DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Debido a la gran importancia que generan los granos en la economía nacional es importante desarrollar un dispositivo capaz de empacar los diversos granos que nuestro campo produce, por lo tanto se plantea la necesidad de diseñar un sistema con cierto grado de automatización con el fin de empacar granos, disminuyendo costos y aumentando la velocidad de producción, para incrementar así la rentabilidad de una determinada empresa.

El desarrollo de este dispositivo es una continuación de un proyecto inicial netamente mecánico, realizado por estudiantes de la facultad de mecánica, del cual se partió para hacer las respectivas mejoras y correcciones que nos parecieron más adecuadas.

JUSTIFICACIÓN

Desde los primeros días hasta el presente, la producción de granos es el objeto primordial del hombre como mecanismo de sostén, y por ende como fuente de progreso de su región y de desarrollo en gran manera de la actividad pecuaria.

Es por esto la necesidad de desarrollar un producto que sea capaz de empacar dichos granos, con un costo moderado y la rapidez que solicita el mundo ajetreado en el que vivimos; teniendo en cuenta el alto costo que conlleva la mano de obra, y la necesidad de toda industria de incrementar calidad y volumen de un producto en específico, se hace vital la automatización en ciertos procesos, como es el caso de la ingeniería de empaque.

OBJETIVO

- Diseñar un dispositivo de dosificación y empaque de granos por medio de sistemas neumáticos o electro-neumáticos.

INTRODUCCIÒN

Los términos neumático y Neumática provienen de la palabra griega Pneuma que significa aliento o soplo. En su acepción original, la Neumática se ocupaba de la dinámica del aire y de los fenómenos gaseosos, pero le técnica ha creado de ella un concepto propio, pues en Neumática solo se habla de la aplicación de la sobrepresión o de la depresión (vacío).

Las instalaciones neumáticas son maquinas y aparatos que trabajan con aire comprimido o con aire aspirado. La mayoría de las técnicas neumáticas se basan en el aprovechamiento de la energía de la sobrepresión, previamente generada, respecto a la presión atmosférica. El portador de la energía es el aire comprimido.

En su forma actual la Neumática es una rama de la técnica relativamente moderna, pero en la orientación básica es anterior a la cronología actual, ya que antes del año 0 de nuestra era fue redactada una descripción de dispositivos neumáticos y automáticos, relacionados con otros en el transcurso de los siglos siguientes. Estas invenciones fueron diseñadas con preferencia para objetivos de culto o para la guerra.

La neumática moderna, con sus múltiples posibilidades de aplicación, se inicio en Alemania a partir de 1950 para completar las técnicas ya acreditadas. Entretanto, la Neumática se ha revelado como una eficaz y extensa rama de la técnica, ofreciéndose en el mercado un amplio y maduro programa, que con toda seguridad se ampliara en el futuro; estando caracterizado el continuo crecimiento de la neumática por el desarrollo reciente de aparatos y la apertura de nuevos campos da aplicación.

La utilización práctica y correcta de los mandos neumáticos presupone el conocimiento de los elementos individuales y su funcionamiento, así como las posibilidades de su unión. Como todo en la técnica, cada elemento ya cada mando neumático tiene un campo de aplicación, limite que en la neumática no siempre puede definirse correctamente por depender, en general, de muchos factores.

El mando combinado a base de la electrotecnia y neumática representa una nueva posibilidad de elección, además del mando neumático puro. Lo eléctrico se utiliza en la parte de la información para la transición y proceso de las señales. La neumática se emplea en la parte energética para la amplificación y el trabajo propiamente considerado. El elemento de unión es

la válvula electromagnética que es empleada lo mismo como órgano de mando que como órgano de mando y regulador combinado. Al mismo tiempo, la válvula electromagnética representa la función de amplificación. La parte eléctrica de estos mandos trabaja normalmente con tensiones continuas o alternas de 12 o 24 voltios, y solo en casos excepcionales con 220 voltios. Las válvulas electromagnéticas se presentan en las ejecuciones para señal permanente y señal momentánea (monoestables y biestables).

La gran ventaja de los mandos electro neumáticos es la rapidez del paso de la señal y la posibilidad de enlazar elementos de mando pertenecientes a un mismo equipo incluso con grandes separaciones entre ellos. En los recintos con peligro de fuego o explosión es preferible emplear el mando neumático puro, porque los elementos eléctricos necesitan una protección especial.

La rapidez en la parte eléctrica de la información unida con la rapidez de la parte neumática e energía permite uno de los mandos de trabajo mas rápidos, de los que resultan un gran numero de variantes procedentes de los dos medios (el eléctrico y el neumático).

La base de todo equipo neumático de mando realizado en la práctica es el plano o esquema. Al igual que el constructor determina en un dibujo la forma y el tamaño de la máquina, el técnico de mando determina en un esquema el contenido de un equipo neumático de mando. En este plano no se consideran las longitudes de las líneas (tuberías) de unión, sino que se considera la interrelación mutua de los componentes individuales. Este esquema permita visualizar el funcionamiento de cada parte del equipo y la relación dependiente que ejercen entre cada uno de ellos.

En principio el circuito se desarrolló en forma neumática, pero luego se rediseño en forma electroneumática, para simplificar el montaje y adaptarlo a los requerimientos solicitados, para probar el montaje final, se usó el software FluidSIM de FESTO.

MARCO TEÓRICO

APLICACIONES

Todo medio técnico tiene una aplicación limitada, presentando ventajas e inconvenientes. La valoración de todos los puntos que conducen a una aplicación debe realizarse cuidadosamente. El aire comprimido, como medio, solo por su naturaleza física impone unos determinados límites, que no pueden eludirse. Con la utilización racional de la neumática pueden complementarse de manera eficiente otras técnicas e incluso ser sustituidas por esta.

Las aplicaciones de la neumática figuran prácticamente en todas las ramas de la industria, lo mismo en la industria relojera que en la técnica de los reactores, en la agricultura y jardinería, en las cervecerías e industrias queseras, en la industria de empaques, en la técnica medica y en la fabricación de prótesis. Naturalmente, entre las aplicaciones también figuran las empresas transformadoras de metales, madera y productos plásticos.

Tomando como base la función de movimiento, se disponen los siguientes elementos neumáticos de serie:

- Movimiento lineal: Cilindros de aire comprimido, escalonados según el diámetro del pistón. Unidades de avance incluyendo carros oleoneumáticos.

- Movimiento lineal rítmico: Aparatos de avance con mando incorporado para distintas longitudes de carrera limitadas y ajustables que se repiten siempre.

- Movimiento circular rítmico: Mesas circulares de distribución con división opcional de 3 hasta 24 secuencias por círculo completo.

- Movimiento de rotación: Motores neumáticos hasta aproximadamente 25 CV. Los elementos y aparatos pueden tener montados o incorporados los elementos de mando necesarios; no obstante, siempre es posible una modalidad de mando exterior de libre elección o bien una combinación de los dos sistemas de mando.

Algunas aplicaciones de la neumática y electroneumática son: Sujeción, alimentaciones, montajes, trabajo de metales, trabajo de la madera, trabajo de materiales plásticos, técnicas de medida y verificación, técnica de la construcción, servicios de transporte, entre otros.

MÀQUINAS EMPACADORAS DE GRANOS

Los granos son de gran importancia nutricional, ya que forman parte de la canasta familiar. Las industrias que se dedican a su explotación a nivel nacional, se ven afectadas por factores tales como: económicos, políticos sociales, tecnológicos y de competitividad. Esta situación se refleja en la obtención de productos de poca calidad y a precios sumamente elevados; lo que hace que sean poco competitivos a niveles internacionales.

Por tal motivo, el hombre como ser inteligente, se caracteriza por su tendencia natural a explotar los recursos que están a su alcance, uniendo su capacidad, esfuerzo individual y colectivo con otras herramientas para la búsqueda de un mejor nivel de vida y la satisfacción de sus necesidades vitales.

Los granos que constituyen la materia prima principal para estas empresas son los siguientes: arroz, maíz, sorgo, frijoles, habas, lentejas; ellos representan el potencial primario para el desarrollo y funcionamiento de las industrias elaboradoras de alimentos balanceados para animales y las empresas empacadoras de granos.

Las primeras, como su nombre indica, preparan un producto, cuyos ingredientes mayoritarios son granos o sus derivados. Dicho alimento es altamente nutritivo y favorece el crecimiento de las especies animales que los consumen. Las otras, procesan los granos básicos, con objetos de hacerlos aptos para su venta. El proceso incluye su limpieza, selección y empaque. El producto final se destina exclusivamente para el consumo humano. Ambas industrias contribuyen al fortalecimiento de la economía nacional, al contribuir con impuestos y generar empleos.

El equipo de empacar o de embalaje comprende toda la maquinaria que puede usarse en la preparación de un producto para su expedición o embarque. Incluye el de llenado pesado, medición y contado, cierre y precintado, agitación, trasporte, etiquetado, envolvimiento, revestimiento interior, etc.

El termino envase se refiere a la pequeña envoltura para la venta de la mercancía al por menor que, para su expedición, se embala en recipientes, latas, cajas, etc.

El equipo de empacado o embalaje tiene por objeto preparar un producto para su expedición para lo cual se deben reunir las siguientes características:

- características físicas del producto

- variación de la densidad.

- grado en el que fluye por acción de la gravedad

- efecto de la absorción de humedad

- efecto de los cambios de temperatura

- disposición de la planta o instalación

- cantidad máxima y mínima producidas en la unidad de tiempo

- elección del envase o recipiente

- almacenamiento en grueso en fabrica (silos o tanques) o recipientes.

Con la velocidad del día de hoy se hace necesario usar dispositivos de seguridad para proteger a la máquina contra daño al presentarse un paquete o producto defectuoso. Las operaciones que solían ser manuales se han tenido que automatizar por que el ojo y la mano no son capaces de seguir el rápido movimiento de la máquina. El mayor costo de los nuevos equipos se debe a esta mayor complejidad en el diseño de las máquinas.

Muchos proyectistas opinan que la adaptabilidad y la alta velocidad son incompatibles en una misma máquina, pero no obstante las fábricas están introduciendo equipos siempre más adaptables.

COMPONENTES

CILINDRO DE DOBLE EFECTO

El cilindro de aire comprimido de doble efecto se construye siempre en forma de cilindro de émbolo y posee dos tomas para el aire comprimido situadas a ambos lados del émbolo. Su aplicación es útil en aquellos casos en que el pistón debe realizar un trabajo tanto es su salida como en el retorno.

REGULADORES DE VELOCIDAD

El caudal o cantidad de flujo que pasa por una conducción es fácilmente regulable, simplemente estrangulando el paso, o lo que es lo mismo, disminuyendo la sección del conducto. Este caudal, puede ser regulado en ambos sentidos, o bien, en uno de ellos solamente.

Las válvulas reguladoras de caudal unidireccional son las más utilizadas para el control de la velocidad de los actuadotes, debido que en un sentido regulan el caudal del flujo y en el otro no.

ELECTROVÁLVULA 4/2

Para usar mandos con aire a presión y corriente eléctrica es necesario recurrir a sistemas de conversión. El uso de convertidores permite aprovechar las ventajas que ofrecen ambos medios.

Estos convertidores son electroválvulas que se encargan de convertir las señales eléctricas en señales neumáticas. Estas electroválvulas están compuestas de una válvula neumática y de una unidad de conmutación eléctrica (cabezal electromagnético).

MOTOREDUCTOR

La elección recae casi siempre en un motor de corriente alterna. Los de corriente continua tienen algunas aplicaciones pero son más voluminosos y, a menudo, más caros para la misma potencia, aparte de que su rendimiento es más bajo que el de los motores de corriente alterna. Su única ventaja es la facilidad de accionamiento a velocidad variable con mandos simples. La rectificación de la corriente alterna significa un costo y una complicación adicionales.

COMPRESOR

Compresor de aire, también llamado bomba de aire, máquina que disminuye el volumen de una determinada cantidad de aire y aumenta su presión por procedimientos mecánicos. El aire comprimido posee una gran energía potencial, ya que si eliminamos la presión exterior, se expandiría rápidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas máquinas y herramientas, como martillos neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.

DETECTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS

Los detectores de proximidad inductivos son capaces de sustituir fácilmente a los interruptores mecánicos de final de carrera, aunque sus aplicaciones y su montaje exigen ciertos conocimientos técnicos. Por otro lado, la teoría y las aplicaciones prácticas de los detectores de proximidad capacitivos son mucho más complicadas, debiéndose tener en cuenta muchas diferencias más. Los fallos de conmutación pueden producirse especialmente por humedad en la superficie activa; los detectores de proximidad capacitivos funcionan con un oscilador, pero este no está activo constantemente.

RELÉ

Los relés son elementos constructivos que conmutan y controlan con poca energía. Los relés son utilizados principalmente para el procesamiento de señales. Un relé puede ser descrito como un conmutador de rendimiento definido y accionado electromagnéticamente.

RELÉS TEMPORIZADORES

Este tipo de relés tienen la función de desconectar o conectar contactos en un circuito acoplados detrás de los interruptores normalmente cerrados o abiertos. Estos relés efectúan dicha conexión o desconexión después de un tiempo determinado y ajustable.

ELECTROVÁLVULA

El mando electromagnético de una válvula se utiliza cuando la señal procede de un final de carrera eléctrico, de un presóstato o de un dispositivo eléctrico. A través de este tipo de mando la señal eléctrica es transformada en una señal neumática destinada a accionar el mecanismo de cierre o apertura de las distintas vías de las válvulas.

Pueden ser de asiento o de corredera indistintamente y, también, de mando directo o indirecto, o servopilotadas.

PULSADORES

Para que una máquina o equipo se ponga en marcha, es necesario contar con un elemento que emita una señal. Tal elemento puede ser un pulsador que ocupa una posición de conmutación determinada mientras que es activado.

Interruptor normalmente abierto.

Interruptor normalmente abierto; Interruptor normalmente cerrado;

accionado por presión manual. accionado por presión manual,

con enclavamiento.

LISTADO DE COMPONENTES electroneumático por PESO.

Cantidad	Elemento	Descripción
4	Cilindros de doble efecto	#1, #2, #3, #4
10	Válvula antirretorno
5	Electro-válvula 4/2	1Y, 2Y, 3Y,4Y,MY
1	Moto reductor
1	Fuente de corriente de 24V
2	Temporizadores	T1, T3
1	Caja de relés	K1 - K7
1	Sensor capacitivo	L
5	Finales de carrera	PL1, PL2, RL1, RL2, 4S2
1	Caja de contactos
2	Pulsadores, ON/OFF	1S1,1S2

Descripción del circuito electro neumático POR PESO.

Para la maquina propuesta debe haber una preparación previa llevada acabo por un operario, donde se debe suministrar plástico y además hacer el sellado lateral e inferior de la bolsa.

El sistema se inicia cuando se presiona el pulsador con enclavamiento 1S1. Si el sensor de nivel (L) en la tolva # 1, junto con los dos sensores de plástico PL1 (sensor suministro de plástico), y PL2 (sensor bolsa lista para llenar) dan continuidad para que sea activado el contactor K1, el cual activa el terminal de la electro válvula 1Y1, siendo activado el cilindro que abre la base de la tolva # 1, para vaciar el contenido en una segunda tolva.

En la tolva # 2 se encuentra una regla magnética, que actúa como sensor de peso, en estos momentos la tolva esta descendiendo hasta alcanzar el tope RL2 que indica que el suministro desde la tolva # 1 debe parar y esto se logra con la activación del contactor K4 que energiza el terminal de la electro válvula 1Y2 y K5 que desactiva 1Y1. Igualmente este tope RL2 (final de carrera) energiza el solenoide 2Y1 que coloca en movimiento el cilindro de apertura de la tolva # 2 para que su contenido se vierta en la bolsa, así la tolva # 2 empiece a ascender hasta su posición inicial para que se encuentre con RL1 (final de carrera) que activa el contactor K3. El anterior contactor a su vez energiza el temporizador al trabajo (T1) y los solenoides 3Y1 y 4Y1 para realizar el sellado lateral con el cilindro # 3. Con el cilindro # 4 se realiza el sellado y corte de la primera bolsa con el contenido deseado.

En el cilindro # 4 encontramos un final de carrera 4S2 que tiene como función activar el temporizador (T3), al transcurrir los 7 segundos del temporizador (T1) se desactiva 3Y1 y 4Y1, de forma contraria se activa 3Y2 y 4Y2 para que la acción de los cilindros termine y además aprovechamos para energizar MY1 para iniciar el funcionamiento del motor.

EL motor funciona un corto tiempo mientras arrastra la nueva bolsa que va a ser llenada y luego es detenido por la acción del temporizador (T3) sobre el solenoide MY2.

(T3) es el responsable de volver a iniciar el ciclo, ya que de nuevo hace que se active el solenoide 1Y1 para accionar el cilindro de control de la tolva # 1.Claro sin dejar atrás los requerimientos de los sensores PL1, PL2 y L1.

El pulsador con enclavamiento normalmente cerrado 1S2 es colocado para que al accionarlo active el contactor K2 y así energice todos los solenoides de retroceso de los cilindros, como son 1Y2, 2Y2, 3Y2 y 4Y2.

DIAGRAMAS

DIAGRAMA DE SITUACIÓN

Sistema Dosificador de Granos

DIAGRAMA DE OPERACIONES POR PESO

Diagrama fase-tiempO POR PESO.

DIAGRAMA RECORRIDO/OPERACIONES POR PESO

DIAGRAMA DEL PLANO ELECTRONEUMÁTICO POR PESO

LISTADO DE COMPONENTES electroneumático por VOLUMEN.

Cantidad	Elemento	Descripción
4	Cilindro de simple efecto	#1, #2, #3, #4
4	Válvula antirretorno
4	Electro-válvula 4/2 sin memoria	1Y, 2Y, 3Y,4Y
1	Electro-válvula 4/2 con memoria	MY
1	Moto reductor
1	Fuente de corriente de 24V
3	Temporizadores	T1, T2, T3
1	Caja de relés	K1, K2, K3, K4, K5
2	Sensor capacitivo	L1, L2
5	Finales de carrera
1	Caja de contactos
2	Pulsadores, ON/OFF	1S1,1S2

Descripción del circuito electro neumático POR VOLUMEN.

Para dar inicio al sistema se requiere la preparación previa de la maquina, para lo cual se requiere el sellado horizontal y vertical de la primer bolsa, además debe haber continuidad del suministro de plástico para que estén activados los sensores PL1 y PL2 continuamente, al cumplirse lo anterior el operario debe dar inicio por medio del botón 1S1, el sensor de nivel de la tolva numero uno debe detectar el nivel mínimo deseado, al cumplir todo lo anterior se activa el contactor K1 que energiza el solenoide 1Y1 para dar salida al actuador que habré la tolva superior para liberar el grano.

Este contenido se vierte en la segunda tolva la cual esta provista de un sensor capacitivo que energiza el contactor L2 cuando el volumen que ocupa el grano es el adecuado este a su vez (esta tolva debe llevar un vibrador que me produzca un nivel estable del grano) activa el contactor K2 que energiza los solenoides 1Y2 y 2Y1 el primero cierra la tolva superior, el segundo habre la inferior por medio del actuador A2 para que el grano caiga a la bolsa, para esto se utiliza el temporizador T1 para garantizar que todo el grano ha sido evacuado además T1 energiza los solenoides 3Y1 y 4Y1 los cuales sacan los actuadotes A3 y A4 para el sellado vertical y horizontal respectivamente al mismo tiempo.

T1 también activa el temporizador T2 el cual da un tiempo de sellado ala bolsa, devolviendo los actuadotes A3 y A4 después de cierto tiempo y poniendo en funcionamiento el motor por medio del solenoide 1M1 por un tiempo establecido por T3 el cual ha sido activado por T2, T3 también tiene por tarea reiniciar el ciclo de nuevo, en caso de emergencia existe un botón de stop el cual hace devolver todos los actuadotes a su posición de reposo incluyendo el apagado del motor .

DIAGRAMA DEL PLANO ELECTRONEUMÁTICO POR VOLUMEN

DIAGRAMA DE EVOLUCION

LISTADO DE COMPONENTES

COSTOS

Para esto se recurrió a diferentes distribuidoras de elementos técnicos y estructurales de la región entre las cuales tenemos AIRMAT LTDA de PEREIRA, RACORES Y PARTES, estas son puntos de venta de diferentes elementos de instrumentación, nuestra preocupación fue averiguar los elementos de neumática y electro neumática, las facturas de cotización se encuentran mas adelante en este documento, la fluctuación de precios entre estas dos empresas es evidente. Los rodamientos se cotizaron en IMPRE LTDA la cual maneja la marca KML a un precio razonable. Los elementos estructurales se cotizaron en diferentes sitios los cuales fueron, TAMA en la cual se averiguó la varilla de media y los ángulos, FERREINOX LTDA la lámina de acero inoxidable, el compresor en NESTOR BRAVO, la fuente de poder en A.S.C Electrónica S.A. y los tornillos en la MILIMETRICA.

Los sitios visitados fueron recomendados por ingenieros de la Universidad Tecnológica de Pereira ya que la calidad debe resaltar en el proyecto y estas empresas tienen respaldo de buenas marcas.

A continuación se muestra el listado de componentes con sus respectivos precios, los cuales se seleccionaron teniendo en cuenta las empresas que ofrecían sus productos más favorables que la competencia.

LISTADO DE MATERIALES Y PRECIOS

ELEMENTOS ELECTRONEUMATICOS	Cantidad	Precio unidad	Presión total
Cilindro doble efecto	4	139000	556000
Válvula control de flujo línea 1/8	8	22000	196000
Válvula 5/2 de 1/8 24Vdc	4	107000	428000
Final de carrera 1/8	5	54000	270000
Unidad de mantenimiento	1	186000	186000
Manguera de poliuretano	1	2000/m	40000
Pulsadores de 3/2 sin memoria	1	25000	25000
Sensor inductivo	1	80000	80000
Temporizadores	2	61000	122000
Contactores	5	25000	125000
Fuente de poder FRC 25 Amp.	1		344900
Compresor	1		700000
ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Lamina acero inoxidable cal 26	13m	26724	402998
Angulo 2.5/2.5 mm.	1		18000
Varilla de 1/2 in, Fe	1		11000
Tornillos de 1/4 por 3/4	40	200	40000
Rodamientos 6201-2Rs-1/2,KML	4	4000	16000
TOTAL cotización			3'560.898

CONCLUSIONES

- La política de modernización económica del gobierno nacional afecta desfavorablemente la producción de granos y por ende a las industrias manufactureras, que obtienen del sector agrícola sus fuentes de materia prima, es por esto que este tipo de proyectos hacen que se desarrollen nuevos productos que mejoren el empaque de diversos productos.

- Con la necesidad que tenemos los estudiantes de la interacción Universidad - Empresa, este tipo de proyectos nos permitan acercarnos a un problema real que implica costos e implementación de automatismos que ayudan a un desarrollo social.

- La electroneumática es un sistema eficaz y más económico para el desarrollo de este tipo de proyectos y simplifica montaje, espacio y peso estructural del dispositivo.

BIBLIOGRAFÍA

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[2] FESTO. Automatizar con neumática. Catálogo Básico. Primera Edición. 2001. N/8 Págs.

[3] JIMENEZ DE CISNEROS, Luis. Manual de neumática. Editorial Blume. 1979. 501 Págs.

[4] MEIXNER, H. Introducción a la neumática. E.1 y E.2. Festo Didactic. 1990. Alemania. 240 Págs.

[5] Revista industrial World en español. Vol. 178 No. 1. 1966. New York (USA). 156 Págs.

[6] SERRANO N., Antonio. Neumática. Editorial Paraninfo S.A. 1996. España. 228 Págs.

[7] STOLL, K. Dispositivos neumáticos. Boixareu Editores. Marcombo S.A. 1982. México. 191 Págs.