Embed Size (px)
Citation preview
P a g e 1 | 47
IMPLEMENTACIÓN DE UNA METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICO CON HERRAMIENTAS MODERNAS DE
SIMULACIÓN
Juan Felipe Pedraza Avila
Estudiante de ingeniería mecánica
Universidad de los Andes
Bogotá, Colombia
Proyecto de grado
Profesor Asesor: Giacomo Barbieri, Ph.D.
Mechanical Engineer
Diciembre 2017
P a g e 2 | 47
Tabla de contenido
I. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 3
II. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................................. 4
1) Trabajo previo....................................................................................................................................................... 4
2) Proceso de diseño.................................................................................................................................................. 4
3) Mecatrónica .......................................................................................................................................................... 5
4) Controlador Programable Lógico (PLC – Programmable Logic Controller)............................................................ 7
5) Virtual Commissioning ......................................................................................................................................... 7 6) Industria ............................................................................................................................................................... 9
III. METODOLOGÍA ..................................................................................................................................................... 10
IV. CASO DE ESTUDIO ................................................................................................................................................ 11
V. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE .................................................................................................................... 11
VI. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA .................................................................................................................... 11
VII. ANÁLISIS FUNCIONAL ......................................................................................................................................... 12
VIII. SÍNTESIS DE DISEÑO .......................................................................................................................................... 13
1) Diseño mecánico ................................................................................................................................................. 13
2) Identificación funcional ....................................................................................................................................... 16
3) Diseño electrónico .............................................................................................................................................. 17
4) Diseño de software .............................................................................................................................................. 17
IX. DISEÑO DETALLADO Y CONSTRUCCIÓN ....................................................................................................... 19 A. Capa cinemática ...................................................................................................................................................... 19
B. Capa cinética........................................................................................................................................................... 23
X. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN ........................................................................................................................ 29
1) Pruebas al módulo .................................................................................................................................................... 29
2) Costos ..................................................................................................................................................................... 31
3) Verificación y validación ......................................................................................................................................... 32
XI. RESULTADOS Y CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 34
1) Resultados ................................................................................................................................................................ 34
2) Conclusiones ............................................................................................................................................................ 35
3) Trabajo posterior ...................................................................................................................................................... 36
XII. REFERENCES ......................................................................................................................................................... 37
XIII. ANEXOS ................................................................................................................................................................. 38
ANEXO 1. Análisis multi-criterio ................................................................................................................................... 38
ANEXO 2. Código Matlab ............................................................................................................................................. 39
ANEXO 3. Código Industrial Physics ............................................................................................................................. 41
ANEXO 4. Código Arduino............................................................................................................................................ 43
P a g e 3 | 47
Abstract — El actual proyecto de grado tienen como finalidad aplicar una metodología de diseño mecatrónico, para el diseño y
construcción de un sistema automatizado capaz de dosificar una cantidad determinada de café molido. Durante el proceso de
diseño se incorporó el uso de la herramienta Virtual Commissioning, con el fin de integrar las disciplinas de la mecánica, la
electrónica, y la computacional.
Palabras clave — automatización, Virtual Commissioning, Systems Engineering, mecatrónica, metodología de diseño, dosificación.
I. INTRODUCCIÓN
El concepto de línea de producción se originó desde los inicios de la industrialización, época en la cual se empezó a definir
una secuencia específica de operaciones para ciertos procesos con el fin de llevarlos a cabo, obteniendo como resultado final
un producto para el consumo humano [1]. Con el avance de la tecnología, dichos procesos industriales han sido
automatizados parcialmente o en su totalidad. La automatización se puede definir como la técnica de hacer que un aparato,
sistema o proceso opere de forma automática. Hoy en día, la automatización abarca diversas áreas de la tecnología (sistemas
de integración, robótica, procesos de control), y es usada para muchas aplicaciones dentro de la industria, abarcando casi en
su totalidad los productos que utilizamos a diario (computadores, celulares, vehículos, alimentos, entre otros). En el pasado,
el principal objetivo de la automatización era incrementar la producción, y reducir los costos asociados al personal,
reemplazándolos con este sistema. Actualmente, la mayor ventaja de la automatización se puede encontrar en el incremento
de la flexibilidad y la calidad de manufactura, que se obtiene al implementarla en el proceso de producción. En pocas palabras, en caso de que el proceso necesite alguna modificación, un trabajador necesitaría capacitarse para realizarlo, a
diferencia de un robot, el cual puede ser programado para llevarlo a cabo, e incluso con una mejor calidad de manufactura
[2].
El diseño de estos sistemas de automatización pueden realizarse aplicando una metodología de diseño mecatrónica, pues esta
incorpora elementos mecánicos, eléctricos y computacionales durante el proceso de diseño, con el fin de obtener un sistema
integrado autónomo. El concepto de mecatrónica se originó en Japón alrededor de 1970, para describir la integración de
componentes mecánicos y electrónicos en productos de consumo [2]. La mecatrónica se puede definir como la integración de
sensores, sistemas físicos, actuadores, y sistemas de control, a través del proceso del diseño mecatrónico, que permite una
toma de decisiones compleja [3]. En la figura 1 es posible observar el campo de acción de la mecatrónica:
Figura 1. Campo de acción de la mecatrónica. [3]
En el proceso de diseño de un sistema, se pueden aplicar diferentes teorías para definir la metodología que se va a llevar a
cabo [4], pues es posible utilizar una teoría de disciplinas independientes o una de disciplinas integradas. En la teoría de
disciplinas independientes (metodología secuencial) [5], se realiza el diseño de cada componente del sistema de forma
separada, es decir, primero se realiza el diseño de los componentes mecánicos, luego los electrónicos, y finalmente se
implementa el software de control. La teoría de disciplinas integradas (metodología concurrente), a diferencia de la
metodología secuencial, ofrece la posibilidad de realizar pruebas al sistema antes de ser construido, por medio de
herramientas de simulación. Lo anterior permite realizar las elecciones correctas en una etapa temprana del diseño, para
optimizar su resultado antes de ser construido.
P a g e 4 | 47
En el presente proyecto de grado se busca elaborar el diseño mecánico y electrónico de un sistema mediante una metodología
concurrente, y a través de herramientas de simulación, como lo es el Virtual Commissioning. Esta metodología, será
verificada a través de un caso de estudio de un módulo autónomo de división de los granos de café para una máquina
tostadora, moledora y empacadora.
Objetivos
Principales
• Aplicar una metodología de diseño mecatrónico para el diseño y construcción de un sistema automatizado.
Secundarios
• Construir un sistema funcional automatizado encargado de dividir café molido en grupos de 1 a 50 gramos para su
posterior empaquetado. • Implementar una lógica de control con Arduino haciendo uso de sensores, motores y controladores.
• Diseñar un sistema funcional con el uso de la herramienta Virtual Commissioning
II. ESTADO DEL ARTE
1) Trabajo previo
Un grupo de estudiantes de la Universidad de los Andes supervisado por el profesor Giacomo Barbieri, realizó un primer
diseño de la máquina funcional tostadora, moledora y empacadora de café, en el semestre 2017-01. Este diseño se llevó a
cabo por módulos separados individualmente, es decir, un módulo de tostado, otro de moledura, y finalmente uno de
empaquetado. Cada uno de estos módulos cuenta con un diseño y un prototipo ya definido por el estudiante. El proceso que
se siguió para el diseño de estos módulos fue una metodología de diseño mecatrónica lineal, pues se definieron unos
requerimientos, se plantearon algunas alternativas, se escogió un diseño, se construyó un prototipo, y finalmente se realizaron
las pruebas de funcionamiento del mismo. Lo anterior quiere decir que el sistema mecánico, el eléctrico, y el diseño del software, fueron implementados en etapas diferentes, y no simultáneamente como un diseño integrado. El actual proyecto de
grado, a diferencia del trabajo previo realizado, tiene como finalidad plantear una metodología para el diseño integrado de
sistemas que exigen el uso de conocimientos tanto mecánicos, como electrónicos y de sistemas de control.
2) Proceso de diseño
a) Ingeniería secuencial
El proceso de diseño en ingeniería secuencial se realiza a través de una serie de pasos de forma lineal. Los diferentes pasos
van seguidos el uno del otro, y se lleva a cabo una tarea a la vez [6]. Este proceso de diseño permite una mejor organización de cada etapa, razón por la cual, se logra tener un mejor control del proceso. Una de las complicaciones que se pueden
presentar, es la falta de comunicación efectiva entre los grupos de trabajo, la cual puede originar fallas en la coordinación de
los componentes, ya sea en su planeación, manufactura, o ensamblaje. Los cambios que sean necesarios hacer para corregir
los errores a lo largo del proceso, pueden involucrar complicaciones y costos imprevistos, ya que solamente pueden ser
corregidos en la etapa final de integración del mismo [7].
Figura 2. Diseño secuencial.
P a g e 5 | 47
b) Ingeniería concurrente
En la ingeniería concurrente, diferentes tareas se llevan a cabo al mismo tiempo, y no necesariamente en el mismo orden [6].
Adicionalmente, esta permite resolver varios problemas asociados al proceso de diseño secuencial. Una de las principales
ventajas de este proceso de diseño, es el ahorro de tiempo, pues varias tareas se realizan de manera simultánea, lo que
garantiza un diseño en un periodo de tiempo más corto. Así mismo, se resuelven problemas respecto a la manufactura y/o
ensamblaje, pues al tratar simultáneamente varios pasos del diseño, se reducen los cambios necesarios relacionados con iteraciones posteriores. Sin embargo, esta metodología de trabajo presenta una desventaja en algunos casos, ya que ciertos
elementos a lo largo del diseño deben hacerse con supuestos, cuyos riesgos son desconocidos para una etapa posterior del
proceso. Es por esto, que la etapa de iteración y pruebas al producto, es un aspecto importante que se debe tener en cuenta al
finalizar el proceso de diseño. [7]
Figura 3. Diseño concurrente.
3) Mecatrónica
Actualmente no existe una definición estándar para el término “mecatrónica”. La primera aproximación, fue presentada en
1969 por Ko Kikuchi, presidente de la compañía japonesa YASKAWA. Esta definición entendía la mecatrónica, como la
mejora de los componentes mecánicos con respecto a su función electrónica. [8] La definición del término se expandió al
área tecnológica, y más adelante, en 1989, Schweitzer lo define como “un campo interdisciplinario de la ciencia de
ingeniería, que está basado en las disciplinas clásicas de la ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica y la tecnología de
información. Un sistema mecatrónico típico obtiene señales, las procesa y se obtienen señales que se convierten por ejemplo
en fuerzas y movimientos” [8]. Muchos otros autores le dieron una definición a la mecatrónica, tales como Harashima, Van
Brussel y Rolf Isermann. Según este último, un sistema mecatrónico nace de la integración de elementos mecánicos (ingeniería mecánica), electrónicos (micro-electrónicos/actuadores) y la tecnología de información (automatización/diseño de
software) [9]. Por esta razón, define a la mecatrónica como “un campo interdisciplinario donde las siguientes disciplinas
interactúan: sistemas mecánicos y sistemas relacionados con este, sistemas electrónicos, tecnología de la información. El
sistema mecánico es dominante aquí respecto a las funciones. Efectos sinérgicos comprometen más que la simple adición de
las disciplinas.” [8]
A pesar de que no exista una definición estándar para el término de mecatrónica, las anteriormente expuestas demuestran un
factor común: la mecatrónica no se origina en una disciplina individual, sino, es la combinación de varias disciplinas
individuales, tal y como se observa en la figura 4. Es por esto, que el desarrollo de un sistema mecatrónico supone una forma
de pensar interdisciplinaria, muchas veces acompañada del uso de herramientas computacionales, con el fin de resolver
complejidades y heterogeneidad en el diseño.
Los sistemas mecatrónicos se distinguen por la integración de sensores, actuadores, componentes mecánicos y procesamiento
de información. Uno de los objetivos de la mecatrónica, es desarrollar el comportamiento de un sistema, haciendo uso de sensores para obtener información tanto del entorno, como del sistema en sí mismo. Esta información se procesa con el flujo
de la misma, para que los actuadores del sistema respondan de una forma óptima (tal como se ve en la figura 4). Con la
P a g e 6 | 47
incorporación de la tecnología, estos sistemas pueden llegar a adaptarse con el fin de responder a cambios en el entorno,
detectar errores potenciales, y optimizar el proceso mediante la programación de la tecnología de control.
Figura 4. Disciplinas que involucran la mecatrónica. [9]
En la figura 5 se puede observar el esquema básico de un sistema mecatrónico aplicado a una línea de producción, en donde
se representan tres tipos de flujo durante el proceso:
• Flujo de material: objetos que interaccionan con el sistema entre unidades.
• Flujo de energía: cualquier forma de energía, ya sea mecánica (fuerza), térmica (calor) o eléctrica (corriente)
• Flujo de información: información que intercambian las unidades del sistema mecatrónico. Entre estos se encuentran
pulsos, señales, intercambio de datos, entre otros.
En términos generales, el sistema básico está compuesto por elementos mecánicos, los cuales interactúan con el material en la
línea de producción, por medio de los sensores que procesan información acerca del entorno. Esta información es enviada a
los motores/actuadores del sistema, los cuales accionan funciones sobre los elementos mecánicos para llevar a cabo cierta
tarea.
Figura 5. Esquema básico de un sistema mecatrónico.[8]
P a g e 7 | 47
4) Controlador Programable Lógico (PLC – Programmable Logic Controller)
Un controlador programable lógico (PLC), es un controlador que utiliza memoria programable para almacenar instrucciones, y para implementar funciones lógicas, secuenciales, de tiempo, contadoras y aritméticas, para así controlar una máquina o un
proceso. El término lógica, hace referencia a que puede ser usado por medio de la intuición, basándose en operaciones
lógicas y transiciones. El controlador monitorea los inputs (entradas) y outputs (salidas) dependiendo de la programación que
se haya hecho, y lleva a cabo una lógica de control. [10]
El típico sistema PLC funciona con los componentes de un procesador, una unidad, una memoria, una fuente de energía, una
interfaz de entradas y salidas del sistema, y un dispositivo de programación. En la siguiente figura se evidencia el esquema
básico de un PLC:
Figura 6. Típico sistema PLC. [10]
Un PLC cuenta con entradas (inputs) y salidas (outputs) que definen la lógica de control que se quiere llevar a cabo. Un
sensor se puede definir como un transductor usado como una entrada al sistema, que proporciona una salida en respuesta a una entrada física.
El término salida (output) se puede definir como cualquier dispositivo que transforma señales eléctricas en una acción física
que se genera como resultado del proceso de control. Generalmente, una salida digital de un output genera una acción para
controlar cierto proceso.
5) Virtual Commissioning
Un producto en el mercado es exitoso siempre y cuando se tenga en cuenta que su precio de venta es mayor al costo de
producción. Este costo de producción generalmente está ligado al proceso de manufactura con el que se produce el producto, y puede ser mejorado por medio del perfeccionamiento de dichos procesos. Con el avance de la tecnología, los procesos de
manufactura han sido automatizados, y están compuestos por estaciones de trabajo. El diseño de los sistemas de manufactura
debe realizarse de tal forma, que perdure para un periodo de tiempo largo, ya que su inversión inicial es bastante costosa, y el
invertir en un sistema de manufactura de corta vida útil, puede representar pérdidas económicas.
Una forma eficiente y rápida de un ambiente de prototipado para la producción, es el Virtual Commissioning, una
herramienta para simular procesos basados en el comportamiento del sistema, en un ambiente que está directamente
relacionado con parámetros del comportamiento del sistema en el mundo real [11].
Si no se usa la herramienta de Virtual Commissioning, el sistema que se quiera diseñar sería necesario hacerle pruebas por
medio del Real Commissioning, que consiste en probar una planta real con controladores reales, lo cual es bastante costoso y
consume mucho tiempo. En cambio, el Virtual Commissioning tiene como principal objetivo detectar errores de diseño y
errores operacionales, sin necesidad de una planta real ni controladores reales, lo cual implica un gran ahorro económico. La figura 7 representa las diferencias entre el Virtual Commissioning y el Real Commissioning: [12]
P a g e 8 | 47
Figura 7. Diferencias entre el Virtual Commissioning y el Real Commissioning. [12]
Como se puede observar, en el Virtual Commissioning se hace uso de una planta (Hardware) virtual que se quiere simular, y
se hace mediante un lenguaje de lógica de control de alto nivel, a diferencia del Real Commissioning, donde la lógica de
control se lleva a cabo en un bajo nivel de programación. En la figura 8 se puede observar la diferencia que existe entre hacer
uso de un controlador real y un controlador virtual para el proceso de Virtual Commissioning.
La mayoría de los sistemas automatizados son programados por un lenguaje de programación llamado PLC (Programmable
Logic Controller), que es el principal lenguaje empleado en la industria. Este lenguaje es utilizado, ya que las tareas que
llevan a cabo los sistemas son secuenciales, es decir, realizan una tarea a la vez y llevan un flujo de trabajo.
Figura 8. Diferencias entre el Virtual Commissioning y el Constructive Commissioning. [12]
En la figura 9 se puede ver un esquema del procedimiento a seguir, para realizar un diseño con ayuda de la herramienta
Virtual Commissioning. Estos pasos consisten en: planeación del proceso, modelación de los componentes físicos,
modelación de los componentes lógicos, y finalmente, modelación del sistema de control. Como se evidencia en el esquema,
los pasos 1 y 4, se realizan siempre y cuando se diseñe un sistema. Sin embargo, los pasos 2 y 3, son indispensables para el
Virtual Commissioning. En estos dos pasos se modela todo el sistema para tener un sistema virtual y controlarlo por medio
de un controlador real, obteniendo como resultado, el comportamiento que debería tener el sistema real cuando sea
construido. Para lleva a cabo el Virtual Commissioning se necesita por un lado, planear el proceso para diseñar la lógica de
control del sistema, y por otro lado, la planta virtual con la modelación de todos los componentes.
P a g e 9 | 47
Figura 9. Esquema del Virtual Commissioning
6) Industria
Durante la búsqueda de máquinas o sistemas que realizaran procesos de dosificación, partición o división, se encontraron
varios que cumplían la tarea de dividir granos o polvos en cantidades específicas. Algunos de estos sistemas se presentan a
continuación:
Ilustración 1. Sistemas utilizados en la industria para dividir productos. a) Banda transportadora. [13] b) Dosificadora volumétrica. [14]
El funcionamiento del sistema a), consiste en una banda transportadora separada por secciones donde cae el producto (en este
caso cereal) de un contenedor de forma constante. Se necesita un flujo constante del producto para que cada sección de la
banda transportadora tenga la misma cantidad. Para el caso de estudio, este sistema cuenta con un problema, pues la cantidad
de café que se necesitaría para que haya un flujo constante de este, sería muy grande.
En cuanto al sistema b), este consiste en una dosificación volumétrica, es decir, el sistema tiene compartimientos con un
volumen fijo donde entra el producto (en este caso semillas), y se van llenando mediante la rotación de los mismos, para
luego ser descargados. Este sistema no puede ser aplicado al caso de estudio, ya que el peso es una de las variables que se
quiere controlar.
En general, los sistemas que se utilizan en la industria son usados para líneas de producción, y no concuerdan con el caso de
estudio, pues estos sistemas manejan cantidades masivas de productos. Es por esto, que ninguno de los sistemas encontrados se tuvo en cuenta para realizar el diseño del módulo de dosificación de café.
P a g e 10 | 47
III. METODOLOGÍA
La metodología que se implementó para el caso de estudio fue un proceso de diseño propuesto en el libro “A Practical Guide
to SysML” [15] y en el libro “System Engineering Fundamentals” [16], llamada systems engineering process. El proceso de
ingeniería de sistemas (Systems Engineering Process - SEP) es un proceso iterativo y recursivo que es usado para el diseño
de sistemas integrados. Por medio de este proceso, es posible obtener una descripción de las funciones y componentes con las
que el sistema debe contar, a partir de las necesidades y requerimientos del cliente.
Se decidió añadir tres componentes del diseño mecánico, electrónico y computacional a la metodología en la etapa de síntesis
de diseño, ya que el caso de estudio lo requería. A continuación, se presentan las etapas de la metodología de diseño de un
sistema en ingeniería (ver figura 10):
1. Requerimientos del cliente
2. Requerimientos del sistema
3. Análisis funcional
4. Síntesis de diseño
a. Diseño mecánico
b. Diseño electrónico
c. Diseño computacional – Lógica de control
5. Diseño detallado y construcción
6. Validación y verificación
Figura 10. Metodología de diseño Systems Engineering Process.
1) Requerimientos del cliente: como punto de partida para el diseño de un sistema, se encuentran las necesidades del cliente,
sus requerimientos y las restricciones del proyecto, ya sean por especificaciones o por estándares dados.
2) Análisis de requerimientos: para analizar los requerimientos del sistema, es necesario analizar las necesidades del cliente.
El análisis de los requerimientos del cliente es usado para generar los requerimientos del desempeño del sistema y
funcionales. En pocas palabras, esto quiere decir que a partir de los requerimientos del cliente, se define qué debe hacer el
sistema y cómo debe operar. El análisis de requerimientos debe definir los requerimientos funcionales, y las restricciones de
P a g e 11 | 47
diseño, es decir, cantidad, calidad, tiempos, disponibilidad, entre otros. Estos requerimientos son los que restringen la
flexibilidad del diseño.
3) Análisis funcional: las funciones son analizadas descomponiendo las funciones de alto nivel, a funciones de bajo nivel.
Esto, con el fin de obtener una descripción de qué debe hacer el sistema en términos de lógica, y cómo va a ser su
funcionamiento.
4) Síntesis de diseño: la etapa de síntesis de diseño tiene como finalidad definir el sistema en términos de hardware y software. Durante este proceso se debe verificar que el diseño cumpla con los requerimientos establecidos en el análisis de
requerimientos (Paso 2), con el fin de reconsiderar el diseño en caso de ser necesario y optimizarlo.
5) Diseño detallado y construcción: durante esta etapa el diseño se termina de definir, con el fin de seleccionar los materiales
para manufacturar el sistema y llevar a cabo su construcción.
6) Validación y verificación: para terminar, se debe llevar a cabo una etapa de validación del diseño, en donde se verifica que
todos los requerimientos del sistema se cumplen. Para esto, se define un método de verificación para cada requerimiento.
Estos métodos incluyen: simulaciones, experimentos, pruebas y/o evaluaciones.
Finalmente, cabe resaltar que paralelo a todo este proceso de diseño, se encuentra la etapa de análisis y control, cuya
prioridad es mantenerse al tanto del progreso en el proceso de diseño, evaluar y seleccionar alternativas, y documentar
cálculos y decisiones, la cual aplica para todos los pasos a seguir en el proceso de diseño. Con esta etapa se evalúa que la
alternativa de diseño satisfaga los requerimientos en cada etapa.
IV. CASO DE ESTUDIO
Para el actual proyecto de grado, el caso de estudio evaluado fue el diseño y construcción de un módulo para la división de
café molido en grupos de 1 a 50 gramos, según lo requiera el cliente, para una máquina tostadora, moledora y empacadora de
café. A través de los siguientes índices, se mostrará el proceso de diseño que se llevó a cabo, siguiendo la metodología
propuesta, junto con las simulaciones realizadas durante este diseño.
V. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
1) Peso flexible: el peso de cada grupo de café debe poder ser variado según lo quiera el cliente. 2) Unión: el sistema debe unir los módulos de moledura y empacamiento de la máquina TGP. 3) Sistema automatizado: el sistema de dosificación de café debe ser automatizado, totalmente autónomo, sin necesidad de
que un operario interactúe con el sistema.
4) Tamaño: el sistema completo no debe superar un volumen de 50x50x50 cm. 5) Tiempo: el sistema debe ser diseñado y construido en 16 semanas. 6) Costo: el presupuesto disponible para el proyecto es de 1 SMMLV ($737.717 COP) para compra de materiales y 1
SMMLV ($737.717 COP) para procesos de manufactura.
VI. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
A partir de los requerimientos del cliente se definieron los requerimientos del sistema. Esta definición de requerimientos se
hizo de la siguiente forma: en primer lugar, se definieron los requerimientos de carácter funcional, desempeño, y restricciones
del diseño. Luego se fijó un objetivo de dicho requerimiento, una prioridad, y finalmente, un método de verificación con el
fin de evaluar en la última etapa del proceso, si el requerimiento fue cumplido satisfactoriamente, parcialmente o no fue
cumplido. A continuación, se muestra la tabla de requerimientos del sistema del caso de estudio.
Tabla 1. Requerimientos del sistema.
Nombre Categoría Descripción Objetivo Prioridad Derivado Verificación
División Funcional El sistema debe
dividir café - Alta
Requerimiento del cliente 1
Test del sistema
Unión Funcional El sistema debe
unir dos módulos - Alta
Requerimiento del cliente 2
Test de los módulos en
P a g e 12 | 47
conjunto
Flexible Desempeño La masa de café
debe poder
variarse 20 – 50𝑔 Alta
Requerimiento del cliente 1
Test con celdas de carga
Diferentes tamaños
Desempeño
El sistema debe poder separar café
de diferentes
tamaños de grano
0,3 – 1 𝜇𝑚 Baja Secundaria Test del tornillo
sin fin
Exactitud Desempeño La cantidad de café dispensada debe ser exacta
±1 𝑔 Normal Requerimiento del
cliente 1 Test con gramos
de café
Dosificación Desempeño El café se debe
dosificar de manera controlada
- Alta Requerimiento del
cliente 1 Test del tornillo
sin fin
Automatización Desempeño El sistema debe operar de forma independiente
- Alta Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Entrada Desempeño
El sistema debe
empezar su
funcionamiento de forma autónoma
- Normal Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Salida Desempeño El sistema debe
liberar el café de
forma autónoma
- Normal Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Dimensiones Restricción El sistema no debe superar el volumen
requerido
< 50x50x50 cm
Alta Requerimiento del
cliente 3 Medición del
sistema
Tiempo Restricción El sistema debe ser
construido en el tiempo requerido
< 16 semanas
Alta Requerimiento del
cliente 4 Seguimiento
semana a semana
Costo Restricción El presupuesto disponible es 1
SMMLV < 1SMMLV Alta
Requerimiento del cliente 5
Seguimiento de gastos del
presupuesto
Salubridad Restricción
Los objetos en contacto con el
café deben cumplir con las
condiciones de salubridad
- Alta Secundaria Materiales
aprobados por la INVIMA / FDA
VII. ANÁLISIS FUNCIONAL
Durante el análisis funcional, se descompusieron las dos principales funcionalidades del módulo identificadas anteriormente
en el análisis de requerimientos del sistema. Estas dos principales funcionalidades son dividir el café, y unir los módulos de
moledura y empaquetado. Estas funciones fueron descompuestas en sub-funciones, con el fin de identificar posibles
alternativas de diseño que se ajustaran a la necesidad del cliente. A manera de ejemplo, para la funcionalidad de los módulos
de moledura y empaquetado, es necesario tener una entrada del sistema y una salida. En cuanto a la entrada del sistema, el módulo debe ser capaz de inicializarse para recibir el café del módulo de moledura. Esto se hace mediante la detección de la
entrada de café, y ubicando todos los componentes del sistema en su posición inicial. A continuación, se muestra la
descomposición funcional del módulo:
P a g e 13 | 47
Diagrama 1. Descomposición de funcionalidades.
VIII. SÍNTESIS DE DISEÑO
En cuanto al diseño del módulo del caso de estudio, se decidió dividir esta etapa en tres componentes: el diseño mecánico, el
diseño electrónico, y el diseño de software. En primera instancia, se evaluaron diferentes alternativas para atacar el caso de
estudio.
1) Diseño mecánico
A partir del análisis de requerimientos y el análisis funcional, se plantearon tres alternativas diferentes que cumplían con los
requerimientos del sistema evaluados en la tabla1.
a) Tornillo sin fin
La primera alternativa que se consideró fue un tornillo sin fin, para el cual, dependiendo de las medidas del paso, y diámetro
del mismo, se calcularía el volumen de café que se quisiera dosificar. Multiplicando este volumen por la densidad de café, se
obtendría la masa de café que quisiera el cliente.
Ilustración 2. Alterativa de tornillo sin fin.
P a g e 14 | 47
b) Actuador
Este sistema consta de un recipiente con una compuerta en su parte inferior conectada a un actuador. Al accionar el actuador,
la compuerta se abre y el café cae por efecto de la gravedad. Al cerrar la compuerta, el café deja de caer. Mediante este
mecanismo, se calibra la velocidad con la que se debería abrir y cerrar la compuerta para que caiga la cantidad de café que se
requiera.
Ilustración 3. Alternativa de actuador
c) Celdas de carga
Este sistema cuenta con un dispensador, un recipiente, unas celdas de carga, y una compuerta. A medida que el dispensador deja caer café, las celdas de carga (ubicadas a cada extremo del recipiente) registran el valor de la masa del mismo. Tan
pronto la masa de café alcance el valor deseado, la compuerta (ubicada en la parte inferior del recipiente) se abre, dejando
caer la cantidad de café exacta que haya requerido el cliente.
Ilustración 4. Alternativa celdas de carga
P a g e 15 | 47
Como primer acercamiento al diseño del sistema, estas tres alternativas contempladas anteriormente representan soluciones potenciales al problema de diseño. Para elegir la alternativa más adecuada se hizo uso de una herramienta llamada “Análisis
multi-criterio” [16], por medio del cual se definen ciertos criterios con los que se quiere evaluar diferentes alternativas. Se
asignan pesos a cada criterio para considerar cuáles son los criterios que tienen más peso sobre la decisión, y finalmente, se
evalúa cada alternativa respecto a cada criterio de evaluación que se estableció anteriormente. Para un mejor entendimiento
del proceso de decisión, remítase a la referencia 16.
A continuación se presenta el peso de cada criterio a evaluar en el análisis. Como se observa, para el caso de estudio, la
exactitud que se obtenga es el criterio que tiene más peso sobre la decisión, con un peso del 49%.
Tabla 2. Pesos de cada criterio.
Peso de cada criterio
Precio 0,20
Flexibilidad 0,31
Exactitud 0,49
Teniendo en mente los criterios señalados anteriormente, se realizó la siguiente tabla de ventajas y desventajas de cada
alternativa.
Tabla 3. Ventajas y desventajas de cada alternativa
Alternativa PROS CONTRAS
a) Tornillo sin fin
• El vertido de café puede ser
detenido cuando se desee.
• Se puede variar la masa de café según los pasos que realice el
tornillo.
• La densidad del café puede
cambiar dependiendo del
tamaño de grano (calidad
de la molienda).
• El diseño del tornillo para que se ajuste a la aplicación
puede ser una dificultad
(generalmente los tornillos
sin fin para aplicaciones
alimenticias son de usos
industriales y trabajan con
mucho volumen de
material).
b) Actuador
• Se requiere solamente un actuador.
• Actúa solamente la gravedad durante el proceso.
• Se descarga un grupo de café a la
vez.
• No se puede regular la
masa de café fácilmente.
• Se debe calibrar la masa
deseada por medio de ensayo y error.
c) Celdas de carga
• El vertido de café puede ser
detenido cuando se desee.
• Se dispensa un grupo de café a la
vez.
• Se puede tener exactitud en la
medida de la masa de café.
• Se requieren al menos dos
motores y dos celdas de
carga.
• Puede que el dispensador deje caer más café del
deseado.
Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de cada alternativa, se asignaron los pesos a cada criterio, y se realizó la
ponderación de los pesos, obteniendo como resultado que la opción c): celdas de carga, era la opción más indicada, con un
peso del 47%. Este resultado se debe en mayor parte a que esta alternativa ofrece una exactitud en una medida superior a las otras dos alternativas, ya que cuenta con sensores de peso. Igualmente, para esta alternativa el peso que el cliente requiera se
puede variar sin problema alguno.
P a g e 16 | 47
Tabla 4. Resultado del análisis multi-criterio.
RESULTADO
a) Tornillo sin fin 0,41
b) Actuador 0,08
c) Celdas de carga 0,47
A pesar de que la alternativa c) es la más apropiada, teniendo en cuenta el requerimiento de que el sistema debe ser capaz de
separar granos de café de distintos tamaños dependiendo de la moledura que se le haya puesto a prueba, y el sistema de
dispensación puede que no sea el mejor posible, ya que cada cuarto de vuelta que realiza libera una cantidad determinada de café, es decir, la caída de café no es controlada y puede que para la medida exacta no sea la mejor alternativa. Sin embargo,
según la evaluación de alternativas, la alternativa a) es la segunda opción, y comparte un valor muy parecido con la opción c).
Su único inconveniente, es que dependiendo del tamaño de grano del café, la densidad del mismo varía, por lo que la masa de
café que se obtenga puede que no sea exacta.
Finalmente, se decidió reemplazar el dispensador de la alternativa c), para implementar en su reemplazo el tornillo sin fin de
la alternativa a), asegurando así una caída de café constante para una mejor exactitud en la medición.
En cuanto al sistema de salida de café para el siguiente módulo, se encontraron problemas en el momento de diseñar la
compuerta, pues era necesario que el sistema se encontrara en equilibrio, para que las celdas de carga estuvieran en igualdad
de condiciones estáticas. Por esta razón, se decidió modificar el sistema de la compuerta por un sistema cuatro barras de
accionamiento rápido.
2) Identificación funcional
Una vez definido el diseño, se relacionó cada funcionalidad a un medio físico que pudiera cumplir dicha funcionalidad.
Diagrama 2. Identificación de medios físicos para las funcionalidades.
P a g e 17 | 47
3) Diseño electrónico
El diseño eléctrico del sistema se compone de los siguientes elementos electrónicos:
a) Actuadores: estos son los actuadores utilizados.
Tabla 5. Actuadores del módulo.
Actuadores
Actuador Función
Stepper NEMA 17 Mover el tornillo sin fin
Servo motor MG995 Accionar el mecanismo cuatro barras
b) Sensores: estos son los sensores utilizados.
Tabla 6. Sensores del módulo.
Sensores
Sensor Función
Sensor Laser Detectar la entrada de café al sistema
2 Celdas de carga 1 kg Medir el peso del café
Final de carrera Verificar la posición inicial del sistema
cuatro barras
Final de carrera Verificar la posición final del sistema
cuatro barras
c) Controlador / Drivers: estos son los controladores utilizados.
Tabla 7. Controladores y drives del módulo.
Controladores / Drivers
Controlador Función
Arduino UNO Coordinar todo el módulo
Driver TMC2100 Controlar motor Stepper por medio de
Arduino
2 Driver HX7100 Controlar celdas de carga por medio de
Arduino
4) Diseño de software
Una vez realizada la elección de la alternativa de diseño, se debe definir la secuencia lógica que debe seguir el sistema. Para
esto, se definieron una serie de pasos a seguir:
1. Inicialización: cuando se enciende el sistema, los componentes deben estar preparados para recibir el café. Para esto, se le
asigna una velocidad igual a cero a todos los componentes del sistema.
2. Posición inicial: se verifica que la plataforma del sistema cuatro barras se encuentre en posición horizontal para recibir el
café. En caso de que no lo esté, se activa el mecanismo para llevarlo a la posición inicial y dar inicio al proceso.
P a g e 18 | 47
3. Entrada de café: luego de llevar la plataforma a su posición inicial, el sistema queda en espera y no se da inicio al proceso
hasta que se detecte que ha entrado café al sistema.
4. Tornillo sin fin: una vez se detecta que ha entrado café, se da inicio al proceso encendiendo el tornillo sin fin para que
desplace el café de forma constante desde el punto de ingreso, hasta dispensarlo sobre la plataforma. Este proceso se hace
indefinidamente hasta que se indique lo contrario.
5. Celdas de carga: el café va cayendo de forma constante sobre la plataforma, mientras que los sensores de peso van registrando el valor de la masa de café que ha caído. Una vez se complete el peso deseado, se detiene el tornillo sin fin para
que no siga cayendo café sobre la plataforma.
6. Inicio de descarga: inmediatamente se haya completado el peso y el tornillo sin fin se haya detenido, se activa el sistema
cuatro barras para descargar el café, para posteriormente ser empacado por el módulo de empaquetado.
7. Final de descarga: mientras el sistema cuatro barras se encuentra activo, se debe verificar que haya llegado a su posición
final donde se asegura una descarga completa del café.
8. Retorno de plataforma: posteriormente de haber descargado el café, la plataforma debe volver a su posición horizontal para
dar inicio nuevamente a todo el proceso de dosificación.
9. Final de ciclo: cuando la plataforma se ubique en su posición horizontal, se le asigna una velocidad de cero al sistema
cuatro barras para que la plataforma se mantenga en esa posición, y se repita todo el proceso desde el paso 3, es decir, se
espera nuevamente a que entre café al sistema.
De igual forma, el módulo de este caso de estudio puede tratarse como una máquina de estados, y así modelar la lógica del proceso mediante un diagrama de estados y transiciones. Debido a que para el caso de estudio no se cuenta con un
controlador PLC, la lógica de control debe ser implementada con un controlador Arduino. Este diagrama es una ayuda para
conceptualizar el proceso que lleva a cabo la máquina, para posteriormente escribir la lógica de control en Arduino. A
continuación, se muestra el diagrama de estados del módulo del caso de estudio:
Diagrama 3. Diagrama de estados del proceso del módulo.
P a g e 19 | 47
En cuanto se enciende el sistema, se activa el estado “Dividir”, el cual lleva a cabo todo el ciclo de dosificación del café. Para comenzar, se inicializa la variable “Peso Deseado” según lo requiera el cliente. Posterior a esto, se asigna una velocidad de
0RPM tanto al motor Stepper que controla el movimiento del tornillo sin fin, como al servo motor que controla el
movimiento del mecanismo cuatro barras. Luego, hay una transición que verifica la posición de la plataforma, llamada
“Pseudo-estado de elección”, y tiene como objetivo elegir un solo estado de múltiples opciones. En este caso, si el sensor de
choque 1 (plataforma horizontal), no se encuentra activo, es decir, con un valor FALSE, entonces le asigna una velocidad de 20RPM al servo motor para llevar la plataforma a su posición inicial. El mecanismo cuatro barras sigue activado hasta que el
sensor de choque 1 obtenga el valor TRUE, es decir, se encuentre activado para entonces asignarle una velocidad de 0RPM al
servo motor, para detener la plataforma en posición horizontal. En este punto se inicializa la variable “Peso” que lleva el
control de los sensores de carga. Luego, el sistema pasa al siguiente estado cuando el sensor laser obtiene el valor TRUE, es
decir, ha detectado café entrando al sistema, para así accionar el motor Stepper a 40 RPM. En cuanto la variable “Peso” sea
igual a “Peso Deseado”, entonces se detiene el motor Stepper y se acciona el servo motor. Para pasar al siguiente estado, el
sensor de final de carrera 2 debe activarse (valor TRUE), indicando que la plataforma ha llegado a su posición vertical. En
este estado se sigue accionando el servo motor para que lleve la plataforma a su posición inicial, y en cuanto el sensor de
final de carrera 1 se active, se detiene nuevamente la plataforma. En este estado, la máquina se encuentra otra vez lista para
un nuevo ciclo, y a este se le da comienzo cuando se detecte que el café ha entrado nuevamente.
IX. DISEÑO DETALLADO Y CONSTRUCCIÓN
Hasta el momento, el diseño del módulo se ha hecho en distintos componentes, y no se han integrado. La finalidad de esta etapa, es integrar los tres componentes del diseño mediante la simulación Virtual Commissioning para hacer el debugging del
diseño, e identificar errores potenciales para ser corregidos antes de construir el módulo. Para esto, se dividieron los tres
componentes en sus respectivas capas cinemáticas y cinéticas según el siguiente diagrama:
Diagrama 4. Capa cinemática y cinética de los comonentes.
A. Capa cinemática
Durante esta capa de diseño, se define cómo se deben mover los componentes, las velocidades de operación, y las
aceleraciones, es decir, la cinemática del módulo completo. Todo el diseño de esta capa se enfoca en la simulación, pues se
necesita saber la dinámica de los componentes, con el fin de integrarlos durante el Virtual Commissioning.
P a g e 20 | 47
1) Diseño mecánico
Para llevar a cabo el diseño mecánico, se hicieron ciertos cálculos con el fin de verificar que el sistema funcionara sin
problemas antes de ser construido. Para esto, se realizaron los cálculos para el mecanismo del tornillo sin fin, y para el
mecanismo de cuatro barras.
Tornillo sin fin:
El proceso de diseño del tornillo sin fin (sus dimensiones, paso, diámetro) se hizo con base en el volumen que debería desplazar el tornillo para obtener cierta masa de café. Cabe resaltar que este volumen depende del tamaño de grano de café,
pues un café molido es más denso que un grano de café sin moler. Este diseño se realizó por medio de ensayo y error, es
decir, se diseñaron varios tornillos con diferentes variaciones de paso, diámetro, etc., y se escogió el tornillo que pudiera
dispensar una buena cantidad de café y de manera controlada. Para esto, se realizó el cálculo de cuánto café desplazaba el
tornillo en una vuelta, es decir, en un paso. Para esto se modeló el tornillo en Inventor, y se calculó el volumen que tiene
disponible para el café en un paso entre su rosca, tomando una densidad para el café de aproximadamente 390 𝑘𝑔
𝑚3⁄ , según
un estudio hecho por la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia [17].
Figura 11. Cálculos cinemáticos del tornillo sin fin.
Según este resultado, la masa que es capaz de transportar el tornillo sin fin en un paso, es 11,5 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 de café. Sin embargo, esto bajo el supuesto que el tornillo esté completamente lleno de café, lo cual en la práctica puede que no suceda
debido al constante movimiento de este, el café se ubicará de manera uniforme a lo largo de todo el tornillo. En un principio,
se calcula que la velocidad del tornillo debe ser 40 RPM para que caiga el café de manera controlada. Bajo el supuesto de que
el tornillo no se encuentra completamente lleno, este transporta aproximadamente 5 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 en cada paso, se espera que
cada segundo caigan aproximadamente 3 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 de café.
Mecanismo cuatro barras:
El mecanismo cuatro barras se diseñó con una síntesis gráfica de dos posiciones, y se realizó de acuerdo al proceso explicado
en el libro diseño de maquinaria [5]. A continuación se muestra una imagen donde se puede observar el proceso que se siguió
para diseñarlo:
P a g e 21 | 47
Figura 12. Cálculos cinemáticos del mecanismo cuatro barras.
Para comenzar, se dibujaron dos puntos arbitrarios en el papel (O2 y O4), los cuales representan la barra que se encuentra fija
(ground). Seguido de esto, se dibuja el segmento O4B1 y O4B2 a 90° con una medida conocida. En este caso, se decidió
10 𝑐𝑚 para la plataforma. Posterior a esto, se dibuja un arco desde el punto O2 hasta B1, para luego proyectar la línea O2B2
hasta este, y la mitad de la proyección representa la longitud de la manivela (barra número 2) del mecanismo. Posterior a todo
este proceso, se mide con una regla la longitud de las barras resultantes sobre el papel.
De igual forma, teniendo las medidas de las barras sobre el papel, se probó el mecanismo con un simple código en MATLAB
para verificar su correcto funcionamiento, y que las trayectorias de las barras efectivamente podían hacer que el balancín
tuviera una rotación de 90° en cada vuelta que la manivela daba. Este código cuenta con un método de Newton Rapson en el
que se pueden graficar las trayectorias de las barras del mecanismo para tener una idea visual de cómo se comporta el
mecanismo a la hora de ser construido. Recibe como parámetros la velocidad de la biela y las longitudes de cada barra. A
continuación se muestra el resultado del análisis en MATLAB y en la sección de anexos se puede encontrar el código correspondiente.
Figura 13. Simulación del mecanismo con el software MATLAB.
2) Diseño de software
Con el proceso ya definido que va a llevar a cabo la máquina, y con la ayuda del diagrama de máquina de estados, se
procedió a escribir la lógica de control. Para esto, se utilizó el software CODESYS, y el lenguaje de programación PLC
“Sequential Function Chart (SFC)”. En el software CODESYS se verificó que el código siguiera una secuencia lógica, y que
no hubiera errores entre las etapas y las transiciones. A continuación se puede observar el código que se utilizó, y la
simulación en donde el software verifica la lógica de control en tiempo real con el cambio de estados. De esta manera se tuvo
la certeza de que el código corría sin problemas, y estaba listo para ser implementado en la simulación con el software
Industrial Physics.
P a g e 22 | 47
Imagen 1. Pantallazo de la simulación de la lógica de control con el software CODESYS.
3) Simulación Virtual Commissioning
Con el diseño y la lógica del proceso definido, se procedió a realizar la simulación Virtual Commissioning con el software Industrial Physics. Esta simulación se realizó de tal manera que se incorporaran los sensores y actuadores dentro del
ensamble ya modelado. En la siguiente imagen se puede observar el ensamble con sus respectivos sensores (en color
amarillo) y sus actuadores (motor Stepper para el tornillo y servo motor para el mecanismo cuatro barras).
Imagen 2. Pantallazo de la simulación Virtual Commissioning con el software Industrial Physics.
P a g e 23 | 47
Para efectos de la simulación, el único cambio que se le hizo al proceso fue el sensor de peso, pues en el software no había una herramienta que permitiera pesar los objetos del modelo. En lugar de pesar los objetos, se creó una barrera de luz (Light
Barrier llamada en Industrial Physics) ubicada a la salida del tornillo sin fin, para accionar el mecanismo cuatro barras para la
descarga de café. Con los sensores en posición, se escribió la lógica de control y se realizó la simulación. El código utilizado
se muestra en la sección de Anexos. Cabe resaltar que el nombre de las variables está relacionado con el nombre de los
objetos del modelo, así que si se realiza el cambio de nombre de algún objeto, el nombre de la variable también debe cambiar con el mismo nombre. Este código se realizó simulando una máquina de estados, pues como se observa, se crea la variable
“state” para que el código identifique cuándo pasar a la siguiente etapa del proceso.
B. Capa cinética
En la capa cinética se termina de definir el diseño. Una vez con la cinemática totalmente definida y el debugging de la lógica
de control, se realizan los cálculos de fuerzas y torque a los que estarán sometidos los mecanismos, para seleccionar los
motores y sensores del módulo. Finalmente, se diseñó la estructura para que soportara los mecanismos. Durante esta etapa se
selecciona el material, y se define el método para manufacturar la pieza.
1) Diseño mecánico
En esta etapa se hizo uso del software Inventor para calcular el torque necesario para mover los mecanismos del módulo. A
partir de la gráfica de torque vs ángulo, se utilizó un factor se seguridad de 2, con el fin de asegurarse que los motores
pudieran ejercer el torque necesario para mover los mecanismos. A continuación se muestran las gráficas obtenidas a partir
del software Inventor para cada mecanismo.
Imagen 3. Cálculos cinéticos de los mecanismos del módulo.
A partir de estas gráficas se encontró que el torque requerido para mover el mecanismo del tornillo sin fin es 1 𝑁𝑚𝑚, y para
el mecanismo de cuatro barras es aproximadamente 150 𝑁𝑚𝑚. Con estos valores y el factor de seguridad en mente, se
seleccionaron los motores que pudieran ejercer dicho torque para cada mecanismo.
Antes de iniciar la etapa de construcción del módulo, se debe completar la tabla de requerimientos del sistema presentada en
la etapa de análisis de requerimientos (tabla 1). Esta tabla se completa a partir de restricciones que han surgido a lo largo del
proceso de diseño. A continuación se muestra la tabla de requerimientos del sistema completada.
Tabla 8. Requerimientos del sistema completo.
Nombre Categoría Descripción Objetivo Prioridad Derivado Verificación
División Funcional El sistema debe
dividir café - Alta
Requerimiento del cliente 1
Test del sistema
Unión Funcional El sistema debe
unir dos módulos - Alta
Requerimiento del cliente 2
Test de los módulos en
conjunto
Flexible Desempeño La masa de café
debe poder 20 – 50𝑔 Alta
Requerimiento del cliente 1
Test con celdas de carga
P a g e 24 | 47
variarse
Diferentes tamaños
Desempeño
El sistema debe
poder separar café
de diferentes tamaños de grano
0,3 – 1 𝜇𝑚 Baja Secundaria Test del tornillo
sin fin
Exactitud Desempeño La cantidad de café dispensada debe ser exacta
±1 𝑔 Normal Requerimiento del
cliente 1 Test con gramos
de café
Dosificación Desempeño El café se debe
dosificar de manera controlada
- Alta Requerimiento del
cliente 1 Test del tornillo
sin fin
Automatización Desempeño El sistema debe operar de forma independiente
- Alta Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Entrada Desempeño
El sistema debe empezar su
funcionamiento de
forma autónoma
- Normal Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Salida Desempeño El sistema debe liberar el café de
forma autónoma
- Normal Requerimiento del
cliente 2 Test del circuito
Dimensiones Restricción El sistema no debe superar el volumen
requerido
< 50x50x50 cm
Alta Requerimiento del
cliente 3 Medición del
sistema
Tiempo Restricción El sistema debe ser
construido en el tiempo requerido
< 16 semanas
Alta Requerimiento del
cliente 4 Seguimiento
semana a semana
Costo Restricción El presupuesto disponible es 1
SMMLV
< 1SMMLV Alta Requerimiento del
cliente 5
Seguimiento de gastos del
presupuesto
Salubridad Restricción
Los objetos en contacto con el
café deben cumplir con las
condiciones de salubridad
- Alta Secundaria
Materiales
aprobados por la INVIMA / FDA
Motor Stepper Diseño
Mover el tornillo
sin fin para dosificar café
Usar un
motor Stepper
Baja Restricción de
diseño Implementación
en el módulo
Servo motor Diseño Accionar el
mecanismo cuatro barras
Usar un
motor Servo Baja
Restricción de
diseño
Implementación
en el módulo
Fuente DC Diseño Alimentar el motor
Stepper
Alimentar el motor
Stepper a 4.5V
Alta Restricción de
diseño
Test del circuito
del motor Stepper
Sensores final de carrera
Diseño Identificar la posición de la
plataforma
Identificar si la
plataforma se encuentra
en su posición
inicial o final
Alta Restricción de
diseño Test del circuito
Calibración celdas de carga
Diseño Las celdas de carga se deben
Se deben calibrar con
Alta Restricción de
diseño Test de celdas de
carga
P a g e 25 | 47
calibrar masas de valores
conocidos
Sensor Laser Diseño
El sensor láser debe detectar
cuando un objeto obstruye la entrada al tornillo sin fin
Se debe calibrar la
sensibilidad para que el láser pueda detectar los
objetos
(< 10 𝑐𝑚)
Alta Restricción de
diseño Test con sensor
laser
Torque Stepper Diseño Mover el tornillo
sin fin
El motor
debe tener un torque de
al menos
1 𝑁𝑚𝑚
Alta Restricción de
diseño Test con motor
Stepper
Torque Servo motor
Diseño Accionar
mecanismo cuatro barras
El motor debe tener
un torque de al menos
150 𝑁𝑚𝑚
Alta Restricción de
diseño Test con servo
motor
Velocidad tornillo sin fin
Diseño
El motor Stepper debe transmitir una velocidad dada al
tornillo sin fin
El tornillo sin fin debe
rotar a
40 𝑅𝑃𝑀
Media Restricción de
diseño Test con
tacómetro
Velocidad cuatro barras
Diseño
El servo motor debe rotar a una velocidad dada
para descargar el café
El servo motor debe
rotar a
20 𝑅𝑃𝑀
Media Restricción de
diseño Test con
tacómetro
Voltaje driver TMC2100
Diseño
El voltaje de referencia del
driver del motor
Stepper
El voltaje de
referencia debe ser
calibrado en
0.48 𝑉
Alta Restricción del
diseño
Test con multímetro al
driver TMC2100
Mantenimiento Diseño
En caso de
necesitar mantenimiento, el módulo debe poder
des-ensamblarse
El módulo debe poder
ser des-ensamblado totalmente
sin problemas
Alta Restricción del
diseño Test de
mantenimiento
Superficies Diseño
Las superficies en contacto con el café deben ser
propicias
Las superficies deben ser
lisas para que el café no se quede
atorado
Alta Restricción del
diseño
Test con
componentes y café
P a g e 26 | 47
2) Diseño electrónico
Se buscó en el mercado los motores que cumplieran con los requisitos del torque, y se seleccionó un motor Stepper NEMA
17, y un servo motor MG995. A continuación se encuentran las especificaciones de cada motor.
Tabla 9. Especificaciones del motor Stepper adquirido.
Stepper NEMA 17 1206a [18]
Voltaje [V] 4
Corriente [A] 1.2 Stall torque [kg cm] 3.17
Ángulo de step [deg] 1.8
Total steps [num] 200
Este motor Stepper es híbrido, esto quiere decir que puede ser controlado de manera unipolar y bipolar (es por esto que
cuenta con 6 cables). Para el caso de estudio, se decidió controlarlo por medio de su configuración bipolar, pues el driver que
se adquirió sirve para controlar motores Stepper bipolares.
Tabla 10. Especificaciones del motor Servo adquirido.
Servo motor MG995 [19]
Voltaje [V] 4.8 – 7.2
Corriente [mA] 170
Stall torque [kg cm] 8.5 - 10
Velocidad [deg/s] 300
Cabe resaltar que el servo motor MG995 seleccionado es de rotación continua, y fue comprado de esta manera, no se le
realizó ninguna modificación a este, así venía de fábrica. Como se mostró en la etapa de síntesis de diseño, se adquirieron los respectivos Drivers de los motores y de las celdas de carga, con el fin de poder controlar el sistema por medio de Arduino. El
diagrama del circuito completo se muestra a continuación con todas las conexiones eléctricas del módulo.
Diagrama 5. Conexiones eléctricas del módulo.
P a g e 27 | 47
3) Estructura
La estructura que soporta los mecanismos del tornillo sin fin y del mecanismo de cuatro barras, fue diseñada de tal forma que
no hubiera necesidad de que sus partes fueran unidas usando ningún tipo de uniones permanentes (soldadura, pegamento) ni
uniones no permanentes (Tornillos, remaches). El método de manufactura que se usó para construir la estructura fue corte
láser de una lámina del aglomerado MDF. Sus piezas se diseñaron de tal forma que encajaran una con otra y pudiera ser de
fácil ensamble y des-ensamble. A continuación se muestra una imagen donde se muestra el diseño CAD de la estructura ensamblada.
Imagen 4. Modelo CAD de la estructura ensamblada.
Para verificar que esta estructura soportara la carga de los mecanismos se realizó una simulación de elementos finitos donde
se pusieron las cargas de los mecanismos en la estructura sistema y se verificó que la estructura no fallara. A continuación se
muestran los resultados de la simulación. Las fuerzas con las que se hizo la simulación representaban el doble de la carga ejercida por los mecanismos.
Imagen 5. Cargas aplicadas a la estructura junto con el enmallado.
P a g e 28 | 47
Como se observa en la imagen 6, el resultado de la simulación arroja que el menor factor de seguridad se encuentra en 3,3. Esto indica que la estructura no falla aplicando una carga que representa el doble de los mecanismos.
Imagen 6. Resultados de la simulación de elementos finitos para el factor de seguridad.
De igual forma, se realizó una simulación con las mismas condiciones de carga para verificar cuanto era la deflexión que sufría la estructura en estas condiciones. A continuación, se muestra que la máxima deflexión que sufre la estructura, se
encuentra por el orden de 0,5 mm. Este resultado se considera razonable teniendo en cuenta que para la simulación, las cargas
aplicadas fueron mayores a las que realmente va a estar sometida la estructura.
Imagen 7. Resultados de la simulación para la deflexión de la estructura.
P a g e 29 | 47
4) Manufactura
Al tratarse de la última etapa antes de que el módulo sea construido, se debe definir el material de las piezas, y su método de
manufactura. Para esto, se organiza la siguiente tabla:
Tabla 11. Manufactura de cada pieza.
Pieza Material Método manufactura
Camisa Acero inoxidable Maquinado en torno CNC
Tornillo sin fin Polietileno de alta densidad Maquinado en torno CNC
Brida Acero inoxidable Corte plasma lámina 2mm
Perforación con taladro Soldadura
Acople Acero 1020 Maquinado en torno
Perforación con talado Roscado interno
Soporte plataforma Aluminio Cortado con segueta
Perforado con taladro Soldadura
Plataforma Acero inoxidable Corte plasma lámina 2mm
Soldadura
Estructura Madera MDF Corte láser lámina 5,5mm
X. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN
Como etapa final de la metodología de diseño, se encuentra la verificación y validación de la tabla de los requerimientos del
sistema. Dentro de esta etapa se evaluó cada requerimiento.
1) Pruebas al módulo
Una vez implementado con Arduino, se realizó una serie de pruebas al sistema, que consistían en obtener una cierta cantidad
de café. La finalidad con la que se hicieron estas pruebas, fue verificar qué tan exacta era la medida de café que dosificaba el
módulo. La primera prueba que se realizó fue obtener diferentes cantidades de café para tres repeticiones, y la segunda
prueba consistía en diez repeticiones para obtener 35 gramos de café, ya que esta es la cantidad que se espera empacar. Para
cada prueba se utilizó una balanza de resolución ±0,1𝑔.
Antes de mostrar las pruebas realizadas, es importante aclarar que durante el proceso de división, la velocidad del tornillo sin
fin disminuía a medida que el valor registrado por las celdas de carga se aproximaba al peso deseado. Lo anterior, con el fin
de obtener una medida más exacta de café. La forma en que se redujo esta velocidad se dio en tres etapas:
1 - Durante la primera etapa la velocidad del tornillo sin fin se mantuvo constante en 40 𝑅𝑃𝑀.
2 - Cuando se completaba un 80% del peso, se reducía la velocidad a aproximadamente 10 𝑅𝑃𝑀.
3 - Finalmente, cuando se completaba un 95% del peso, la velocidad del tornillo reducía drásticamente, haciendo que el
motor Stepper rotara unos pocos pasos, se detuviera, rotara unos pocos pasos, se detuviera, y así sucesivamente hasta
completar el 100% del peso.
Para la primera prueba, se comparó el valor obtenido en la pantalla serial de Arduino (la medición de las celdas de carga), y
el valor obtenido del café por una balanza luego del proceso del módulo. Los resultados obtenidos para la primera prueba se
presentan a continuación.
P a g e 30 | 47
Tabla 12. Primera prueba al módulo construido.
Masas de café [g]
Test 10 20 30 40
Arduino Módulo Arduino Módulo Arduino Módulo Arduino Módulo
1 10,05 10,1 20,05 20,2 30 29,8 40,08 40,6
2 10,06 10 20,02 19,8 30,15 30,6 40,08 40
3 10,06 10 20,01 20 30,01 30 40,06 40,8
Error promedio - 0,033 - 0,133 - 0,267 - 0,467
Para evaluar esta prueba, se denominó el “error promedio”, como el promedio del desfase de los valores obtenidos. Por
ejemplo, para la prueba de 10 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠: el primer test estuvo desfasado 0,1 𝑔, el segundo 0 𝑔 y el tercero 0 𝑔, es decir
(0,1 + 0 + 0)/3 = 0,033. Para la prueba de 40 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠: el error se calculó como (0,6 + 0 + 0,8)/3 = 0,467. Este “error
promedio” es una forma de cuantificar que para la prueba de 10 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠, el error fue mucho menor que para la prueba de
40 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠. Lo anterior indica que para masas mayores, el error de la medida aumenta. Esto principalmente se debe a las
celdas de carga, pues se observó durante la calibración de las mismas, que la medida variaba bastante, y nunca se estabilizaba
en un valor exacto, siempre se encontraba entre un rango, e incluso algunos valores se salían de este. Para aproximar el valor
medido por las celdas de carga era necesario promediar al menos diez valores. Es por esto que el incremento del error puede
deberse a que a mayor carga, mayor es el rango en el que varía la medida, dando así una incrementación del error. Además de
esto, se pudo observar que tomando un promedio de 10 valores, la exactitud de la medida disminuía conforme aumentaba el
peso. Es decir, si se posicionaba una masa de 10 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠, el valor mostrado por la ventana serial de Arduino rondaba este
valor. Sin embargo, cuando se posicionaba una masa de 50 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 o mayor, el valor mostrado se incrementaba
aproximadamente a 50,2 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠. No se encontró la forma de calibrar las celdas de carga para que mostraran un valor proporcional tanto para las masas pequeñas, como para las masas grandes. Si se calibraban las celdas para las masas
pequeñas, la medida de las masas grandes se desfasaba, y si se calibraban para las masas grandes, la medida de las masas
pequeñas se desfasaba.
Ilustración 5. Comparación entre el valor obtenido por las celdas de carga y la balanza digital. *El recipiente pesaba 35,6g. Se obtuvo 10 gramos de café para la prueba.
P a g e 31 | 47
Para la segunda prueba solamente se pesó el café luego del proceso del módulo con la balanza. Los resultados obtenidos para la segunda prueba se presentan a continuación:
Tabla 13. Segunda prueba al módulo construido.
Test Masa [g]
1 35,4
2 35,0
3 35,3
4 35,6
5 35,2
6 35,0
7 35,4
8 35,0
9 35,7
10 35,0
Promedio 35,26
Desviación
estándar 0,263
De esta prueba se puede ver una vez más que el valor promedio se encuentra desfasado 0,26 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 de la medida. Esto una
vez más se puede deber a las celdas de carga, como se explicó para la prueba anterior. Con el fin de que el módulo pueda
obtener una masa de café más exacta, se podrían calibrar las celdas de carga para que operen dentro de un rango dado.
2) Costos Tabla 14. Evaluación de costos.
Pieza/Objeto Material Cantidad Costo ($ COP)
Componente mecánico*
Camisa Acero inoxidable 1 76.300 Tornillo sin fin Polietileno de alta densidad 1 127.400
Brida Acero inoxidable 4 82.000 Acople Acero 1020 1 32.800
Soporte plataforma Aluminio 1 7.800 Plataforma Acero inoxidable 1 87.900
Componente electrónico Sensor laser - 1 35.800
Celda de carga Aluminio 2 26.900 Sensor de choque 1 - 1 7.560 Sensor de choque 2 - 1 7.820
Motor Stepper NEMA 17 - 1 43.700 Servo motor MG995 - 1 28.570
Driver TMC2100 - 1 43.700 Driver celda de carga - 2 16.800
Protoboard - 1 15.000 Soporte para motor Stepper Acero 1 10.080
Estructura Madera MDF - 70.000
Uniones Bristol 3/16 x3/4 - 10 890
Tornillo M3 - 10 154 Tornillo M5 - 10 363 Tornillo M6 - 10 836
P a g e 32 | 47
Tuerca M5 - 10 120 Tuerca M6 - 10 190
Remache 3/16 x 3/4 - 12 2.520
TOTAL 725.203
*Los precios de los componentes mecánicos tienen incluidos los precios de manufactura.
3) Verificación y validación Tabla 15. Verificación de los requerimientos del sistema.
Nombre Categoría Objetivo Verificación Resultado obtenido Estado
División Funcional - Test del sistema El sistema puede
dividir el café Completado
Unión Funcional - Test de los módulos en
conjunto
El sistema une los
módulos Parcialmente completado
Flexible Desempeño 20 – 50𝑔 Test con celdas de
carga 20 – 50𝑔 Completado
Diferentes tamaños
Desempeño 0,3 – 1 𝜇𝑚 Test del tornillo sin
fin 0,3 – 1 𝜇𝑚 Completado
Exactitud Desempeño ±1 𝑔 Test con gramos de
café ±0,4 𝑔 Completado
Dosificación Desempeño - Test del tornillo sin
fin
El tornillo sin fin dosifica el café de
forma controlada
Completado
Automatización Desempeño - Test del circuito
El sistema es autónomo y no necesita de un
operario
Completado
Entrada Desempeño - Test del circuito El sistema inicia el proceso de forma
automática Completado
Salida Desempeño - Test del circuito El sistema libera el
café de forma automática
Completado
Dimensiones Restricción < 50x50x50
cm Medición del
sistema 45cm x 36cm x 25cm Completado
Tiempo Restricción < 16
semanas
Seguimiento
semana a semana Alta Completado
Costo Restricción < 1SMMLV Seguimiento de
gastos del presupuesto
$ 725.203 COP Completado
Salubridad Restricción - Materiales
aprobados por el INVIMA / FDA
Los componentes en contacto con el café
cuentan con los
materiales aprobados por el INVIMA y la
FDA
Completado
Motor Stepper Diseño
Usar un
motor Stepper
Implementación en el módulo
Se implementó un motor Stepper para mover el tornillo sin
fin
Completado
Servo motor Diseño Usar un
motor Servo Implementación en
el módulo
Se implementó un
Servo motor para el mecanismo cuatro
barras
Completado
P a g e 33 | 47
Fuente DC Diseño
Alimentar el motor Stepper a
4.5V
Test del circuito del motor Stepper
Se usó una fuente DC variable para
alimentar el motor Stepper
Completado
Sensores final de carrera
Diseño
Identificar si la
plataforma se encuentra
en su posición inicial o
final
Test del circuito
Los sensores final de carrera se
posicionaron de tal
forma que identificaran la
orientación de la plataforma
Completado
Calibración celdas de carga
Diseño
Se deben calibrar con
masas de
valores conocidos
Test de celdas de carga
Las celdas de carga se calibraron con masas de valores
conocidas obteniendo un error de
aproximadamente
±0,3 𝑔
Completado
Sensor Laser Diseño
Se debe
calibrar la sensibilidad para que el láser pueda detectar los
objetos
(< 10 𝑐𝑚)
Test con sensor laser
El sensor Laser se calibró y detecta obstáculos a una distancia menor a
10 𝑐𝑚
Completado
Torque Stepper Diseño
El motor debe tener
un torque de al menos
1 𝑁𝑚𝑚
Test con motor
Stepper
El motor Stepper adquirido tiene un
torque de
3.17 𝑘𝑔 𝑐𝑚
Completado
Torque Servo motor
Diseño
El motor debe tener
un torque de al menos
150 𝑁𝑚𝑚
Test con servo motor
El Servo motor adquirido tiene un
torque de 8.5 𝑘𝑔 𝑐𝑚 Completado
Velocidad tornillo sin fin
Diseño
El tornillo
sin fin debe rotar a
40 𝑅𝑃𝑀
Test con tacómetro
La velocidad angular del tornillo sin fin se
ajustó a 40 𝑅𝑃𝑀 Completado
Velocidad cuatro barras
Diseño
El servo motor debe
rotar a
20 𝑅𝑃𝑀
Test con tacómetro La velocidad angular del Servo motor se
ajustó a 20 𝑅𝑃𝑀
Completado
Voltaje driver TMC2100
Diseño
El voltaje
de referencia debe ser
calibrado en
0.48 𝑉
Test con multímetro al
driver TMC2100
El voltaje de referencia del driver
se ajustó a 0.48 𝑉 Completado
Mantenimiento Diseño
El módulo debe poder
ser des-ensamblado
totalmente
Test de mantenimiento
La estructura del módulo es fácilmente
desarmable y no cuenta con ningún
tipo de unión
Completado
P a g e 34 | 47
sin problemas
permanente
Superficies Diseño
Las superficies deben ser lisas para
que el café
no se quede atorado
Test con componentes y
café
Se maquinó la camisa
del tornillo de acero inoxidable para dar un acabado liso a la
pieza y la plataforma se manufacturó a
partir de una lámina de acero inoxidable
Completado
XI. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
1) Resultados
La construcción del módulo se realizó tomando en cuenta todas y cada una de las etapas de la metodología de diseño. Gracias a la simulaciones hechas durante este proceso, y sobre todo a la herramienta Virtual Commissioning, fue posible corregir los errores de diseño en una etapa temprana del mismo, específicamente en la capa cinética, donde se daba la integración de los tres componentes (mecánico, electrónico y software).
Aunque no se discutió en la sección específica de este documento, hubo errores durante la primear iteración del diseño, que pudieron ser detectados con el uso de la herramienta Virtual Commissioning. Estos errores involucraban el componente electrónico y de software, y ocasionaron que el módulo no operara de forma correcta durante la simulación. El error principal se encontraba en que hacía falta añadir un sensor de choque al diseño, pues la ausencia de este, ocasionaba un Bug en el código que tomó trabajo detectar. Generalmente, lo estudiantes de ingeniería mecánica no están familiarizados con temas de electrónica ni de software, por lo que trabajar en este tipo de temas puede llegar a consumir tiempo extra. Sin embargo, en este proyecto de grado se corroboró que el Virtual Commissioning abre una puerta para aquellas personas que no están familiarizados con proyectos que involucran conocimientos mecánicos, electrónicos y de sistemas de control, mediante una interfaz de simulación virtual.
Como resultado de la implementación del modelo virtual trabajado en el software Industrial Physics, se construyó un módulo
totalmente autónomo capaz de dosificar una cantidad de café específica de entre 10 a 50 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 con un error aproximado del ±0,4 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠. A continuación se encuentran algunas imágenes de este módulo y sus diferentes componentes.
P a g e 35 | 47
Imagen 8. Componentes del módulo dosificador implementado con Arduino.
2) Conclusiones
Tres grandes conclusiones resumen el trabajo que se llevó a cabo durante este proyecto de grado.
En primer lugar, se cumplió el objetivo principal de este proyecto de grado junto a todos los requerimientos del sistema, a excepción de uno. La mayor limitación para este proyecto fue el tiempo, y esta es la razón por la cual no se pudo unir el módulo de dosificación de café con el módulo de moledura y el módulo de empaquetado. Sin embargo, el módulo dosificador se diseñó y se construyó como un sistema automatizado, implementando un proceso de diseño mecatrónico con el uso de la herramienta Virtual Commissioning. Como primer proyecto de grado que involucra el uso de esta herramienta, el resultado fue bastante favorable, pues a pesar de que sea aplicación sencilla y con un código de control básico, se corroboró que esta herramienta tiene un potencial significativo para integrar componentes mecánicos, electrónicos y de software, que generalmente son integrados al final del proceso de diseño. Con esto dicho, la segunda conclusión sale a flote.
En segundo lugar, el Virtual Commissioning es una herramienta útil para identificar errores potenciales del sistema antes de ser construido. Como se dijo anteriormente, en el caso de estudio se presentó un error que pudo ser corregido tan pronto se realizaba la simulación del proceso. Esto implica una gran ventaja sobre las metodologías de diseño secuenciales, pues en este tipo de metodologías, los componentes son diseñados en etapas diferentes, lo cual significa que para realizar alguna iteración, se debe esperar para llegar a la etapa de integración. Esto se puede reflejar en complicaciones al final del proceso de diseño, como por ejemplo costos imprevistos dentro del presupuesto, o incluso, en el peor de los casos, multas al sobrepasar alguna fecha límite de entrega del proyecto debido a la extensión del tiempo.
En último lugar, se puede concluir que el proceso de diseño junto con la simulación del sistema integrado, permitió hacer mejoras al funcionamiento del sistema. Sin embargo, para cuantificarlas, es necesario considerar diferentes parámetros. Aunque el propósito del actual proyecto de grado no era cuantificar cuán efectiva es la herramienta de Virtual Commissioning dentro del proceso de diseño, ni qué tanto ayuda respecto a si no se hace uso de la misma, es inevitable notar
Sensor
Láser
Tornillo sin
fin
Final de
carrera
1
Celdas
de carga
Servo
motor
Motor Stepper
Final de
carrera 2
Café
descargado
Plataforma que
descarga del café
P a g e 36 | 47
la diferencia entre realizar un diseño totalmente secuencial, y el hecho de incorporar esta herramienta. Es necesario explorar mejor el Virtual Commissioning, sobre todo en américa latina, cuya población sigue siendo del tercer mundo. El estudio de esta herramienta es un proyecto de grado totalmente nuevo, que merece la pena trabajar, pero que no concierne al proyecto de grado presentado en este documento.
3) Trabajo posterior
En cuanto al diseño y los componentes del módulo dosificador, existen unas cuantas mejoras que se pueden realizar:
1) Tolva de ingreso: el módulo no cuenta con una tolva de ingreso para el café molido, por cuestiones de tiempo. Sin embargo, sí cuenta con un sensor que detecta la entrada de café, solo es cuestión de posicionar la tolva correctamente. No obstante, se debe tener cuidado con el diámetro de entrada de la tolva, pues durante las pruebas que se realizaron, cuando hay mucho café intentando entrar al mecanismo del tornillo sin fin, el café se puede atascar.
2) Tolva de salida: el módulo no cuenta con una tova de salida para que el café pase a ser empacado. Se debe tener cuidado con el diámetro de salida de la tolva, pues el café se puede atascar.
3) Señal de finalización: aunque el módulo cuenta con los sensores final de carrera para indicar que la plataforma vuelve a su posición horizontal para reiniciar el proceso, no cuenta con un sensor que indique que el café ha salido. Se puede implementar un sensor laser (igual al de la entrada) que indique que ha finalizado el proceso, y que el café ha pasado al siguiente módulo para ser empacado. Esta señal igualmente puede iniciar el proceso del módulo de empaquetado.
4) Posición sensor láser: el sensor láser que indica que ha entrado café al módulo está apuntando a una cinta de color negro. Sin embargo, se puede calibrar para que apunte directamente a la tolva de entrada para mejorar la estética del módulo.
5) Café atascado: a pesar de que la superficie de la plataforma es absolutamente lisa y es capaz de descargar todo el café, existen un par de puntos de soldadura alrededor del borde interno de la plataforma que atascan una pequeña cantidad de café (casi insignificante). Sin embargo, cabe la posibilidad de que con el tiempo se cristalice el café sobre dichos puntos y se acumule la masa de café. La solución más simple es manufacturar de nuevo la plataforma mediante el doblado de la lámina, para evitar discontinuidad sobre los bordes.
Imagen 9. Puntos de soldadura que atascan una pequeña cantidad de café.
6) Pantalla y teclado: para cuestiones de estética, se podría instalar una pantalla led y un pequeño teclado donde el cliente ingrese la masa de café que quiera obtener de la máquina, mientras la pantalla led va mostrando el estado de la máquina, el recuento del peso, etc.
7) Des-alineamiento: durante la fase de pruebas se observó que luego de haber ensamblado todo el sistema, el tornillo sin fin y el motor Stepper no se encontraban del todo alineados, por lo que la base del motor se movía ligeramente. Esto implica cargas innecesarias sobre el motor, y su respectivo desgaste. Para su solución, la estructura se puede modificar fácilmente y solo es cuestión de lijar la base que soporta el motor Stepper.
P a g e 37 | 47
8) Mantenimiento constante: durante la fase de pruebas, se hicieron bastantes ciclos del módulo y se observó que con el paso de los ciclos, el café molido se acumula al final del recorrido del tornillo, es decir, que no todo el café que entra al sistema, sale. Esto ocasiona que parte del café se ubique en los espacios que hay entre el diámetro mayor del tornillo sin fin y la camisa, haciendo que el coeficiente de rozamiento entre estos aumente. Esto genera que el motor tenga que ejercer un mayor torque ya que la fuerza de fricción aumenta igualmente. Por esta razón, se debe intentar hacer limpieza al tornillo sin fin al finalizar cada ciclo para evitar que se acumule café adentro de la camisa.
XII. REFERENCES
[1] Georgakopoulos, D., Hornick, M. & Sheth, A. (1995). An overview of workflow management: From process modeling to
workflow automation infrastructure. Distributed and Parallel Databases, 3(2), 119. doi: https://doi.org/10.1007/BF01277643
[2] Brei, T. (2013). What is Industrial Automation? Greenville: Sure Controls Inc. Recuperado de
http://www.surecontrols.com/what-is-industrial-automation/
[3] Craig, K. (s.f.). Mechatronic System Design. Semantic Scholar. Recuperado de https://pdfs.semanticscholar.org/412e/56d318b080a89c6799430b95d65e58308e52.pdf
[4] Systems management college, (2001), Systems engineering fundamentals.
[5] Robert L. Norton (1999) Diseño de Maquinaria, síntesis y análisis de máquinas y mecanismos, 2da edición, McGraw Hill.
[6] MIP Software (s.f.). What is the difference between concurrent engineering and sequnetial engineering. MIP Software.
[7] Best Manufacturing Practices (s.f.). Define the Appropriate Design Process
(Design Process/ Procedures). BMP Center of Excellence. Recuperado de http://www.bmpcoe.org/library/books/ex-
se/17f22.html
[8] Club de ingenieros Alemanes, (Junio 2004), Design methodology for mechatronic systems.
[9] Isermann, R. (1996). Modeling and Design Methodology for Mechatronic Systems. IEEE/ASME Transactions on
Mechatronics, 1(1). Recuperado de
http://faculty.mercer.edu/jenkins_he/documents/00491406_modeling_design_mechatronics_Isermann_000.pdf
[10] Bolton, W. (2006). Programmable Logic Controllers. Recuperado de https://simponi.mdp.ac.id/materi201120123/TK408/111061/TK408-111061-772-1.pdf
[11] Amerogen, J. V., (2003), Mechatronic Design, Mechatronics 13., p. 1045-1066.
[12] Lee, C. & Park, S. (2014). Survey on the virtual commissioning of manufacturing systems. Journal of Computational
Design and Engineering, 1(3). doi: https://doi.org/10.7315/JCDE.2014.021
[13] INVERSIONESINA (Productor). (2009). Línea de empaque de cereales. [MP4]. Recuperado de
https://www.youtube.com/watch?v=lXEBznE7Uos
[14] Excell Packs (Productor). (2017). Packing Machine Manufactures. [MP4]. Recuperado de
https://www.youtube.com/watch?v=zBDaG0XZwS8
[15] Friedenthal, S., (2012), A practical guide SysML, 2nd edition, Morgan Kaufmann.
[16] System management college, (2001), System Engineering Fundamentals, fort belvoir, Virginia. Recuperado de http://www.mip-group.com/technical/concurrent_engineering.htm
[16] Saaty, T. (2008). Decision making with the analytic hierarchy process. Int. J. Services Sciences, 1(1). Recuperado de
https://www.colorado.edu/geography/leyk/geog_5113/readings/saaty_2008.pdf
[17] Montilla et al. (2008). Propiedades físicas y factores de conversión del café en el proceso de beneficio. Cenicafe.
Recuperado de http://biblioteca.cenicafe.org/bitstream/10778/358/1/avt0370.pdf
[18] Pololu (s.f.). Stepper Motor: Unipolar/Bipolar, 200 Steps/Rev, 42×48mm, 4V, 1.2 A/Phase. Las Vegas: Pololu Robotics
and Electronics. Recuperado de https://www.pololu.com/product/1200/specs
[19] Electrónicos Caldas (s.f.). MG995 High Speed
Metal Gear Dual Ball Bearing Servo. Caldas: Electrónicos Caldas. Recuperado de
http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Tower-Pro.pdf
P a g e 38 | 47
XIII. ANEXOS
ANEXO 1. Análisis multi-criterio
Definición de criterios de evaluación
Precio Flexibilidad Exactitud
Precio 1 0,5 0,50
Flexibilidad 2 1 0,5
Exactitud 2 2 1
Peso de cada criterio
Precio 0,20
Flexibilidad 0,31
Exactitud 0,49
Evaluación de alternativas según cada criterio
a. Precio
a b c
a 1 8 9
b 0,13 1 0,5
c 0,11 2 1
a 0,80
b 0,08
c 0,12
b. Flexibilidad
a b c
a 1 6 0,5
b 0,17 1 0,11
c 2 9 1
a 0,33
b 0,06
c 0,60
c. Exactitud
a b c
a 1 4 0,5
b 0,25 1 0,2
c 2 5 1
a 0,29
b 0,09
c 0,52
Resultado final
RESULTADO
a 0,40
b 0,08
c 0,47
P a g e 39 | 47
ANEXO 2. Código Matlab
clc clear all close all
%Juan Felipe Pedraza - 201315014
%Longitud barras aa=5; bb=18; cc=10; dd=15;
x00=20*pi()/180;
%Estimación inicial de ángulos x11=20*pi()/180; x22=250*pi()/180;
syms x0 x1 x2 a b c d; f1=sym('a*cos(x0)+b*cos(x1)+c*cos(x2)-d'); f2=sym('a*sin(x0)+b*sin(x1)+c*sin(x2)');
x=[x11;x22];
J=jacobian([f1 f2],[x1 x2]); delta_x=J\[f1;f2]; i=1;
for x00 = (0:0.1:2*pi())
d_x=[0 ; 0];
for n = 1:3
d_x(1)=double(subs(delta_x(1),[x0 x1 x2 a b c d],[x00 x(1) x(2) aa bb cc dd])); d_x(2)=double(subs(delta_x(2),[x0 x1 x2 a b c d],[x00 x(1) x(2) aa bb cc dd]));
x = x - d_x;
end
%Dibujar el mecanismo repetidas veces para ver su movimiento Ox = 0; Oy = 0; Ax = aa*cos(x00); Ay = aa*sin(x00); Bx = Ax + bb*cos(Theta1); By = Ay + bb*sin(Theta1); Cx = Bx + cc*cos(Theta2); Cy = By + cc*sin(Theta2);
P a g e 40 | 47
Bx_h(i)=Bx; By_h(i)=By; Ax_h(i)=Ax; Ay_h(i)=Ay;
figure(1) plot([Ox Ax],[Oy Ay],'-o',[Ax Bx],[Ay By],'-o',[Bx Cx],[By Cy],'-o',[Cx Ox],[Cy
Oy],'-o'); hold on axis([-10 25 -10 15]); grid on
pause(0.01); hold off i=i+1;
end
%Dibujar la trayectoria de las barras hold on figure (1) plot(Bx_h,By_h,Ax_h,Ay_h);
P a g e 41 | 47
ANEXO 3. Código Industrial Physics
MODEL_SCRIPT(1.5) DEFINITIONS: // DECLARACIÓN DE SENSORES //Laser CONST Laser_IR := CONNECT("../Laser?IR"); //Celda de carga CONST Carga_IR := CONNECT("../Carga?IR"); //Final de carrera CONST Final_carrera_Collision := CONNECT("../Final carrera?Collision"); //Final de carrera2 CONST Final_carrera_2_Collision := CONNECT("../Final carrera 2?Collision"); // DECLARACIÓN DE ACTUADORES // Velocidad superficie camisa VAR Camisa_ACT_VEL := CONNECT("./Camisa?Speed"); // Velocidad tornillo sin fin VAR Tornillo_sin_fin_MAX_SPD := CONNECT("./Tornillo sin fin?KinMaxSpeed"); //Velocidad sistema 4 barras VAR a_MAX_SPD := CONNECT("./a?KinMaxSpeed"); // DECLARACIÓN DE LA VARIABLE “state” VAR state := OUTPUT(UINT16, 0); // DECLARACIÓN DE LA FUENTE CONTINUA DE CAFÉ “SOURCE” VAR Fuente_cafe_TRIG := CONNECT("../Fuente cafe?Trigger"); STATEMENTS: CASE state OF 0: Camisa_ACT_VEL := 0; Tornillo_sin_fin_MAX_SPD := 0; a_MAX_SPD := 0; Fuente_cafe_TRIG := True; state := state + 1; 1: IF Laser_IR THEN Tornillo_sin_fin_MAX_SPD := 5;
P a g e 42 | 47
Camisa_ACT_VEL := 0.1; Fuente_cafe_TRIG := False; state := 2; END_IF 2: IF Carga_IR THEN Tornillo_sin_fin_MAX_SPD := 0; Camisa_ACT_VEL := 0; state := 3; END_IF 3: IF Final_carrera_Collision THEN a_MAX_SPD := 5; state := 4; END_IF 4: IF Final_carrera_2_Collision THEN state := 5; END_IF 5: IF Final_carrera_Collision THEN a_MAX_SPD := 0; Tornillo_sin_fin_MAX_SPD := 5; Camisa_ACT_VEL := 0.1; Fuente_cafe_TRIG := True; state := 1; END_IF END_CASE ; END;
P a g e 43 | 47
ANEXO 4. Código Arduino
//Juan Felipe Pedraza - 201315014
//Dosificador de café para empaquetamiento
//Máquina Automatizada T-G-P
//Incluir librería SoftwareSerial
#include <SoftwareSerial.h>
//Incluir librería HX711 (Driver celdas de carga)
#include <HX711.h>
//Incluir libretía Servo
#include <Servo.h>
//Ingrese el VALOR DESEADO de masa de café (EN GRAMOS)
double valor_Deseado = 40;
//Declaración del pin digital del sensor láser (Entrada de café)
#define pinLaser 2
//Declaración pines del motor Stepper (Sistema tornillo sin fin)
#define pinDirection 4
#define pinStep 3
//Declaración pines de las celdas de carga (Dos celdas de carga)
#define pinDT1 7
#define pinSCK1 8
#define pinDT2 5
#define pinSCK2 6
//Declaración de los factores de calibración para las celdas de carga
double Calibration_Factor_1 = 1988.6;
double Calibration_Factor_2 = 2124;
//Asignación de pines a cada celda de carga
HX711 Load_Cell_1 {pinDT1, pinSCK1};
HX711 Load_Cell_2 {pinDT2, pinSCK2};
//Declaración pines sensores final de carrera
#define pinChoque1 9
#define pinChoque2 12
//Declaración servo motor (Sistema 4 barras)
Servo servo;
//Declaración velocidad del servo motor
int servo_Stop = 90;
int servo_Active = 97;
//Definición de etapas del proceso
int state;
#define state_Inicializar 1
#define state_Verificar 2
#define state_EntradaCafe 3
P a g e 44 | 47
#define state_Tornillo1 4
#define state_Tornillo2 5
#define state_Tornillo3 6
#define state_PesoCompleto 7
#define state_DescargaCafe 8
//Definición variable para el peso total
double Peso_Total = 0;
void setup()
{
Serial.begin (9600);
//Laser: pin de entrada
pinMode (pinLaser, INPUT);
//Stepper: pines de salida
pinMode (pinDirection, OUTPUT);
pinMode (pinStep, OUTPUT);
//Stepper: Dirección de rotación
digitalWrite (pinDirection, HIGH);
//Celdas de carga: Asignación del factor de calibración
Load_Cell_1.set_scale (Calibration_Factor_1);
Load_Cell_2.set_scale (Calibration_Factor_2);
//Celdas de carga: Inicialización de las celdas de carga (Contenedor vacío sin
café)
Load_Cell_1.tare();
Load_Cell_2.tare();
//Servo: declaración del pin (sistema cuatro barras)
servo.attach(10);
//La primera etapa del proceso es inicializar el sistema
state = state_Inicializar;
}
void loop()
{
switch (state)
{
case state_Inicializar:
//Inicializar:
//Se asigna una velocidad 0 al sistema cuatro barras
digitalWrite (pinStep, LOW);
servo.write (servo_Stop);
state = state_Verificar;
break;
case state_Verificar:
//Verificar:
//Se verifica que el sistema de descarga se encuentre en su posición inicial
(Contenedor horizontal) y en caso de que no lo esté, se activa el sistema para
llevarlo a su posición inicial
P a g e 45 | 47
while (digitalRead(pinChoque1) == 1)
{
servo.write (servo_Active);
}
servo.write (servo_Stop);
state = state_EntradaCafe;
break;
case state_EntradaCafe:
//Entrada de café:
//Se verifica que haya entrado café al módulo
if (digitalRead(pinLaser) == 0)
{
state = state_Tornillo1;
}
break;
case state_Tornillo1:
//Tornillo:
//Se enciende el tornillo sin fin hasta que las celdas de carga indiquen que
se ha alcanzado la masa de café deseada
//Celdas de carga: Inicialización de las celdas de carga (Contenedor vacío
sin café)
Load_Cell_1.tare();
Load_Cell_2.tare();
while (Peso_Total < (valor_Deseado*0.8))
{
for (int i = 0; i < 4000; i++)
{
digitalWrite (pinStep, LOW);
digitalWrite (pinStep, HIGH);
delayMicroseconds (500);
}
//Obtención del peso que registra cada celda (promedio de 1 valor)
double Peso1 = Load_Cell_1.get_units(1);
double Peso2 = Load_Cell_2.get_units(1);
//Peso total registrado por las dos celdas de carga
Peso_Total = Peso1 + Peso2;
Serial.println (Peso_Total);
}
state = state_Tornillo2;
break;
case state_Tornillo2:
//Tornillo:
//Se enciende el tornillo sin fin hasta que las celdas de carga indiquen que
se ha alcanzado la masa de café deseada
while (Peso_Total < (valor_Deseado*0.95))
{
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
P a g e 46 | 47
digitalWrite (pinStep, LOW);
digitalWrite (pinStep, HIGH);
delayMicroseconds (600);
}
//Obtención del peso que registra cada celda (promedio de 10 valores)
double Peso1 = Load_Cell_1.get_units(2);
double Peso2 = Load_Cell_2.get_units(2);
//Peso total registrado por las dos celdas de carga
Peso_Total = Peso1 + Peso2;
Serial.println (Peso_Total);
}
state = state_Tornillo3;
break;
case state_Tornillo3:
//Tornillo:
//Se enciende el tornillo sin fin hasta que las celdas de carga indiquen que
se ha alcanzado la masa de café deseada
while (Peso_Total < valor_Deseado)
{
for (int i = 0; i < 200; i++)
{
digitalWrite (pinStep, LOW);
digitalWrite (pinStep, HIGH);
delayMicroseconds (600);
}
//Obtención del peso que registra cada celda (promedio de 10 valores)
double Peso1 = Load_Cell_1.get_units(10);
double Peso2 = Load_Cell_2.get_units(10);
//Peso total registrado por las dos celdas de carga
Peso_Total = Peso1 + Peso2;
Serial.println (Peso_Total);
}
//Se reinicia el peso detectado por las celdas de carga para el siguiente
ciclo de café
Peso_Total = 0;
state = state_PesoCompleto;
break;
case state_PesoCompleto:
//Peso completo:
//Se detiene el tornillo sin fin y se activa el sistema cuatro barras para
descarga el café
digitalWrite (pinStep, LOW);
servo.write (servo_Active);
state = state_DescargaCafe;
break;
case state_DescargaCafe:
P a g e 47 | 47
//Descarga de café
//Se activa el sistema cuatro barras para descargar el café, para
posteriormente ser empacado por el módulo de empacado
while (digitalRead(pinChoque2) == 1)
{
servo.write (servo_Active);
}
while (digitalRead(pinChoque1) == 1)
{
servo.write (servo_Active);
}
servo.write (servo_Stop);
//Se inicia nuevamente el proceso. Se espera la entrada de café.
state = state_EntradaCafe;
break;
}
}
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe CamisaMaterial:Acero Inox
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
63,5
50,8
R12,7
R12,7
157,0
25,4
25,4
2,0 X 45,0°
31,8
31,8
SECCIÓN A-A
ESCALA 1 / 2
DETALLE B
ESCALA 1 : 1
A A
B
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador Café Tornillo sin finMaterial:Polietileno alta densidad
CANT:
1 A4 Escala:
1:2Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
2'' x 200 mm
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
200.00
60.00
50.80
30.00
19.05
25.40
R5.00
R3.18
20.00
12.70
10.00
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe BridaMaterial:Acero inoxidable
CANT:
2 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
500x500x2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
101,6
63,5
2,0
8,04x
R40,0
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe BridaMaterial:Acero inoxidable
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
500x500x2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
101,6
8,04x
R40,0
2,0
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe BridaMaterial:Acero inoxidable
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
500x500x2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
101,6
25,4
8,04x
R40,0
2,0
H-H ( 2 : 1 )
H H
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe AcopleMaterial:Acero 1020
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
500x500x2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
25,4
19,1
5,0
30,0
10-24 UNC - 2B
10-24 UNC - 2B20,0
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe PlataformaMaterial:Acero Inox 2mm
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
500x500x2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
Tapa diagonal
13,0 13,0
61,061,0
55,055,0
61,0 61,0
Tapa
lateralTapa base
Tapa
lateral
Tapa trasera20,0
40,0
2,0
5,04x 6,4
25,0 25,0
6,4
27,027,0
6,4 6,4
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Base de la plataformaMaterial:Aluminio
CANT:
1 A4 Escala:
1:2Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
Largo x Ancho x Alto
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
1/8x3/41/8x3/4
1/8x3/41/8x3/4
1/8x3/41/8x3/4
1/8x3/41/8x3/4
1/8x1301/8x130
1/8x1301/8x130
150,0
120,0
150,0
10,0 10,0
130,0
6,4
27,0
6,4 6,4
6,4
33,033,0
27,0
5,04x
2,0
19,1
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Barra 1Material:Aluminio
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
3/4 x 1/2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
70,0
6,4
50,0
19,1
9,5
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Barra 2Material:Aluminio
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
3/4 x 1/2
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
19,1
6,4200,0
180,0
9,5
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Estructura ensambladaMaterial:Madera MDF
CANT:
1 A4 Escala:
1:6Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
1 m x 70 cm
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
410,0
250,0360,0
60,0
163,0
30,0
90,0
350,0
130,0 80,0
230,0
139,5
190,0
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Corte láser 1Material:Madera MDF
CANT:
1 A4 Escala:
1:6Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
1 m x 70 cm
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
1000
700
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Corte láser 1Material:Madera MDF
CANT:
1 A4 Escala:
1:6Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
1 m x 70 cm
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
1000
700
PARTS LISTMaterialPART NUMBERCantidadITEM
Acero inoxBrida41Polietileno alta densidadTornillo sin fin12-Motor Stepper NEMA 1713Acero inoxCamisa14Acero inoxPlataforma15AluminioCeldas de carga26AluminioBase plataforma17-Servo motor18AluminioBarra119AluminioBarra2110Madera MDFEstructura111
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Firma
Estu
diante
TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.
NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Dosificador cafe Ensamble ExplosionadoMaterial:
CANT:
1 A4 Escala:
1:6Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
Juan Felipe Pedraza [email protected] 3168672132
Proyecto de gradoGiacomo Barbieri
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
41
2
3
67
89 10 11
5
