulado, sino que se está
comportando como un empotramiento, debido a las
restricciones impuestas en la dirección radial y axial.
Este empotramiento provoca un momento flector que se
mantiene prácticamente constante a lo largo de todo el
eje y es de sentido contrario al provocado por las
reacciones en los apoyos. En la siguiente tarea se les
hace modificar los cálculos teóricos para calcularlos
como una superposición de los esfuerzos obtenidos
teóricamente con un momento constante a lo largo del
eje que deben calcular a partir de los resultados de
simulación.
La última tarea es opcional y sirve para mejorar la nota.
El objetivo es que el alumno sea capaz de elegir y
justificar los rodamientos que utilizaría en este modelo a
partir de los resultados de la simulación: tendrá que
investigar en la página web de uno de los mayores
fabricantes de rodamientos para elegir la mejor
combinación posible de éstos para el eje analizado.
4. Conclusiones
A partir de una herramienta basada en el MEF, Autodesk
Inventor, se han diseñado unas prácticas que suponen un
complemento ideal a las explicaciones y desarrollos
teóricos realizados en la docencia de la asignatura, sirve
de apoyo en la tarea de aprendizaje y su uso forma parte
de la evaluación continua del alumno.
El primer problema sirve para realizar una descripción
de la aplicación, las funcionalidades más básicas del
programa y para analizar los parámetros fundamentales
que se han de tener en cuenta en un análisis de este tipo,
basándose en un ejemplo sencillo. Posteriormente, se
plantea un problema de mayor complejidad, cuyo
principal objetivo será el análisis estático de las
tensiones obtenidas mediante simulación y la
comparación de dichas tensiones con los cálculos
teóricos.
Para finalizar, el alumno tiene la opción de rellenar una
encuesta de satisfacción, en la que puede identificar los
principales problemas que se ha encontrado en la
resolución de las prácticas y sugerir cuáles son, desde su
punto de vista, las posibles mejoras que se pueden llevar
Figura 6. Problema de verificación: condiciones de contorno y mallado.
75
a cabo, tanto en los guiones como en las prácticas en
general. Esto permite al equipo docente conocer si han
despertado el interés del alumno, le han sido de utilidad
y una realimentación para la mejora de las prácticas.
5. Agradecimientos
Los autores desean dejar constancia de su
agradecimiento a la Dirección General de Investigación
Científica y Técnica por la financiación del proyecto de
investigación DPI2015-69201-C2-1-R “Distribución de
carga y cálculo resistente de engranajes con geometría
modificada”, y a la ETS Ingenieros Industriales de la
UNED por la Acción 2019-MEC24 “Simulación de
engranajes”.
6. Referencias
[1] Pedrero Moya, J. I., “Tecnología de Máquinas. Tomo
I”. Universidad Nacional de Educación a Distancia. 1ª
edición, 3ª reimpresión. Marzo, 2010
[2] Budynas R. G, Nisbett J. K., “Diseño en ingeniería
mecánica”. Shigley. McGraw Hill. 10ª edición.
[3] Manual de usuario de Autodesk Inventor
Profesional, 2018.
Figura 7. Tensiones de Von Mises obtenidas en el problema de verificación.
76
2469. MIGRACIÓN DE UN CENTRO DE MECANIZADO CNC A LA INDUSTRIA 4.0
MIGRATION OF A CNC MACHINING CENTER TOWARDS INDUSTRY 4.0
Juan D. Contreras1, Jose S. Lopez2, Jose I. Garcia3
1Centro de Automatización de Procesos, Pontificia Universidad Javeriana, Colombia. Email:
[email protected] 2 Grupo de Investigación Bionovo, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Valle, Colombia. Email:
[email protected] 3 Grupo de Investigación Bionovo, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Valle, Colombia. Email:
Resumen
Considerando el impacto de los sistemas de la información, nuevas estructuras organizacionales han emergido con el
objetivo de incrementar el valor agregado a un producto. En este sentido, este proyecto se centra en la adaptación de una
máquina CNC convencional para asegurar una correcta integración a una fábrica inteligente de Industria 4.0.
Primeramente, se realizada una especificación de los requerimientos que una maquinas CNC debe cumplir para ser
considerada un componente de la industria 4.0 teniendo como base los estándares y lineamientos del Plattform Industrie
4.0. Seguidamente, se definen las herramientas tecnológicas de hardware y software que permitan cumplir estos
requerimientos en el contexto de un equipo CNC industrial y finalmente se realiza la implementación de estas nuevas
capacidades tecnológicas en el centro de mecanizado CNC del Centro de Automatización de Procesos.
Como resultado, se obtiene un equipo con nuevas capacidades en el dominio de la información y la comunicación tales
como comunicación mediante OPC UA, una representación virtual estandarizada en formato XML y acceso a sus
capacidades y servicios mediante una arquitectura orientada a servicios. Lo anterior, permite integrar la maquina CNC a
un sistema de fabricación inteligente e implementar aplicaciones tales como monitoreo inteligente de la condición y
agenciamiento automático de repuestos.
Palabras clave: Industria 4.0, CNC, OPC UA.
Abstract
Considering the impact of information systems, new organizational structures have emerged with the aim of increasing
the value added to a product. In this sense, this project focuses on the adaptation of a conventional CNC machine to ensure
its correct integration in a smart factory of Industry 4.0.
First, a specification of the requirements that a CNC machine must meet to be considered a component of the industry 4.0
is made based on the standards and guidelines of the Plattform Industrie 4.0. Then, technological hardware and software
tools are defined to meet these requirements in the context of an industrial CNC equipment and finally these new
technological capabilities are implemented in the CNC machining center of the Process Automation Center.
As a result, we obtain an equipment with new capabilities in the information and communication domain such as
communication through OPC UA, a standardized virtual representation in XML format and access to its capabilities and
services through a service-oriented architecture. The above, allows the CNC machine to be integrated into an smart
manufacturing system and to implement applications such as intelligent condition monitoring and automatic parts agency.
Keywords: industry 4.0, CNC, OPC UA.
1. Introducción
Considerando el impactó del sector industrial en la
economía de un país, es relevante su valor agregado a lo
largo de la cadena de valor, empleos y desarrollo
(productos y procesos de diseño) [1]. En las dos últimas
décadas se han presentados dos grandes fracturas en la
economía internacional, la primera aparece con el
levantamiento de los países emergentes (Brasil, Rusia,
india y china) que presentaron un crecimiento del 179%
en el valor agregado por la manufactura contra un 17%
de los países industrializados tradicionales (unión
europea, estados unidos). Esto hizo que en la actualidad
las economías emergentes tenga un 40% del valor
agregado por la manufactura cuando en 1991
participaban solo en el 21%, la segunda fractura apareció
en el año 2008 con la caída de la taza de industrialización
de algunas potencias europeas, el estancamiento de otras
77
y el leve crecimiento de unas pocas, estas dos fracturas
han llevado a los países europeos a tomar medidas frente
a las estrategias futuras para creación de valor en la
industria y así recuperar su participación en la economía
[2].
Como respuesta a esta coyuntura económica, aparece
una iniciativa del gobierno alemán denominada
Industria 4.0 [3], este término se define como la
transformación del modelo de control y organización de
la cadena de valor a lo largo de todo el ciclo de vida del
producto, y los sistemas productivos a través de las
tecnologías de la información y la comunicación (TIC)
migrando la industria contemporánea hacia una cuarta
revolución industrial.
A pesar de que la industria 4.0 haya adoptado diferentes
nombres en algunos países, en general, esta se
caracteriza por promover una migración de la industria
tradicional hacia una red de fábricas inteligentes. Esto
permite que los componentes de la cadena de valor sean
representados de forma digital formando sistemas
ciberfísicos los cuales se comunican unos con otros a
través del Internet de las Cosas [4]. Este nuevo enfoque
para la organización e implementación de sistemas de
fabricación ofrece nuevas capacidades, como la toma de
decisiones descentralizada, la personalización masiva, la
integración horizontal y vertical y la ingeniería de
extremo a extremo [5].
Desde que se introdujo el concepto de Industria 4.0 en
2011, muchos autores, investigadores y empresas han
contribuido a la construcción del concepto con ejemplos
y aplicaciones. A pesar de este gran número de
contribuciones, no todas las aplicaciones pueden
aceptarse como una solución correcta en el contexto de
la industria 4.0 debido a la importancia de la
estandarización en los objetivos de la Industria 4.0 [6]
Teniendo en cuenta que originalmente la industria 4.0 es
uno de los proyectos adoptados en el "Plan de Acción de
la Estrategia de Alta Tecnología 2020" de Alemania, la
definición formal de la industria 4.0 debe ser establecida
por una institución oficial fundada por el Gobierno
Federal, esta institución es conocida como el Plattform
Industrie 4.0 [7], esta institución es compuesta por una
gama de asociaciones nacionales e internacionales,
integrando también a la industria, asociaciones
empresariales , científicas y políticas.
Sobre la base de lo anterior, los requerimientos que
equipos y dispositivos deban cumplir para ser
considerados parte de la Industria 4.0 serán definidos
desde un punto de vista de implementación basado en
los reportes y lineamientos publicados por el Plattform
Industrie 4.0, especialmente en el Modelo de
Arquitectura de Referencia para la Industria 4.0 (RAMI
4.0 por sus siglas en inglés) [8].
Desde 2015 se han publicado varias investigaciones
sobre las aplicaciones e implementaciones de la
industria 4.0, pero pocas de ellas se centran en
proporcionar procedimientos bien definidos para la
migración de equipos tradicionales hacia la Industria
4.0. Como ejemplo, hay aplicaciones que no usan
estándares y no definen una arquitectura de sistema
como en [9], [10]. Hay proyectos que proponen una
arquitectura tecnológica, pero no integran estándares
formales como [11]–[13]. Finalmente, se encuentran
proyectos que definen una arquitectura tecnológica e
integran parte de la estandarización como en [14].
El término “máquinas-herramientas 4.0” se usa para
referirse a las máquinas-herramientas que cumplen con
los requerimientos de la industria 4.0. Chao Liu presenta
en [15] una evolución de las máquinas-herramientas
desde la primera a la cuarta revolución industrial i el
termino máquinas-herramientas ciberfísicas, y las
características que deberían tener en el contexto de la
industria 4.0:
Adquisición de datos en tiempo real
Integración de datos y comunicación
Algoritmos inteligentes y analítica
Comunicación M2M
Interfaces hombre-máquina avanzadas.
Complementariamente, en [16] se presentan las
máquinas-herramientas 4.0 como parte del ecosistema
de industria 4.0 y su participación en la integración
vertical y horizontal así como en los escenarios de
aplicación descritos en [17].
De acuerdo a lo anterior, la contribución de este
proyecto consiste en presentar una metodología que
permita la migración de máquinas-herramientas hacia la
Industria 4.0 cumpliendo con la estandarización
requerida y que permita integrar los equipos dentro de
aplicaciones de fabricación inteligente. Particularmente,
en este proyecto se realizará la migración de un centro
de mecanizado CNC a la industria 4.0.
2. Metodología
2.6. Equipos
El objeto de trabajo de este proyecto será el centro de
mecanizado CNC Triac del fabricante Denford con
control Fanuc 21i. Esta maquina hace parte de una celda
de manufactura flexible como se muestra en la Figura 1,
la función de centro de mecanizado es realizar
operaciones de fresado, grabado y taladrado según el
diseño solicitado por los clientes y cuenta con un brazo
robótico para el montaje y desmontaje automático de las
piezas. Esta celda hace parte del Centro de
Automatización de Procesos de la Pontificia
Universidad Javeriana Cali.
78
Figura 4. Centro de mecanizado CNC como parte de la celda
de manufactura flexible.
2.7. Definición de requerimientos
Desde 2015, el Plattform Industrie 4.0 ha publicado una
serie de informes técnicos, comenzando con el Modelo
de Arquitectura de Referencia para la Industria 4.0
(RAMI 4.0) que fue presentado por VDI / VDE como
una guía para la “migración paso a paso desde el mundo
de hoy a la de Industria 4.0” [8]. De acuerdo a esto, el
RAMI 4.0 se presenta como una piedra angular en la
definición de los requerimientos que un sistema debe
cumplir para ser considerado parte de la industria 4.0
desde un punto de vista de la implementación.
RAMI 4.0 es un modelo de tres ejes mostrado en la
Figura 2, donde cada eje representa un dominio o punto
de vista en el contexto de la Industria 4.0. El eje vertical
representa el dominio de la tecnología de la información
y la comunicación dividido en varias capas. El eje
horizontal izquiedo constituye la gestión del ciclo de
vida del producto según el estándar IEC 62890 y el eje
horizontal derecho representa la jerarquía funcional
basada en el estándar IEC 62264, pero agregando los
elementos de "Mundo conectado", "Dispositivo de
campo" y "Producto".
Figura 5. Modelo de arquitectura de referencia de la
industria 4.0
En el RAMI 4.0 se presentan los Componentes de la
Industria 4.0 como una composición entre un activo (por
ejemplo, una máquina, un dispositivo de campo, una
fábrica, un software) y un shell de administración
(AdmonShell por su nombre en ingles) [18]. Como se ve
en la Figura 3, dos componentes que no son de la
industria 4.0 se convierten en componentes de la
industria 4.0 al agregar un AdmonShell a cada
dispositivo y conectarlos a través de una comunicación
conforme a la industria 4.0 mientras se mantiene la
comunicación tradicional en tiempo real entre los
dispositivos. Esto significa que se podrían agregar
nuevas capacidades sin afectar la funcionalidad anterior.
Figura 6. Componente de industria 4.0
De acerdo a lo anterior, el elemento clave para
desarrollar un equipo de industria 4.0 es una correcta
implementacion del AdmonShell, este elemento se
describe como la representación virtual de piezas,
activos y objetos que incluyen software, documentación,
personal, etc. Los detalles de la implementacion del
AdmonShell pueden encontrarse en [19][20], a grandes
razgos, el AdmonShell se compone de dos partes: un
encabezado que almacena la identificacion del activo y
del AdmonShell y un cuerpo que almacena los
submodelos, que representan virtualmente el activo. Ver
la Figura 4.
Figura 7. Estructura de AdmonShell
De acuerdo a lo anterior, para implementar una
maquina-herramienta 4.0, se debe implementar sobre la
maquina seleccionada un AdmonShell que incluya los
submodelos según el tipo de maquina y sus aplicaciones
y pueda compartir la informacion y servicios a traves de
una red de comunicación conforme a la industria 4.0. A
nivel de hardware, esto requiere
79
2.8. Integración del sistema computacional.
De acuerdo a los requerimientos planteados,
dependiendo de la naturaleza del dispositivo se deben
integrar el hardware necesario para garantizar que el
AdmonShell tenga las suficientes capacidades en el
dominio de las tecnologías de la información y la
comunicación (TIC). Este hardware TIC dependerá de la
interfaz que se requiera con el centro de mecanizado y
de las aplicaciones que se quieran implementar.
En el caso del centro de mecanizado CNC, en modo
Direct Numeric Control (DNC) la maquina puede ser
controlada enviando código G y M a través del puerto
serial del controlador por interfaz RS232. Para lograr la
integración del AdmonShell con la maquina se probaron
diferentes alternativas iniciando con computadores
monoplaca como el Raspberry Pi 3 y conversores USB-
serial, también se probaron conversores WiFi-Serial
buscando una comunicación inalámbrica, pero en ambos
casos el resultado fue deficiente debido a que la
comunicación se perdía cuando la maquina encendía el
spidle o no se lograba un control de flujo eficiente por
software y la maquina entraba en error.
Finalmente se logra una comunicación robusta con el
centro de mecanizado utilizando los puertos seriales
integrados en la tarjeta madre de las computadoras de
escritorio o con puertos serial de expansión por PCIe.
Figura 8. Adaptación TIC del centro de mecanizado CNC.
La adaptación tecnológica aplicada al centro de
mecanizado CNC se muestra en la Figura 5, donde
adicional a la tarjeta PCIe-Serial y el computador de
escritorio se realiza la conexión a un router para integrar
el AdmonShell a una red inalámbrica local.
2.9. Implementación de la comunicación y
modelos de información.
OPC UA funciona como una plataforma de
comunicación a través del protocolo TCP que puede ser
implementada en diferentes lenguajes de programación
y aplicaciones comerciales. Además, OPC UA puede
ejecutarse en sistemas embebidos, así como en sistemas
empresariales. El potencial de OPC UA reside en la
combinación de mecanismos de transporte y modelado
de datos para proporcionar comunicación servidor-
cliente y publicación-suscripción. La información en el
lado del servidor se implementa de forma estructurada
siguiendo relaciones jerárquicas y no jerárquicas entre
los nodos [21].
De acuerdo con [22], para llegar a la implementacion de
un AdmonShell se debe iniciar con la comunicación a
traves de OPC UA siguiendo cuatro pasos de migración:
• Paso 1: Dar acceso a la información. Por medio de OPC
UA proporcionar una comunicación basica entre
dispositivos permitiendo acceso a la información.
Inicalmente se usa el model “OPC Device Integration”
(OPC DI) para exponer variables de identificacion y
descripcion de las máquinas y dispositivos, asi como
ofrecer servicios. Estas variables se pueden accesar y
suscribir manualmente.
• Paso 2: Integrar modelos informacion de aplicaciones
particulares. Con el fin de aumentar la interoperabilidad,
se utiliza un modelo de información estandarizado para
describir las características y funcionalidades generales
de los dispositivos y las topologías en las que operan.
Estos modelos se conocen como “companion
specifications” y se usan para definir dispositivos y
aplicaciones de areas especificas como dispositivos de
campo, PLC o máquinas.
• Paso 3 de la migración: Modelo de información
extendido. Adicional a los modelos estadarizados se
pueden agregar modelos de información no
estandarizados que incluyen información y funciones
que los desarrolladores deséen ofrecer explícitamente en
términos de experiencia y conocimiento del propietario
del equipo para apliaciones propias.
• Paso 4: Implementar el AdmonShell. Finalmente, los
datos y los servicios incluidos en el AdmonShell deben
estandarizarse mediante el uso de propiedades y
especificaciones. Esto implica que, además de las
“companion specifications”, los grupos de datos
estandarizados también se deben detallar en los modelos
de información. Además, los identificadores globales
(por ejemplo, IRDI) deben utilizarse para la
interoperabilidad entre los componentes I4.0.
Aplicando este procedimiento al centro de mecanizado
CNC, se desarrolla inicialmente el paso 1
implementando un servidor OPC UA en el lenguaje de
programacion Python usando la libreria FreeOpcUa,
importanto el modelo OPC DI desde un archivo XML
donde previamente se habia incluido los valores de la
maquina a cada parametro del modelo tales como
numero de serie, fabricante, manual etc. Esta
implementacion es provada usando el cliente OPC UA
de UAExpert.
En el Paso 2, se descarga el “companion specification”
para maquinas CNC el cual es un archivo XML que
contiene informacion tecnica estructurada para describir
las capacidades de la maquina CNC. Este archivo es
llenado con los valores correspondientes al centro de
mecanizado y importado al servisor OPC UA
previamente creado.
En el paso 3 se adicionan al servidor OPC UA un nodo
para el control local de la maquina que sera utilizado por
el Sistema de Ejecucion de Manufactura (MES por sus
suglas en ingles) para utilizar la maquina en la
80
manufactura de piezas personalizadas. En este nodo se
agrega sobre el modelo OPC DI un servicio de
manufactura que ejecuta un archivo de codigo G
entregado por el MES. Adicionalmente, en este nodo se
crean variables de tiempo de operación y estado de la
maquina para apoyar al MES en la toma de desiciones.
Finalmente en el paso 4 se integra al servidor OPC UA
un modelo estandarizado de Monitoreo de Condicion
bajo la norma VDMA 24582. Este modelo requiere la
toma de variables de maquina como la temperatura de
los motores y la presion del aire comprimido entre otras,
estas variables son tomadas de forma inalambrica por
medio de un nodo WSN (Wireless Sensor Nerwork) de
National Instruments que mapea los datos al
AdmonsShell desde un cliente OPC UA corriendo en
LabView. Esto genera un masiva cantidad de datos que
son procesados y usados en aplicaciones de
mantenimiento predictivo.
La arquitectura TIC resultante para la implementacion
del AdmonShell en el centro de mecanizado CNC se
presenta en la Figura 6.
Figura 9. Arquitectura TIC del AdmonShell para el centro de
mecanizado CNC.
3. Resultados
Como resultado se obtuvo un centro de mecanizado
CNC que cumple con el mínimo necesario para ser
considerado un equipo de industria 4.0. las nuevas
capacidades del equipo pueden ser aprovechadas en
diferentes aplicaciones.
2.10. Sistema de manufactura flexible para
productos personalizados.
Como se mencionó anteriormente, el centro de
mecanizado CNC hace parte de una celda de
manufactura flexible, esta celda funcionaba inicialmente
con un sistema de control centralizado que por su
antigüedad tubo que ser reemplazado. El nuevo sistema
de control aprovecha las capacidades de la industria 4.0
para descentralizar los procesos de toma de decisiones y
lograr nuevos niveles de flexibilidad.
En la Figura 7 se observa al centro de mecanizado CNC
como parte de una celda de manufactura flexible
completamente integrada por industria 4.0 donde las
estaciones y la celda han sido anidadas como un
componente de industria 4.0 con su respectivo
AdmonShell.
2.11. Aplicaciones de BigData e inteligencia
artificial en mantenimiento predictivo.
Actualmente, las aplicaciones de mantenimiento
predictivo se basan en correlacionar variables como
temperatura o vibración con posibles fallas en las
maquinas como falta de lubricante o desalineación, este
abordaje permite tomar medidas para evitar las fallas en
los componentes mecánicos alargando la vida útil de las
maquinas y rediciendo los costos de reparación y tiempo
sin fuera de producción típicos de un mantenimiento
correctivo.
Las correlaciones entre las variables del proceso y las
posibles fallas mecánica se programan de acuerdo a la
experticia de operarios e ingeniero. Gracias a los nuevos
niveles de interoperabilidad a los que permite llegar la
industria 4.0, es posible obtener datos no solo
localmente sino a lo largo de una red de fabricas
inteligentes que permita alimentar algoritmos de
aprendizaje automático (machine learning) que se
encargue de correlacionar variables y efectos que
permiten optimizar la toma de decisiones no solo a nivel
preventivo sino que proactivamente genere
recomendaciones que mejoren el desempeño y reduzcan
los costos por ejemplo en el agenciamiento de repuestos.
La Figura 8 muestra la arquitectura de una aplicación de
mantenimiento predictivo usando computación y
Figura 10. Celda de manufactura flexible como componente de industria 4.0
81
almacenamiento en la nube.
Figura 11. Arquitectura de una aplicación de mantenimiento
predictivo con industria 4.0 y computación en la nube.
2.12. Centro de pruebas para la industria 4.0
Otro resultado importante de este proyecto es la
generación de un espacio de laboratorio para la industria
4.0. este tipo de espacios permiten que las oportunidades
de valor ofrecidas por la industria 4.0 sean probadas y
evaluadas en un ambiente controlado y de bajo riesgo
para ser ofrecidas a las pequeñas y medianas empresas
(PYMES) con suficientes argumentos de costo-
beneficio.
Actualmente el centro de mecanizado adaptado a la
industria 4.0 esta siendo usado para investigaciones en
control estadístico de procesos, inspección por visión
computacional y manufactura reconfigurable dentro de
el paradigma de la industria 4.0.
4. Discusión
Los resultados obtenidos, así como las oportunidades
que se abren a partir de esta adaptación tecnológica son
un primer paso en la adopción de la industria 4.0. La
importancia de estos resultados esta en que permiten
implementar progresivamente los escenarios de
aplicación presentados por R. Anderl et al. [17] hasta
lograr la implementación de una fabrica inteligente.
La importancia de aplicaciones como la descrita en la
sección 3.2 radica en que típicamente en los proyectos
de aprendizaje automático la preparación y
estructuración de los datos toma un 80% del tiempo y
conlleva tareas tediosas y repetitivas. Con industria 4.0,
los datos obtenidos ya están estructurados y no requieren
preparación gracias al alto grado de estandarización
tanto de la información como de la comunicación.
Los resultados de este trabajo son relevantes para las
PYMES de economías emergentes, en el caso particular
en Colombia, donde estas representan más del 90% de
las empresas nacionales y generan alrededor del 80% del
empleo [23]. No obstante, a pesar de su importancia para
la economía del país, tienden a ser menos competitivas
y más vulnerables al punto de que cerca del 75% de las
PYME no sobreviven después de dos años [24]. Llevar
a las PYME al camino de Industria 4.0 es imperativo
para su supervivencia dentro de un mercado globalizado
y fomentar el crecimiento económico [3]. Los resultados
de este proyecto se presentan como una alternativa
demostrada donde la industria 4.0 puede ser adoptada sin
incurrir en los altos costos de inversión que implicaría la
adquisición de nuevos equipos.
5. Conclusiones
El concepto de Industria 4.0 se asocia principalmente
con las soluciones y tecnologías a implementar, tales
como manufactura aditiva, robótica cooperativa, Big
Data, computación en la nube, entre otros. Aunque esta
perspectiva sobre la industria 4.0 puede ser correcta, es
incompleta. De desarrollo practico y conceptual de este
proyecto se puede concluir que al igual que en otras
soluciones de ingeniería, la mayor parte del trabajo se
basa en el diseño de los detalles que hacen posible cada
solución. En el caso de industria 4.0, la implementación
incluye el desarrollo toda la infraestructura de
tecnologías de información y comunicación detrás de las
aplicaciones que general valor, así como la correcta
aplicación de marco de estandarización.
En este proyecto se demuestra que la adopción de
industria 4.0 en PYMES no implica una gran inversión
en nuevos equipos y tecnologías, sino que se puede
lograr a través de una modernización de los equipos
existentes utilizando hardware y software en su mayoría
de código abierto.
En este artículo, se ha demostrado el concepto y la
descripción formal de la Industria 4.0 ha sido
desarrollado ampliamente por organizaciones como el
Plattform Industrie 4.0, que proporciona informes
abiertos y documentación para facilitar la
implementación. El ignorar esta documentación en el
desarrollo de aplicaciones de industria 4.0 puede
conllevar a soluciones que sean afectivas solo
localmente pero no integrables a la red de fabricación
inteligente que la industria 4.0 tiene como meta.
6. Referencias
[1] K. Linsu, “Stages of development of industrial
technology in a developing country: A model,”
Res. Policy, 2002.
[2] M. Blanchet, T. Rinn, G. Von tharden, and G.
De Thieulloy, “Industry 4.0 The new industrial
revolution how europe will succeed,” Think Act,
2014.
[3] M. Dassisti et al., “Industry 4 . 0 paradigm : The
viewpoint of the small and medium enterprises,”
no. September, 2017.
[4] M. Hermann, T. Pentek, and B. Otto, “Design
82
Principles for Industrie 4.0 Scenarios: A
Literature Review,” 2015.
[5] Germany Trade & Invest, “Industrie 4.0: Smart
Manufacturing for the Future,” 2014.
[6] S. Weyer, M. Schmitt, M. Ohmer, and D.
Gorecky, “Towards Industry 4.0 -
Standardization as the crucial challenge for
highly modular, multi-vendor production
systems,” Int. Fed. Autom. Control, vol. 48, no.
3, pp. 579–584, 2015.
[7] Plattform Industrie 4.0, “Plattform Industrie 4.0
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83
2606. ESTANDARIZACIÓN Y CALIDAD EN LA MANUFACTURA
STANDARDIZATION AND QUALITY IN MANUFACTURING
Luz Adriana Mejía Calderón1, Carlos Alberto Romero Piedrahita 2
1Grupo de investigación en Procesos de Manufactura y Diseño de Máquinas Tecnología Mecánica, Procesos de Manufactura y Diseño
de Máquinas, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia. Email: [email protected] 2 Grupo de investigación en Tecnología Mecánica, Facultad de Tecnologías, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia. Email:
Resumen
En este artículo se exponen la estandarización y la intercambiabilidad en los procesos de diseño, cálculo, fabricación,
ensamble y pruebas, como herramientas importantes en el acercamiento de los procesos de manufactura a los niveles
mundiales de producción y de calidad. Se comentan los fundamentos generales metodológicos y científico–técnicos de
los sistemas de estandarización, particularizando la aplicación de las series paramétricas de las máquinas. Se destaca la
trascendencia del control metrológico y dimensional mediante la ilustración con tres casos: la especificación de un resorte
cilíndrico, las características de un sistema de refrigeración y el comportamiento cinemático de un mecanismo manivela
deslizador. El objetivo de este trabajo es presentar la relevancia de que este conocimiento sea impartido y fortalecido en
los alumnos de nivel superior en los programas de ingeniería y tecnología mecánica y de manufactura.
Palabras clave: Estandarización, intercambiabilidad, calidad, tolerancias dimensionales, incertidumbre.
Abstract
In this paper, standardization and interchangeability in the design, calculation, manufacturing, assembly and testing
processes are exposed, as important tools in the approach of the manufacturing processes to the world production and
quality levels. The general methodological and scientific-technical foundations of the standardization systems are
commented, particularizing the application of the parametric series of the machines. The importance of the metrological
and dimensional control is highlighted by means of the illustration with three cases: the specification of a cylindrical
spring, the characteristics of a refrigeration system and the kinematic behavior of a sliding crank mechanism. The objective
of this paper is to present the relevance of this knowledge being imparted and strengthened in undergraduate programs of
Mechanical Technology and Manufacturing Engineering.
Keywords: Standardization, interchangeability, quality, dimensional tolerances, uncertainty.
1. Introducción
Diseñar, fabricar, instalar, operar y controlar son
actividades asociadas a la aplicación de los conceptos
estandarización, intercambiabilidad y control de calidad.
En un acercamiento no formal, la estandarización se
relaciona con el desarrollo y aplicación común o
genérica de piezas, componentes, productos, procesos o
procedimientos para satisfacer necesidades
heterogéneas observadas en diferentes entornos,
persiguiendo reducir la variabilidad y acotar la calidad,
seguridad, entrega y coste. A medida que se mejora y
extiende la estandarización, esta se convierte en la línea
de base para nuevas, continuas y progresivas mejoras. El
estándar DIN [1] define estandarización como el
establecimiento y el empleo de normas con el fin de
organizar las actividades en un campo determinado para
el servicio y con la participación de todas las partes
interesadas y en particular para alcanzar una
optimización general de la economía observando las
condiciones de utilización y las exigencias ecológicas y
de seguridad. La estandarización, fundamentada en los
logros conjuntos de la ciencia, la técnica y la experiencia
de avanzada determina la base no sólo del desarrollo
actual de la industria sino también del futuro [2].
Históricamente, el desarrollo de la estandarización como
actividad de ingeniería se inició con la máquina para
limpiar la fibra de algodón de Eli Whitney en 1793,
quien posteriormente introdujo la producción de
componentes intercambiables para la fabricación de
pistolas. La estandarización de las roscas de tornillo de
Joseph Whitworth en 1841 es otro hito importante. La
producción en masa se hizo posible a través de la
84
estandarización. A principios del siglo XIX, la
estandarización ya era reconocida en los países
industrializados como una herramienta poderosa para
aumentar la productividad a través de la
intercambiabilidad y la reducción de la variedad. El
progreso de la humanidad ha ido acompañado y se ha
facilitado, por la adopción de unidades transparentes a
los idiomas y las culturas, que hoy trascienden la
materialización y se manifiestan en procedimientos y
formatos inter-industriales de conocimiento limitado,
generalizado o universal. Estas nuevas unidades se
agrupan en recomendaciones, normas y estándares, en
ese orden, y constituyen el prerrequisito técnico básico
conceptual, organizacional y procedimental de la
internacionalización y globalización de la economía
[3,4].
Hasta algún momento en la historia, durante las
operaciones comerciales, el productor y el consumidor
se encontraban cara a cara en la plaza de mercado con
los productos a negociar presentes físicamente para su
inspección y evaluación por ambas partes. La extensión
de las actividades comerciales dio nacimiento a los
protocolos de recepción y a las normas de calidad, las
muestras y las especificaciones escritas, con orígenes
que se remontan al antiguo Egipto. En la compleja
sociedad industrial de hoy, una norma de calidad tiene la
característica de una ley industrial. La empresa moderna
es una comunidad industrial completa con leyes que
indican lo que se acepta como correcto y lo que no lo es
[5]. Entre estas leyes industriales se cuentan las normas
de calidad - leyes de calidad de la comunidad industrial,
cuyo objeto pueden ser: los materiales y los productos
acabados, los procesos, los métodos de verificación y los
criterios de aceptación y rechazó, los métodos de
utilización y programas completos. Una sola norma
puede cubrir todas estas áreas o pueden necesitarse
normas separadas para una o más áreas. Los sistemas de
calidad tienen que ver con las programas de calidad que
tengan un enfoque científico, en particular para la
asignación de tolerancias, que contemplen los
parámetros y características funcionales y no
funcionales de los productos.
La intercambiabilidad de los productos (procesos,
máquinas, aparatos, mecanismos, etc.), sus partes u otras
formas de producción (materia prima, materiales,
semifabricados, etc.) es una propiedad importante que
permite reemplazar, sin menoscabo de las funciones,
cualquier ejemplar de un conjunto de productos, sus
partes u otra producción con otro ejemplar tipo. La
intercambiabilidad más empleada es la
intercambiabilidad total. El conjunto de fundamentos o
referentes científico-técnicos, cuyo cumplimiento
durante el diseño, la producción y la explotación,
garantiza la intercambiabilidad de las piezas, las
unidades de ensamble y los productos, se denomina
principio de intercambiabilidad [6]. Con la
intercambiabilidad total se simplifica el proceso de
ensamble, éste se reduce a la unión sencilla de partes,
realizada fundamentalmente por operarios de baja
calificación; es posible normalizar con exactitud el
proceso en el tiempo, establecer un ritmo de trabajo y
emplear un método de flujo; se crean condiciones para
automatizar los procesos de fabricación y ensamble de
las piezas, y también de ampliar la especialización y
cooperación de las empresas (cuando una fábrica le
suministra a otra productos unificados, unidades de
ensamble y piezas de nomenclatura limitada); se
simplifica la reparación del producto, ya que cualquier
pieza gastada o fracturada o unidad de ensamble puede
reemplazarse por una nueva.
Cuando para satisfacer ciertas condiciones se requieren
fabricar las piezas y unidades de ensamble con
tolerancias poco económicas o tecnológicamente
difíciles de garantizar, se requiere de ensamble selectivo,
compensadores, etc., para garantizar la exactitud
requerida. Esta intercambiabilidad se denomina
incompleta. La intercambiabilidad también puede ser
externa (se consideran sólo los parámetros de
explotación, forma de las superficies a unir y
dimensiones, sin considerar la composición) e interna, la
cual se aplica a las piezas, unidades de ensamble y
mecanismos que forman el producto.
Ligeramente comentados los conceptos de
estandarización, calidad e intercambiabilidad, en los
siguientes apartes de esta presentación, se puntualiza su
importancia desde la perspectiva de la manufactura.
Primeramente se esbozan las formas de estandarización
y sus beneficios, en segunda instancia se realizan
comentarios sobre la intercambiabilidad en la industria
manufacturera y en la tercera parte se reflexiona sobre la
calidad con tres ejemplos aplicables en la ingeniería
mecánica. Se cierra la presentación con las conclusiones
que los autores desean compartir en el evento.
2. Fundamentos metodológicos y científico-
técnicos de los sistemas de estandarización
En el sistema mundial, para todas las ramas de la
economía, todos los bloques económicos reconocidos
tienen sus propios estándares, con diferencias y
equivalencias: los norteamericanos desarrollan su
sistema de normas ANSI, el cual a su vez interactúa con
otros subsistemas (ASME, IEEE, SAE, ASTM, AISI,
etc.); los japoneses edifican su sistema de
estandarización JASO, los alemanes poseen su estándar
DIN, del cual en mayor grado se ha desarrollado el
sistema internacional de estandarización ISO. Los
sistemas de estandarización determinan los aspectos
organizacionales, metodológicos y prácticos de la
85
estandarización en todos los campos de la economía. La
principal finalidad de los sistemas de estandarización es,
con la ayuda de los estándares que establecen los
indicativos, las normas y las exigencias
correspondientes al nivel avanzado de la ciencia la
tecnología y la producción internacional, contribuir al
desarrollo proporcional y equilibrado de todas las ramas
de la economía. Los sistemas tienen también los
objetivos de mejorar la calidad del trabajo, la calidad de
la producción y garantizar su nivel óptimo; garantizar las
condiciones para el desarrollo de la especialización en el
campo del diseño y la producción, reducir la
laboriosidad, el gasto de material y otros indicativos;
servir de enlace entre los indicativos de la producción y
las exigencias ambientales y de seguridad; garantizar las
condiciones para la competencia en los mercados
internacionales; utilizar racionalmente los medios de
producción y economizar los medios y recursos de
producción; desarrollar la cooperación económica y
técnica internacional; garantizar la seguridad laboral,
conservar el medio ambiente y mejorar la utilización de
los recursos naturales.
Para lograr los objetivos anteriores se establecen
sistemas progresivos de estándares basados en
programas conjuntos que determinan las exigencias a la
construcción de los productos, la tecnología de su
producción, la calidad de la materia prima, de los
materiales e insumos y también que crean las
condiciones para la formación de la calidad exigida de
la producción final en las etapas de su diseño,
producción y utilización. Los estándares se desarrollan
tanto para los objetos materiales (producción, patrones,
muestras de sustancias, etc.) como para las materias
organizativo-metodológicas y de técnico-generales [4].
El estándar es la solución más racional a una tarea
repetitiva para alcanzar un objetivo determinado. Los
estándares contienen indicativos que garantizan la
posibilidad de elevar la calidad de la producción y la
economía de su producción, y también los niveles de su
intercambiabilidad. Para garantizar la elevada calidad de
los productos, se debe poseer estándares de calidad,
durante cuya elaboración o adopción se observen los
principios de integralidad y optimización,
intercambiabilidad funcional, interrelación con otros
estándares, preferencia, dinamismo, mínimo gasto de
materiales, etc.
En el contexto internacional, los fundamentos
metodológicos y científico – técnicos de los sistemas de
estandarización se construyen por orden de cobertura:
los estándares ISO, los estándares propios de la industria
específica (la automotriz, la aeroespacial, la petrolera,
etc.), los estándares propios de los asuntos
gubernamentales (ministerios, departamentos de
seguridad, etc.), los estándares empresariales (cada
empresa puede llegar a tener sus propios estándares, por
lo menos mientras no se haya consolidado una tendencia
bajo alguno de los grupos anteriormente mencionados.
Un grupo de estándares al mismo nivel de jerarquía lo
constituyen las condiciones técnicas (normativas de
calibración y pruebas, por ejemplo) [4]. Del mismo
esquema se puede concluir sobre la riqueza conceptual
subyacente en la filosofía de la estandarización y que
actualmente sirve de base de diálogo a todas las
actividades de desarrollo del producto (PLM), justifica
la promoción de la producción ajustada (manufactura
austera), en los niveles segundo y tercero; así como las
perspectivas de evolución de los estándares, pasando por
los que dan cuenta de su nivel de actualidad y
pertinencia.
Son objeto de estandarización, entre otros: las
condiciones, especificaciones y exigencias técnicas de
los productos; las normas técnicas generales y normas
de diseño, los métodos de cálculo (de resistencia,
exactitud, fiabilidad, etc.); la unificación de las
máquinas, sus bloques y sus piezas; el modulado e
integración de las máquinas; las exigencias que deben
cumplir los materiales, los artículos comprados y
obtenidos por alianzas; las exigencias que deben
satisfacer los métodos y medios técnicos de preparación
y organización de la producción (estos incluyen los
procesos tecnológicos de fabricación de los artículos
propios y los comprados y obtenidos por alianzas); los
métodos y medios de prueba de la máquina y de sus
módulos y piezas; los tipos de parámetros y dimensiones
principales; los procesos tecnológicos tipo, las normas
de recepción, nomenclatura, diseños y dimensiones; los
métodos de control (pruebas, análisis, mediciones), las
normas de marcado, empacado y transporte y
conservación, las normas de explotación y reparación.
En los estándares de exigencias a los procesos
tecnológicos se pormenorizan las relacionadas con los
equipos, utillaje y aditamentos tecnológicos,
instrumentos de corte, métodos y medios de control y la
seguridad laboral [2].
Durante la estandarización se realizan trabajos de
sistematización, clasificación, simplificación,
ubicación, tipificación de los diseños de los productos
tecnológicos y agrupamiento de los artículos. La
estandarización está mediada por los principios de
sistemicidad, intercambiabilidad, científico-
investigativo, progresividad y optimización, austeridad,
ecologicidad, interrelación y preferencia. La
estandarización es dinámica, es objeto de vigilancia en
su cumplimiento y se somete a revisión de
determinación de la efectividad económica.
Estandarización de las series paramétricas de las
máquinas. Principio de preferencia. Generalmente las
medidas características de las piezas y las uniones tipo,
86
las series de tolerancias, ajustes y otros parámetros se
estandarizan simultáneamente para muchas ramas de la
industria, por lo que los estándares incluyen un amplio
margen de valores de los parámetros. Para elevar el nivel
de intercambiabilidad y reducir la nomenclatura de las
piezas y las medidas características de las piezas brutas,
del instrumento de corte, de los calibres utilizados en tal
o cual rama de la industria y también para crear las
condiciones de especialización efectiva y cooperación
de las fábricas, el abaratamiento de la producción y la
unificación, se emplea el principio de preferencia. De
acuerdo a este principio se establecen varias series de
valores de parámetros estandarizados con orden de
preferencia para la primera serie, seguida por la segunda
y la tercera. Por este principio se construyen la serie de
los diámetros y los pasos de las roscas milimétricas, las
series de los ángulos normales, los estándares de ajustes
y tolerancias para las uniones cilíndricas, etc. Además,
se recomienda dentro de cada rama de la industria
reducir al mínimo el número de parámetros permisibles
a emplear, los tipos y las medidas. El principio de
preferencia es particularmente importante en la
sistematización de los parámetros y las medidas de las
máquinas, y de sus partes, realizado durante la
unificación y la estandarización, y se basa en el empleo
de las series de números preferentes. Las más empleadas
son las series construidas según una serie geométrica, la
cual constituye una serie de números con relación
constante de dos números adyacentes- la razón φ de la
progresión. Las series de los números preferibles deben
emplearse no sólo durante la estandarización, sino
también al elegir los valores nominales de los
parámetros en el proceso de diseño de cuales quiera de
las máquinas no estandarizadas, aparatos y otros
productos y sus partes (materias primas y materiales)
[6].
Para la reducción racional de la nomenclatura de los
productos, con el fin de unificar, aumentar la producción
en serie y desarrollar la especialización de la producción,
se elaboran estándares para las series paramétricas de
estos productos [9]. Cada máquina se caracteriza por
varios parámetros estandarizados, cuya nomenclatura
debe ser mínima, pero suficiente para valorar las
características de explotación del tipo dado de máquinas
y de sus modificaciones. De todo el grupo de parámetros
de las máquinas, siempre puede destacarse uno principal
y varios parámetros fundamentales.
El parámetro principal. Es el parámetro que determina
el indicativo más importante de explotación de la
máquina y no depende de los perfeccionamientos
técnicos, ni de la tecnología de fabricación. Por ejemplo,
el principal parámetro de un puente grúa es la capacidad
de carga; de un torno - las dimensiones máximas de las
piezas a maquinar o el vuelco; de una brochadora - la
fuerza de tracción; de un calibrador - el intervalo de
medición, etc. Según el parámetro principal se construye
la serie paramétrica, compuesta por un conjunto de
valores numéricos de las magnitudes del parámetro
principal de las máquinas (u otros productos) construida
regularmente a un intervalo determinado, que tiene una
destinación funcional y cuya cinemática y proceso de
trabajo son análogos. Se denominan fundamentales a los
parámetros que determinan la calidad de la máquina. Por
ejemplo, para las máquinas herramientas son la
exactitud de maquinado, la potencia, los límites de las
velocidades de corte, la productividad. Para los aparatos
de medición son la exactitud de medición, la fuerza de
medición y otros. Los parámetros fundamentales a veces
se expresan a través del parámetro principal. Por
ejemplo, el parámetro principal de un compresor de
émbolo es el diámetro D del cilindro. Un parámetro
fundamental es el caudal Q. Estos están relacionados por
la expresión:
2 20,25 ; 0,25Q D H n K D K n H (1)
donde H es la carrera del pistón; n es la frecuencia de
rotación.
Las series paramétricas, medidas tipo y constructivas, a
veces se construyen a partir de la variación proporcional
de sus indicativos de explotación (potencia,
productividad, fuerza de tracción, etc.). Al construir las
series paramétricas, medidas tipo y constructivas, se
observa la semejanza del proceso de trabajo que
garantice la igualdad de los parámetros de tensión
térmica y de esfuerzos de la máquina y de sus piezas.
Esta semejanza mecánica se traduce en semejanza
geométrica. Por ejemplo, para los motores de
combustión interna existen dos condiciones de
semejanza [6]:
- La igualdad de la presión media efectiva pe, la cual
depende de la presión y la temperatura de la mezcla
combustible en la admisión;
- La igualdad de la velocidad media del pistón Vp=
S·n/30 (S es la carrera del pistón; n es la frecuencia de
rotación del motor) o la igualdad del producto D·n, D es
el diámetro del cilindro.
En la literatura especializada de motores alternativos,
por ejemplo, puede verificarse, mediante cálculos, que
la igualdad de los parámetros de esfuerzos térmicos y
mecánicos del grupo cilindro-pistón se garantiza cuando
se parte como parámetro principal del diámetro del
cilindro D. Esto brinda la posibilidad de crear una serie
de motores geométricamente semejantes con relación
S/D = const., observando los criterios indicados de
semejanza del proceso de trabajo. Los motores
87
geométricamente semejantes tendrán los mismos
rendimientos termodinámico, mecánico y efectivo, la
misma tensión térmica y de esfuerzos y la misma
potencia. La gradación del espesor de la pared del
cilindro h será la misma gradación de D. Debe anotarse
que estas analogías son válidas entre motores de
tecnologías similares.
En la mayoría de los casos los valores numéricos se
eligen de las series de números preferentes [7,8]. En la
construcción de máquinas la serie más empleada es la
R10. Para las rectificadoras longitudinales el máximo
ancho de las piezas a maquinar se toma de la serie R10:
200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600;
2000; 2500; 3200 mm. La serie R10 también se utiliza
para las potencias nominales de las máquinas eléctricas.
Por esta misma serie se toman los diámetros de las fresas
triédricas: 50; 63; 80; 100 mm. A veces se emplean las
series R20 y R40. Por ejemplo, para los compresores de
émbolo con diámetro del cilindro 67,5 mm, la
productividad nominal corresponde a la serie R20/3. Los
valores mínimos y máximos del parámetro principal, y
también la frecuencia de la serie se establecen no sólo
basándose en la necesidad presente, sino también
teniendo en cuenta las perspectivas de desarrollo de la
economía, los logros de la ciencia y la técnica, y las
tendencias de desarrollo de las máquinas que determinan
las series paramétricas.
Unificación y modulado de las máquinas. La
unificación es la adopción de una uniformidad de forma
o de funciones de acuerdo a una característica y la
reducción racional del número de objetos análogos,
sobre la base de la efectividad de empleo. Durante la
unificación se establece el mínimo número suficiente de
tipos, formas, medidas, artículos, unidades de ensamble
y piezas, que posean elevados parámetros de calidad e
intercambiabilidad total. Sobre la base de la unificación
de las piezas, bloques, módulos, máquinas y aparatos
yace su semejanza constructiva, la cual se determina por
el proceso común de trabajo, las condiciones de trabajo
del artículo, es decir, por las condiciones comunes de
explotación. Entre ellas, por ejemplo, se encuentran el
carácter de la carga y su régimen de variación, las
condiciones de temperatura, la tensión mecánica y
térmica, entre otros.
3. Objetos de la estandarización integral en la
industria manufacturera
Todas las operaciones desde el inicio de la manufactura
de un producto hasta el final de su ciclo de vida son
susceptibles de normalización y estandarización. La
estandarización demanda la sistematización,
optimización y el enlace e integración de todos los
factores interrelacionados, que permiten alcanzar los
niveles óptimos de calidad en la producción en los
tiempos requeridos. Entre los principales factores que
determinan la calidad de las máquinas y otros
productos, así como la efectividad de su producción y
explotación figuran los siguientes: perfección de diseño
y de los métodos de diseño y cálculo de las máquinas (de
sus partes componentes y de las piezas) a la resistencia,
rigidez y exactitud; la calidad de la materia prima
utilizada, los materiales, semi-fabricados, artículos
comprados y obtenidos por alianzas; el grado de
unificación, modularidad y estandarización; el nivel de
la tecnología y de los medios de producción, control y
pruebas; el nivel de intercambiabilidad, organización de
la producción y explotación de las máquinas; la
cualificación de trabajadores y la calidad de su trabajo.
Para lograr una elevada calidad de las máquinas deben
optimizarse los factores anotados y un acuerdo y
comunicación estrictos y permanentes con respecto a las
exigencias de calidad tanto durante el diseño como
durante las etapas de producción y explotación. La
solución de este problema es compleja porque son
muchas las empresas que se pueden ver involucradas en
la construcción de un producto. Por ejemplo, en la
producción de un modelo de un automóvil pueden
ensamblarse cerca de 4000 artículos y unidades de
ensamble, comprados y obtenidos por alianzas; son
muchos los procesos tecnológicos involucrados y miles
los utillajes y medios de control y medición abarcados.
Los criterios de estandarización en general son
dinámicos, cada vez son más exigentes, cada vez
aparecen nuevos conceptos que los modifican. En una
época en que los tiempos de concepción y desarrollo de
los productos son más acelerados, se diseñan y utilizan
medios de diseño más cercanos al cliente, para que éste
intervenga en el proceso de creación, producción y
explotación (diseño, producción y explotación
virtuales). La calidad se torna más subjetiva y más
manejable, pero la estandarización no debe ser tan
sensible a las variaciones subjetivas y debe ser más
prospectiva. Es un reto mayúsculo porque de la
concepción a la realización de un producto se requiere
cada vez menos tiempo (el período requerido para la
realización práctica de la radio desde su concepción fue
aproximadamente de 35 años, de 1867 a 1902; la
televisión requirió 14 años, de 1922 a 1936; el transistor
sólo requirió 5 años, de 1948 a 1953; el celular requirió
sólo dos años. Hoy el período requerido para la
concepción y realización de un vehículo nuevo es de 6
meses, en los inicios de la década de los 90 era de 5
años).
88
4. Ejemplos de la estandarización de los
productos y de las unidades ensamble.
Estandarización de los elementos elásticos (resortes,
membranas, etc.). Esta prevé garantizar la
intercambiabilidad tanto dimensional, como de
funcionamiento: característica de deformación en
función de la carga aplicada. El valor óptimo de los
parámetros y la estabilidad de la característica de los
elementos elásticos está determinado por la exactitud de
sus medidas y su forma, por las propiedades mecánicas
de los materiales, y también por los factores
tecnológicos y constructivos.
Para mostrar con un ejemplo la importancia de la
estandarización de los productos y su relación con las
características funcionales de las piezas, se propone
analizar la característica de un resorte de compresión
como el ilustrado en la Figura 1. Para una longitud del
resorte H1 = 8,5 mm en estado comprimido el indicativo
de explotación, la fuerza elástica P, debe ser constante
(Figura 1,b) e igual a (1 ± 0,1) N.
Los resortes que trabajan en los reguladores de presión
y en los elementos de los aparatos de medición, por
ejemplo, deben garantizar una determinada
característica de carga versus deformación (Figura 1,d).
El resorte analizado (para trabajo elástico) se calcula a
la máxima carga a partir del esfuerzo permisible. La
relación entre la fuerza P y la deformación λ provocada
por ésta tiene la forma:
4 3
08P G d D i (2)
donde G es el módulo de elasticidad de segundo orden
(para el caso dado, el material es acero, 1,5678,5G
GPa; d es el diámetro del hilo (0,040,3d mm),
1H H ; H es la longitud del resorte en estado libre
15 0,7H mm; H1 es la longitud del resorte bajo
carga (H1 = 8,5 ± 0,7 mm); D es el diámetro externo del
resorte (D = 4,3 - 0,16 mm); D0 es el diámetro medio del
resorte (D0 = D – d); (D0 = 3,9 ± 0,1 mm) ya que
0max 4,3 0,3 4D mm; 0min 4,14 0,34 3,8D
mm; i es el número de espiras de trabajo (i = 9 ± 0,25).
Figura 1. Resorte de válvula de seguridad. a) Esquema
de la válvula; b) medidas principales; c) y d)
características del resorte [autor]
El valor medio de la fuerza elástica calculada del resorte,
encontrado por la expresión (2), considerando los
valores medios de las variables que intervienen:
4 6 3 979,28 0,32 6,5 10 /8 3,9 9 10 1,26mP N.
Es decir, 26 % mayor que el valor requerido. Esta
inconcordancia entre la fuerza axial media dada y el
valor medio de la fuerza elástica es una de las causas de
la falla de los resortes. Los valores límites de la fuerza
de elasticidad P del resorte son funciones de las
variables independientes G, d, Do e i, es decir P = f (G,
d, λ, Do,, i). La desviación límite, es decir, la mayor
desviación, en valor absoluto, del valor medio de la
fuerza elástica, se calcula [10]:
0
0
P P P P PP d D i G
d D i G
(2)
Reemplazado los valores de las derivadas parciales, se
obtiene:
3 4 4 4 4
03 3 3 3 2 3
0 0 0 0 0
4 3
8 8 8 8 8
d G Gd d Gd GdP d D G i
D i D i D i D i D i
(3)
Dividiendo por el valor P calculado, y también tomando
𝛥𝜆 = ΔH, se determinan las desviaciones relativas:
0
0
4 3P d D G i H
P d D G i
(4)
de donde:
4 1,0 4 0,020,25
0,32d
P dP
d
N
0
0
0
3 1,0 3 0,10,08
3,9D
P DP
D
N
1,0 0,780,01
79,28G
P GP
G
N
1,0 0,250,03
9i
P iP
i
N
1,0 0,70,11
6,5H
P HP
N
La desviación total de la fuerza determinada por el
método de máximo y mínimo es igual a la suma de las
desviaciones relativas de todos los parámetros: P = 0,24
+ 0,08 + 0,01 + 0,03 + 0,11 = 0,48 N. Las desviaciones
ΔPd son sistemáticas, las desviaciones de los demás
parámetros son causísticas (o aleatorias). La desviación
total probable de la fuerza P (con Ki = 1): 2 2 2 2
lim 0,25 0,08 0,01 0,03 0,11 0,25 0,14 NP
Si las desviaciones de los parámetros son simétricas, las
89
desviaciones límite de la fuerza elástica serán ΔP∑lím.mín
= 0,11 N y ΔP∑lím.máx = 0,39 N, ya que son posibles tanto
las desviaciones casuísticas positivas como las negativas
con respecto al valor medio P. En consecuencia, la
dispersión de la fuerza elástica del resorte supera
significativamente la tolerancia establecida 0,2 N. Como
las desviaciones ΔPd y ΔPG son sistemáticas, son por
tanto eliminables, ellas pueden disminuirse
reemplazando los valores reales del diámetro del hilo y
el módulo de elasticidad del material en la fórmula de
cálculo. Para disminuir las otras desviaciones, el resorte
se calibra de acuerdo a la característica elástica variando
el número de hilos libres y comprimidos del resorte.
Estandarización y calidad de los sistemas térmicos.
(intercambiadores, ventiladores, bombas, etc.). Esta
prevé garantizar la intercambiabilidad de
funcionamiento: calores intercambiados y flujos de
fluidos. Si bien el modelado de un sistema real puede
tener sus ventajas, es importante ser consciente de las
incertidumbres que la comparación de los resultados de
la simulación con los resultados experimentales puede
generar. Las comparaciones entre resultados
experimentales y resultados de simulación pueden
aceptarse con desviaciones de +/- 10%. Esta desviación
es prudente, dado que son muchas las variables que
intervienen en el modelo y en todas ellas hay un rango
de incertidumbre. Por ejemplo, si se considera la
ecuación básica de disipación de calor en un
intercambiador de calor, el cual es función de las
propiedades del fluido, el flujo másico y las
temperaturas de entrada y salida:
2 1p pQ mC T T mC T (5)
Se puede determinar la desviación o error posible, tras
descomponer en la serie de Taylor y dejar sólo los
términos de primer orden, como:
p pQ Q m m Q C C Q T T
(6)
Reemplazado los valores de las derivadas parciales en la
expresión se obtiene:
p p pQ C dT m mdT C mC T (7)
Dividiendo la anterior expresión por Q = mCpdT
pueden determinarse las desviaciones relativas:
p pQ Q m m C C T T (8)
Si se reemplazan las desviaciones de flujo, calor y
temperaturas del modelo por las tolerancias de las
variables en la última ecuación, se obtendría la
contribución discreta de las desviaciones de las variables
a la desviación total del flujo de calor predicho, no
considerando las interacciones. Lo correcto es pensar
que el modelo trabaja con unas tolerancias. Si se asumen
las desviaciones, por ejemplo desviaciones para las
variables: 3%m ; 0,012pC ; 1,5ºT C ,
entonces la desviación del flujo de calor calculado a
través del radiador del motor de un motor Caterpillar
G3600 de 4000 HP se puede alcanzar el valor de
214,45Q kW [33].
Como anotan Taylor et al. [10]Error! Reference source
not found., la cuantificación de las incertidumbres en
los problemas de ingeniería térmica se ve dificultada
porque los proveedores de los componentes como
bombas, ventiladores y accesorios, no proveen
información relacionada con la incertidumbre de sus
características, y porque también la información de
ingeniería que reportan está basada generalmente en
criterios de semejanza y leyes de escalado.
Tolerancias dimensionales de las piezas en los
mecanismos. Tan importantes como las tolerancias y los
ajustes son las desviaciones de forma, orientación,
batimiento (o fluctuación), localización, perfil y acabado
superficial. La exactitud de montaje, la cinemática y la
dinámica de los mecanismos, de los eslabones,
rodamientos, los elementos de transmisión, depende
grandemente de la exactitud dimensional de estos. Un
ejemplo que muestra la importancia de la asignación de
límites a las desviaciones dimensionales lo constituye el
montaje de los eslabones del mecanismo manivela
deslizador, como el ejemplar mostrado en la Figura 2.
Figura 2. Ejemplo de mecanismo manivela deslizador
A partir de las ecuaciones de lazo del mecanismo,
sin sin 0 y cos cosC Cy r L x r L (9)
90
Se puede obtener la posición xC del deslizador como
función únicamente de R, L y ,
2 2 2cos sinCx R L R (10)
La desviación de esta variable cinemática dependerá de
las incertidumbres tomadas (medidas o estimadas) de las
variables geométricas R y L, de manera que,
2
2 2 2 2 2 2
sincos
sin sinC
R Lx R L
L R L R
(11)
Asumiendo, por ejemplo, una incertidumbre en la
medición de la longitud de la manivela de ±0.025% y la
biela del ±0.05%, para valores R=40±0.04 mm y
L=120±0.24 mm, los errores absolutos en el
posicionamiento final del pistón obtenidos para el giro
completo de la manivela se aproximarán a los calculados
en la Figura 3.
5. Conclusiones
Ha sido el propósito del presente escrito el conversar y
retomar la atención sobre la importancia de la
estandarización, la calidad y la intercambiabilidad en los
procesos de diseño, cálculo, fabricación, ensamble y
pruebas de productos, como un tema siempre actual
merecedor de ser recreado en un evento como el
Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. Es un
tema que no es novedoso, que es de siempre, muy actual
en los momentos modernos de competitividad global en
la era digital y de la competitividad y que los autores se
han atrevido a presentar.
Figura 3. Error absoluto en la posición del deslizador
para diferentes valores de incertidumbre en las
longitudes de la manivela y la biela.
6. Referencias
[1] H. J. De Vries, H. J. Standardization: What’s in a
Name? Standardization: A Business Approach to the
Role of National Standardization Organizations, 137–
157, 1999. doi:10.1007/978-1-4757-3042-5_8.
[2] ISO/IEC, 2004. Standardization and related activities
-- General vocabulary. ISO: Geneva.
[3] DIN. The Economic Benefits of Standardization: An
update of the study carried out by DIN in 2000. Beuth
Verlag: Berlin, 2011.
[4] K. Blind. Driving Forces for Standardisation at
Standardisation Development Organisations. Applied
Economics, 34 (16): 1985-1998, 2002.
[5] J.L Guasch, J.L. Racine, I. Sánchez, M. Diop.
Quality Systems and Standards for a Competitive Edge.
The World Bank: Washington, 2007.
[6] ORLOV, P. I. Ingeniería de Diseño (tomos 1, 2 y 3).
Mir. Moscú, 1985.
[7] C.Y. Baldwin and K. B. Clark. Design rules.
Cambridge, MA: MIT Press, 2000.
[8] ISO 3:1973-04 - Preferred numbers - Series of
preferred numbers. International Standards
Organization (ISO). April 1973.
[9] G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen and K.H. Grote
Engineering Design: A Systematic Approach, Third
Edition, Springer-Verlag, London, 2007.
[10] R.P. Taylor, B.K. Hodge, C.A. James, “Estimating
uncertainty in thermal systems analysis and design”,
Appl. Therm. Eng., vol. 19, pp. 51-73, 1999.
[11] A. Sinha, B.J. Gilmore, F. Zhang and V. Kohli.
“Efficient computation of the sensitivities of
reciprocating engine dynamics to dimensional
tolerances”, Mechanism and Machine Theory, 1997,
32(2), pp. 241-253.