diseño de herramienta automática para la limpieza de cilindros

DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE
CILINDROS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA
PLANTA DE FLEXA COLOMBIA
JUAN CAMILO CUERVO MEJIA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2013
1
DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE
CILINDROS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA
PLANTA DE FLEXA COLOMBIA
JUAN CAMILO CUERVO MEJIA
Pasantía institucional para optar el título de
INGENIERO MECATRÓNICO
Director
WILLIAM GUTIÉRREZ MARROQUIN
Magister en Ingeniería
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2013
2
Nota de aceptación:
Aprobado por el comité de grado en
cumplimiento de los requisitos exigidos
por la Universidad
Autónoma de Occidente para optar al
título de Ingeniero Mecatrónico.
JIMMY TOMBÉ ANDRADE
Jurado
JESÚS ALFONSO LÓPEZ
Jurado
Santiago de Cali, 16 Agosto de 2013
3
AGRADECIMIENTOS
Agradecerle a DIOS por permitirme llegar y cumplir con esta etapa de mi vida y a
mi Madre, por su constante apoyo, sacrificio y confianza depositada en mí. Este
documento no alcanzaría, para darle las gracias a mi madre por todo.
4
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN ........................................................................................................ 14
INTRODUCCION .............................................................................................. 15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 16
2. ANTECEDENTES ...................................................................................... 18
3. OBJETIVOS ............................................................................................... 21
3.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 21
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ..................................................................... 21
4. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................ 22
5. MARCO REFERENCIAL ........................................................................... 24
5.1. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 24
5.2 ROTOGRABADO EN PLÁSTICOS ........................................................... 24
5.3 RESPONSABILIDAD SOCIAL .................................................................. 25
5.4 MAQUINAS LIMPIADORAS DE CILINDROS DE ROTOGRABADO ....... 25
5.5 SISTEMA AUTOMÁTICO .......................................................................... 26
5.6 REGULADOR DE PRESIÓN NEUMÁTICA .............................................. 26
5.7 PLC ............................................................................................................ 26
5.8 PROCESO DE DISEÑO CONCURRENTE................................................ 27
5.9 CILINDROS NEUMÁTICOS ...................................................................... 28
5.10 PRESION .................................................................................................. 28
5.11 CAUDAL ................................................................................................... 28
5.12 VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO EN LOS CILINDROS
NEUMÁTICOS .............................................................................................. 28
5
5.13 VÁLVULAS REGULADORAS DE CAUDAL ........................................... 29
6. ESTUDIO DEL PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE
ROTOGRABADO ............................................................................................. 30
6.1 PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE ROTOGRABADO ........... 30
6.2 DATOS DEL PROCESO DE LIMPIEZA .................................................... 31
6.3 MAQUINA DONDE SE VA A ADAPTAR LA HERRAMIENTA ................. 33
6.4 GENERACIÓN DE PROPUESTA DE MEJORA ....................................... 35
7. DEFINICIÓN DEL CAMPO DE ACCIÓN ..................................................... 36
7.1 PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN ........................................................... 36
7.2 CLIENTE PRIMARIO ................................................................................. 36
7.3 CLIENTE SECUNDARIO........................................................................... 36
7.4 PREMISAS Y RESTRICCIONES .............................................................. 36
8. MÉTODO DE INGENIERÍA CONCURRENTE............................................. 37
8.1 OBTENCIÓN DE DATOS PRIMARIOS. .................................................... 37
8.1.1 Identificación de las necesidades ...................................................... 37
8.2 METRICAS ................................................................................................ 40
8.2.1 Especificaciones del producto ............................................................ 40
8.3 QFD. Ver anexo A ..................................................................................... 41
8.4 GENERACIÓN DE CONCEPTOS ............................................................. 41
8.4.1 Descripción general del producto ....................................................... 41
8.4.2 Funciones .............................................................................................. 42
8.4.3 Descomposición funcional del producto ............................................ 42
8.4.4 Caja negra.............................................................................................. 42
8.4.5 Descomposición funcional (sub funciones). ...................................... 42
8.4.6 Conceptos generados por las sub funciones .................................... 43
8.4.7 Árbol de clasificación ........................................................................... 43
8.4.8 Refinamiento y descomposición funcional ........................................ 44
8.5 DESARROLLO CONCEPTUAL ................................................................ 44
6
8.5.2 Combinación de conceptos. ................................................................ 52
8.6 SELECCIÓN DE CONCEPTOS ................................................................. 66
8.6.1 Matriz de selección. .............................................................................. 66
8.6.2 Matriz de evaluación de conceptos. ................................................... 68
8.6.3 Evaluación de conceptos recalculada ................................................ 69
9. PRUEBA DE CONCEPTOS....................................................................... 73
10. DISEÑO DE LA OPCION SELECCIONADA ............................................. 78
10.1 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO ............................................................ 78
10.1.1 Actuadores neumáticos. ................................................................... 78
10.1.2 Unidad guía ......................................................................................... 83
10.1.3 Válvula de estrangulación y antirretorno.......................................... 84
10.1.4 Unidad De mantenimiento .................................................................. 85
10.2 ELECTROVÁLVULAS............................................................................. 85
10.3 SENSOR DE PROXIMIDAD MAGNÉTICO ............................................. 86
10.4 UNIDAD ALIMENTADORA DE 24V DC.................................................. 87
10.5 PAD ......................................................................................................... 87
10.6 PLC-CONTROLADOR ............................................................................ 87
10.7 PANTALLA HMI-UNIDAD DE INDICACION Y CONTROL ..................... 88
10.8 LAMINA DE CARRIL Y CARCASA ........................................................ 88
11. PROGRAMACIÓN DEL PLC E INTERFAZ GRAFICA.............................. 89
12. MANUAL DE USO ..................................................................................... 95
12.1 CONCEPTO GENERAL INTERFAZ GRAFICA ...................................... 95
12.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO ................................. 96
13. COSTOS DEL DISEÑO ............................................................................. 99
13. CONCLUSIONES .................................................................................... 101
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 102
ANEXOS ......................................................................................................... 104
7
LISTA DE CUADROS
Pág.
cuadro 1. Dimensiones cilindros FLEXA
31
Cuadro 2 Alimentación planta EMPAQUES FLEXA
31
Cuadro 3. Identificación de las necesidades
38
Cuadro 4. Agrupe e importancia de las necesidades
39
Cuadro 5. Especificaciones del producto
40
Cuadro 6. Conceptos para el sistema de brillado
45
Cuadro 7. Conceptos para el sistema de limpieza profunda
46
Cuadro 8. Conceptos para el sistema de desengrasante
47
Cuadro 9. Conceptos para la aplicación de insumos
48
Cuadro 10. Conceptos para el sistema de presión
49
Cuadro 11. Conceptos instrumento para brillar
50
Cuadro 12. Conceptos para la tecnología a utilizar
51
Cuadro 13. Conceptos para el desplazamiento de la herramienta
51
Cuadro 14. Combinación de conceptos
52
Cuadro 15. Costos solución A
54
Cuadro 16. Costos solución B
57
Cuadro 17. Costos solución C
60
Cuadro 18. Costos solución D
62
Cuadro 19. Costos solución E
65
Cuadro 20. Matriz de selección
67
Cuadro 21. Matriz de evaluación de conceptos
68
Cuadro 22. Matriz de evaluación de conceptos recalculada
70
Cuadro 23. Conceptos de la solución seleccionada
71
Cuadro 24. Resultados experimento cálculo de fuerza
74
Cuadro 25. Presión- Fuerza
75
8
Cuadro 26. Fuerzas y momentos admisibles para el cilindro sin vástago79
Cuadro 27. Memorias utilizadas en el PLC
92
Cuadro 28. Costos de materiales
99
9
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Cilindros utilizados en el proceso de rotograbado
16
Figura 2. Posición del operario durante el proceso de limpieza
17
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de limpieza de cilindros de
rotograbado
19
Figura 4. Máquina- Canoa para limpieza de cilindros
19
Figura 5. Herramienta de limpieza artesanal
20
Figura 6. Principio del proceso de Rotograbado
24
Figura 7. Proceso de desarrollo del producto
27
Figura 8. Válvula de estrangulación y antirretorno
29
Figura 9. Proceso de limpieza de cilindros de rotograbado
30
Figura 10. Aplicación de brilla metal
32
Figura 11. Posición para brillar cilindros
32
Figura 12. Postura en el momento de brillar el cilindro
32
Figura 13. Limpieza con detergente
33
Figura 14. Enjuague de cilindro
33
Figura 15. Secado de cilindro con rasqueta de caucho
33
Figura 16. Máquina – canoa para limpieza de cilindros
34
Figura 17. Tablero máquina- canoa
34
Figura 18. Transmisión de movimiento en la máquina-canoa
35
Figura 19. Elementos de brillado
35
Figura 20. Caja negra de la herramienta
42
Figura 21. Descomposición funcional del diseño
43
Figura 22. Tipos de energía para la herramienta
43
Figura 23. Refinamiento de la descomposición funcional
44
Figura 24. Concepto 1, sistema de brillado
46
10
Figura 25. Concepto 2, sistema de brillado
46
Figura 26. Concepto 3, sistema de brillado
46
Figura 27. Concepto 1, sistema de limpieza profunda
47
Figura 28. Concepto 2, sistema de limpieza profunda
47
Figura 29. Concepto 1, sistema desengrasante
47
Figura 30. Concepto 1, aplicación de insumos
48
Figura 31. Concepto 2, aplicación de insumos
48
Figura 32. Concepto 1, sistema de presión
49
Figura 33. Celda de carga
49
Figura 34. Concepto 1, Instrumento para brillar
50
Figura 35. Concepto 2, Instrumento para brillar
50
Figura 36. Concepto 3, Instrumento para brillar
50
Figura 39. Solución A
53
Figura 42. Solución D
61
Figura 43. Solución E
63
Figura 44. Medición de fuerza para brillado
73
Figura 45. Ubicación de sensores magnéticos para ranura en T
76
Figura 46. Cilindro con vástago encima del cilindro neumático sin
vástago
77
Figura 47. Momentos y fuerzas en el cilindro sin vástago
79
Figura 48. Esfuerzos del vástago sin unidad guía
84
Figura 49. Circuito neumático
86
Figura 50. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas
90
Figura 51. Diagrama de conexiones al PLC- Salidas
91
Figura 52. Grafcet
93
Figura 53. Parada de emergencia
94
Figura 54. Concepto general de interfaz grafica
95
Figura 55. Autómata siemens S7-200
95
Figura 56. Interfaz hombre maquina
96
Figura 57. Selección de longitud
97
11
Figura 58. Numero de pasadas
97
Figura 59. Botón Star
97
Figura 60. Asignación de alarmas
97
Figura 61. Espacio de trabajo de la herramienta automática
98
12
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Qfd. Quality function deployment
Anexo B. Solución seleccionada
Anexo C. Cilindro lineal sin vástago Festo
Anexo D. Cilindro neumático con vástago Festo
Anexo E. Unidad guía
Anexo F. Válvula de control de flujo- válvula de estrangulación y
antirretorno.
Anexo G. Unidad de mantenimiento.
Anexo H. Electroválvulas
Anexo I. Sensor de proximidad magnético
Anexo J. Fuente 24v dc.
Anexo K. Pad
Anexo L. PLC
Anexo M. Pantalla HMI- unidad de indicación y control
Anexo N. Lamina de carril y carcasa.
Anexo O. Cotizaciones
Anexo P. Artículo formato Icontec
13
104
105
106
109
111
123
125
128
132
134
135
135
136
139
141
147
RESUMEN
El presente proyecto se realiza gracias a un acuerdo pactado entre la Universidad
Autónoma de Occidente y la multinacional de plásticos EMPAQUES FLEXA, en
su interés por mejorar las condiciones de trabajo de cada uno de los empleados,
reduciendo los niveles de accidentalidad, para fortalecer la parte de seguridad
industrial y salud ocupacional. La empresa FLEXA es consciente que al mejorar
las condiciones de trabajo de los empleados, se puede ver reflejado un gran
cambio en la producción, ya que una persona que labore en un ambiente laboral
sano y seguro, es muy probable que trabaje más comprometido con la empresa y
con una mejor actitud.
En el área de cilindros de rotograbado de la planta de FLEXA, existe una
problemática latente, que involucra la integridad de los operarios y perjudica su
salud. Este problema se debe a que los operarios deben realizar el proceso de
limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado, en forma manual, en
condiciones y posturas inadecuadas, para lograr excelentes resultados a cambio
de riesgos ergonómicos y posibles accidentes.
Lo primero que se realizó para este proyecto, fue un análisis de las condiciones de
trabajo del operario, para determinar cuáles eran los riesgos a los que estaban
expuestos. Seguidamente se procedió a realizar un feedback con cada uno de
ellos, para conocer los problemas que ha generado en su integridad física la
realización del proceso de limpieza de cilindros.
Gracias a la investigación realizada y a una serie de datos relevantes los cuales
fueron posibles obtener con la ayuda de los operarios y el departamento de
mantenimiento, se identificaron los principales problemas en el proceso de
limpieza de los cilindros de rotograbado, y se procedió a plantear y diseñar una
serie de soluciones posibles, para poder suplir todas las necesidades de la
empresa y culminar con los objetivos del proyecto.
Finalmente se seleccionó la mejor opción de diseño, después de pasar por un
riguroso análisis de viabilidad tanto técnico como económico.
PALABRAS CLAVES: Seguridad
ergonómico, cilindros de rotograbado.
industrial,
14
salud
ocupacional,
riesgo
INTRODUCCION
FLEXA fue fundada en 1975 por el grupo Carvajal, como respuesta a la necesidad
de protección y preservación adecuada de productos de consumo masivo, durante
su distribución y permanencia en el punto de venta, productos tales como jugos de
frutas, galletas, refrescos, derivados lácteos, salsas, farmacéuticos, jabones y
artículos para el aseo personal y para el cuidado del hogar. Estos empaques se
forman a partir de laminados fabricados con diferentes materiales tales como
aluminio, papel, polietileno, polipropileno biorientado y otros plásticos de mediana
y alta barrera de protección.
FLEXA ha permanecido a la cabeza en la innovación en el mercado colombiano
de empaques flexibles. En el año 2012, FLEXA pasa a ser parte del grupo
ALUSA, filial de Madeco y del grupo Nexus; la cual cuenta con más de 50 años
de experiencia en la elaboración de envases flexibles y presente en Chile,
Argentina y Perú.
Flexa cuenta con líneas de producción automatizadas, las cuales permiten realizar
producciones en serie y ser más competitivos en el mercado. Algunas áreas de la
empresa no cuenta con las suficientes características técnicas que se requieren
para garantizar la integridad física del personal, lo cual implica que los operarios
realicen muchas labores manualmente, movimientos repetitivos que afectan la
salud, como por ejemplo en el área de cilindros. Los problemas que se generan en
el área de cilindros, deben resolverse para prevenir los accidentes laborales y
garantizar un excelente resultado en la producción.
15
1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la planta de empaques FLEXA, se realiza el proceso de rotograbado en
plástico, el cual implica la utilización de unos cilindros de cobre, en cuya superficie
hay depresiones que contienen tinta, permitiendo imprimir la figura en el material
plástico. Estos cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, se pueden
reutilizar para imprimir una figura diferente cada vez que se requiera.
Para que vuelvan a ser reutilizados los cilindros de rotograbado, se requiere que
pasen por un proceso de pre alistamiento; iniciando con un proceso de cobrizado,
seguidamente pasan a ser brillados y limpiados, después pasan a ser cromados y
por último, se pulen para ser utilizados nuevamente en la impresión de plástico.
Los cilindros que se manejan en la planta de FLEXA, tienen una circunferencia
que va desde 450 a 800 mm; su longitud varía entre 850, 1100 y 1370mm,
dependiendo del diseño que se desee realizar.
En la figura 1 se puede observar los cilindros de rotograbado cuyo material es
cobre.
Figura 1. Cilindros utilizados en el proceso de rotograbado
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
El proceso de limpieza de los cilindros implica un alto riesgo para el operario
encargado, ya que este debe introducir el cilindro en una máquina que lo hace
girar a una velocidad constante, poniendo en riesgo su integridad; El operario
debe realizar una serie de operaciones de limpieza, para lograr un excelente
acabado en los cilindros. Todas las operaciones ocurren mientras el cilindro se
encuentra girando, lo cual representa un alto riesgo para el operario, debido a que
si se descuida, la maquina tiende a halarlo y puede quedar atrapado en su interior.
16
Este proceso se realiza repetitivamente durante toda la jornada, lo cual representa
una notable preocupación para la empresa, debido a que antes de finalizar la
jornada laboral, los operarios ya se encuentran fatigados y no van a laborar igual
que cuando empezaron el turno; esto se puede ver reflejado al final de la
producción, ya que si el proceso de limpieza no se realiza correctamente, el
producto final derivado del proceso de rotograbado, puede quedar con apariencia
“pálida” y con velos.
Adicionalmente, se debe tener en cuenta que este proceso de limpieza, requiere
de una gran aplicación de fuerza física por parte del operario para lograr una total
homogeneidad en el acabado, lo que ocasiona dolores lumbares y dolor en dedos
y manos.
En la figura 2, se puede observar el gran esfuerzo que realiza el operario con sus
brazos y manos para realizar la brillada del cilindro, además de la postura
inclinada que representa riesgos para el mismo.
Figura 2. Posición del operario durante el proceso de limpieza
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
17
2.
ANTECEDENTES
Es importante conocer el desarrollo y las iniciativas que se han tenido por parte de
otras personas en su interés de mejorar el proceso de limpieza de cilindros
utilizados en el proceso de rotograbado; por tal motivo se debe conocer en que
consiste este proceso.
El proceso se da inicio cuando el operario introduce el cilindro en la máquinacanoa con ayuda del diferencial de carga; Enciende la máquina-canoa, y está,
hace girar el cilindro de rotograbado a una velocidad constante y en un solo
sentido; el operario procede a aplicar brilla metal humedecido sobre toda la
superficie del cilindro y lo frota fuertemente con paños de algodón, para poder
lograr el acabado deseado y una excelente homogeneidad; este paso es el de
mayor importancia en el reflejo de la producción. Después se procede a aplicar un
detergente especial Gold Wash, para retirar todo tipo de impurezas que puedan
haber en la superficie del cilindro, para esto no se requiere de esfuerzos altos ni
posiciones incomodas; Se aplica agua jabón, también con un paño de algodón sin
mayor esfuerzo, con el objetivo de retirar las grasas y se procede a enjuagar con
agua toda la superficie del cilindro. Por último el operario utiliza una rasqueta o
espátula con filo de caucho para secar el cilindro, el cual va a ser desplazado a la
máquina de cromado para aumentar su dureza superficial.
En la figura 3, se puede observar el diagrama de flujo del proceso de limpieza de
los cilindros utilizados en el rotograbado.
18
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de limpieza de cilindros de
rotograbado
La máquina- canoa en la que se realiza todo el proceso de limpieza de los
cilindros, se puede observar en la figura 4.
Figura 4. Máquina- Canoa para limpieza de cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
19
Los operarios que laboran en todas las áreas de EMPAQUES FLEXA, incluido en
el área de cilindros, utilizan guantes para proteger las manos de sustancias
químicas que puedan ocasionar problemas dermatológicos en la piel y cortaduras
con algún tipo de herramienta.
En años anteriores, operarios de la planta de Empaques FLEXA, debido a los
dolores y las incomodidades proporcionadas al realizar este proceso de limpieza
tan repetitivo, buscaron dar una solución al problema y diseñaron una herramienta
totalmente artesanal para realizar la brillada de los cilindros. Dicha herramienta, no
dio un buen resultado, ya que también requería de un alto esfuerzo por parte del
operario, experimentando estados de fatiga con el transcurso del tiempo. La
herramienta se fue deteriorando rápidamente hasta que se eliminó por completo
de la planta. La herramienta diseñada por los operarios, realizaba el subproceso
de brillado, que es la parte critica del proceso de limpieza (Figura 5.).
Figura 5. Herramienta de limpieza artesanal
Los únicos incidentes reportados en el área de cilindros de la empresa
EMPAQUES FLEXA en el proceso de limpieza de cilindros, ha sido las cortaduras
en los dedos de los operarios, debido a la rotura de los guantes con las virutas que
quedan en los extremos del cilindro.
La empresa EMPAQUES FLEXA, debido a los problemas manifestados por los
operarios que realizan el proceso de limpieza de los cilindros, vio la necesidad de
utilizar una herramienta, con la cual el esfuerzo por parte de los operarios sea
mínimo, y la homogeneidad de los cilindros sea garantizada.
20
3.
3.1
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar una herramienta automática para la limpieza de cilindros utilizados en el
rotograbado, antes del proceso de cromado en la planta de producción de
FLEXA, con el fin de disminuir los riesgos y los esfuerzos que el operario debe
realizar en este proceso.
3.2
OBJETIVOS ESPECIFICOS

Estudiar los principales problemas que genera la ausencia de una
herramienta que hace la función de limpieza en los cilindros de rotograbado.

Implementar el método de ingeniería concurrente para el diseño de la
herramienta de limpieza de los cilindros que serán utilizados en el proceso
de rotograbado en plástico.

Disminuir los esfuerzos físicos altos por parte del operario al momento de
realizar la limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado.

Seleccionar
los mecanismos que contribuyan a la disminución de
problemas ergonómicos.

Generar manual de usuario asociado al funcionamiento de la nueva
herramienta.

Escribir un artículo en formato ICONTEC o IFAC sobre el tema y desarrollo
del proyecto.
21
4.
JUSTIFICACIÓN
¿Qué puede pasar si no se optimiza el proceso de limpieza de los cilindros de
rotograbado en la planta de empaques FLEXA?
Debido al alto riesgo que corren los empleados al momento de la limpieza de los
cilindros, una de las graves consecuencias que puede generar la ausencia de una
herramienta que haga esta labor, sería la perdida de una extremidad, ya que en el
momento de la limpieza, más exactamente en el subproceso de brillado, los
cilindros se encuentran dentro de una máquina-canoa que los mantiene en
rotación a una velocidad constante y esto provoca que cuando el operario
interactúa con la máquina, la máquina tienda a halarlo, generando un alto riesgo
para su integridad; Aunque aún no se ha reportado ningún accidente grave en
este proceso, es evidente el peligro que a diario corren los operarios encargados
de esta labor.
Por otra parte, la postura que adoptan los operarios para lograr un buen acabado
en el brillado del cilindro, a largo plazo genera dolor lumbar, la cual es una de las
primeras causas de morbilidad profesional, según un estudio realizado por LA
DIRECCION GENERAL DE RIESGOS PROFESIONALES DEL MINISTERIO DE
PROTECCION SOCIAL1.
A diario, los operarios también manifiestan dolores en las manos y en los dedos,
debido al alto esfuerzo físico que deben ejercer para lograr excelentes resultados.
Uno de los beneficios que traería para la empresa la utilización de la herramienta
de limpieza, económicamente hablando, es no verse involucrado en
remuneraciones, indemnizaciones o incapacidades debido a accidentes de
trabajo, ya que cualquier percance que le ocurra al operario es responsabilidad de
la empresa.
Para la empresa EMPAQUES FLEXA, es de vital importancia reducir el riesgo
ergonómico, ya que sus políticas de seguridad ocupacional, hacen mucho énfasis
en la responsabilidad social empresarial y siempre vela por el bienestar y la salud
de los trabajadores.
1
Guía de atención Integral de salud ocupacional Basada en la evidencia para dolor Lumbar, 2006
p27. Disponible en: http://www.epssura.com/guias/dolor_lumbar.pdf
22
En cuanto a su producción, se minimizan los errores producidos por una mala
limpieza de cilindros, lo que significaría para la empresa, una oferta homogénea
con una excelente calidad basada en tecnologías de punta.
Es bueno rescatar, que una persona independientemente de su trabajo, entre
mejor sea su puesto de trabajo y su ambiente laboral, podrá ser más eficiente y
trabajar con más gusto y agradecido, lo cual genera para la empresa menor
tiempo muerto y más productividad, destacándose en el mercado por tener una
mayor ventaja comparativa y competitiva.
23
5. MARCO REFERENCIAL
5.1.
MARCO TEÓRICO
Este proyecto requiere del conocimiento de algunos conceptos que son claves
para el total entendimiento de todas las etapas y desarrollo que este implica.
5.2.
ROTOGRABADO EN PLÁSTICOS
Es una técnica de impresión, en la cual las imágenes son transferidas al plástico,
a partir de una superficie cuyas depresiones contienen tinta. La matriz impresora
del proceso son los cilindros de impresión, que consta básicamente de un cilindro
de hierro, una capa de cobre sobre la cual se grava el motivo a imprimir, y una
capa de cromo que garantiza una mayor dureza superficial.
El cilindro se cubre de tinta mientras esta rotando, posteriormente se limpian las
superficies donde no hay grabado, dejando solo tinta en el grabado que se dese
imprimir en el plástico (figura6).
De acuerdo a la cantidad de colores que se deseen imprimir en el plástico, así
mismo es el número de cilindros a utilizar.
Figura 6. Principio del proceso de Rotograbado
Fuente: El huecograbado en rotativa o rotograbado [en línea]. Gustavo Sánchez
Muños. Técnicas de impresión, [Consultado el 8 de enero de 2013]. Disponible en:
http://gusgsm.com/huecograbado_rotativa.
24
5.3.
RESPONSABILIDAD SOCIAL
La empresa EMPAQUES FLEXA, siempre se ha caracterizado por priorizar la
salud y el bienestar de sus trabajadores, siendo esto una ventaja competitiva que
los diferencia de las otras empresas. Entre sus pilares se habla de la
responsabilidad social empresarial, que representa un enfoque de negocio que
involucra a los distintos grupos de interés para contribuir a la gestión sostenible de
la empresa.
EMPAQUES FLEXA, justifica el crecimiento sostenible de su compañía a tres
cimientos que son: Economía, social y ambiental2. Estos cimientos son los que
han permitido una gestión sostenible de la empresa enmarcado por la integración
voluntaria de las preocupaciones sociales y medioambientales que son el fruto
de:

Actividades beneficiosas.
Prácticas empresariales responsables.
Iniciativas voluntarias más allá de la normativa legal de las obligaciones
contractuales.
Herramientas estratégicas para aumentar la competitividad de la empresa.
5.4.
MAQUINAS LIMPIADORAS DE CILINDROS DE ROTOGRABADO



En el mercado de máquinas de limpieza de cilindros utilizados en el proceso de
rotograbado, se puede encontrar una gran variedad, que trabajan con diferentes
tecnologías, pero estas máquinas solo realizan la función de limpieza de tintas.
Actualmente, comercialmente no se conoce una máquina que realice el proceso
completo de limpieza de los cilindros automáticamente, que consta de la brillada,
aplicación de detergente, enjuague y secado principalmente.
En el mercado podemos encontrar muchas máquinas de limpieza de tintas como
por ejemplo las de Italia Sistema Tecnologici3, que ofrecen una amplia gama de
máquinas, con diferentes tecnologías. Estas máquinas realizan un excelente
2
Responsabilidad Social. EMPAQUES FLEXA [En línea]. [Consultado el 19 de diciembre de 2012].
Disponible en: http://www.eflexa.co/inicio.html
3
Italia Sistemi Tecnologici [en línea]. Industria dedicada a la comercialización de máquinas de
limpieza para partes de máquinas de rotograbado, flexografía y offset. [Consultado el 19 de
diciembre de 2012] Disponible en: http://www.ist.it/cubas-de-lavado.htm
25
trabajo y debido a su diseño tan innovador e interesante, sirvieron de apoyo para
el desarrollo de este proyecto.
5.5.
SISTEMA AUTOMÁTICO
Es un sistema donde se transfieren las tareas de producción, realizadas
habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
Los sistemas automáticos constan de dos partes principales:


Parte de mando
Parte operativa
Los sistemas automáticos, mejoran la productividad de las empresas reduciendo
los costos de producción y mejorando la calidad de la misma; también sirven para
mejorar notablemente las condiciones de trabajo del personal incrementando la
seguridad.
5.6.
REGULADOR DE PRESIÓN NEUMÁTICA
Mecanismo diseñado para proporcionar un control neumático preciso, mediante el
uso de una señal eléctrica4. Se basa en el equilibrio de fuerzas de
desplazamiento.
Algunas válvulas reguladoras de presión, son manorreductoras, de tal manera que
proporcionan una presión constante a un sistema que funcione con una presión
más baja que el sistema de suministro. Una vez ajustada la válvula, la presión
reducida será mantenida sin importar los cambios en el suministro de presión.
5.7.
PLC
Uno de los elementos principales de las herramientas y máquinas automáticas,
son los PLCs (Controlador lógico programable), los cuales trabajan en tiempo real
y en ambiente industrial.
4
CONTROL AIR. Controles neumáticos y electro neumáticos de precisión [en línea] pág. 2.
[Consultado
el
29
de
enero
de
2013].
Disponible
en:
http://www.controlair.com/downloads/Short_Form_Catalog_Spanish_12-07.pdf
26
Un controlador lógico programable es un dispositivo electrónico digital que usa una
memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones
lógicas, de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas para controlar
máquinas y procesos y diseñado específicamente para programarse con
facilidad5.
Los PLC trabajan recibiendo información de los captores (sensores) y de acuerdo
al programa lógico que tengan en su interior, actúan sobre los actuadores,
proporcionándoles la salida deseada por parte del usuario.
Estos dispositivos se pueden reprogramar y pueden realizar funciones
cíclicamente.
Para el diseño de la herramienta automática de limpieza, que se le va a adaptar a
la máquina- canoa, es indispensable utilizar un sistema de control electrónico, el
cual será el cerebro de todas las funciones a realizar.
5.8.
PROCESO DE DISEÑO CONCURRENTE
Para la realización del diseño del producto de este proyecto, se utilizó el método
de diseño concurrente, también conocido como simultaneo, el cual permitió
obtener una mayor flexibilidad y organización, reduciendo los tiempos de diseño y
aumentando la fiabilidad en el resultado obtenido. Este proceso de diseño consta
de 6 pilares que están representados en la figura 7:
Figura 7. Proceso de desarrollo del producto
Fuente: ULRICH, Diseño y desarrollo de productos6. Capítulo 1, pg. 8.
5
William Bolton. MECATRÓNICA. Cuarta edición, Alfaomega. Capítulo 7, Controladores lógicos
programables, pág. 440.
6
Ulrich Karl. DISEÑO Y DESARROLLO DE PRODUCTOS. 3 ed. Mc Graw-Hill, 2004
27
5.9.
CILINDROS NEUMÁTICOS
Consiste en un tubo cilíndrico por el que se desplaza un pistón (émbolo). Existen
dos tipos básicos de cilindros, los cilindros de simple acción y los de doble acción.
Los cilindros de simple acción se utilizan cuando la presión se aplica solo en uno
de los extremos de pistón; por el otro lado del pistón, se abre a la atmosfera.
Los cilindros de doble acción se utilizan cuando se aplica presión a ambos lados
del pistón; la diferencia de presiones a ambos lados del pistón, produce el
movimiento del mismo7.
5.10. PRESION
Es el cociente entre la fuerza y la superficie que recibe su acción. La presión
atmosférica, es igual al peso por unidad de superficie de la columna de aire
comprendida entre esta superficie y la última capa de la atmosfera. La unidad de
presión en el sistema internacional es el
que recibe el nombre de Pascal8.
Ecuación 1. Conversión de unidad bar a pascal
5.11. CAUDAL
Se define como la cantidad de flujo que atraviesa una sección dada por unidad de
tiempo. Esa cantidad de fluido se puede expresar de dos formas, en masa o en
volumen9.
5.12. VELOCIDAD
NEUMÁTICOS
DE
DESPLAZAMIENTO
EN
LOS
CILINDROS
La velocidad de desplazamiento de un cilindro neumático, depende de varios
factores, como por ejemplo, el estado de la superficie interna del tubo, tolerancias
en la fabricación del cilindro, presión en la línea y el porcentaje de carga en un
cilindro, entre otros.
7
William Bolton, op. cit., pág. 160
Antonio Guillén. INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA. Preliminares ,pág. 9
9
Ibis ,pág. 10
8
28
Las presiones que actúan en el cilindro, las características de caudal-presión del
distribuidor, así como el porcentaje de carga, tienen una gran influencia en la
velocidad de desplazamiento. La obtención de expresiones o de graficas que
relacionen estas variables, se realiza de forma experimental, a causa de la
variación de los rozamientos. En general, para controlar la velocidad de los
cilindros, se debe actuar sobre el caudal.
Si se ajusta el caudal de alimentación, el avance del cilindro se efectúa a saltos,
debido a que cada vez que empieza a moverse el cilindro, la presión de la cámara
disminuye y consecuentemente la fuerza motriz. Por tanto la regulación del caudal
de entrada provoca un desplazamiento irregular, no recomendable.
Se recomienda regular el caudal de escape, de esta forma el desplazamiento del
cilindro es más suave al retener el aire en la cámara resistente10.
5.13. VÁLVULAS REGULADORAS DE CAUDAL
Estas válvulas se utilizan para controlar la velocidad de salida y retroceso de los
cilindros neumáticos. Se pueden dividir en dos grupos: reguladores
unidireccionales y bidireccionales. Los reguladores unidireccionales permiten la
libre circulación del aire en un solo sentido y en el contrario intercalan una
estrangulación que fija el caudal del aire una vez determinada la presión. Su
estructura equivale a una válvula antirretorno en paralelo con una estrangulación
ajustable montadas en un mismo cuerpo. Las válvulas de estrangulación y
antirretorno, son de accionamiento manual. (Figura 8).
Figura 8. Válvula de estrangulación y antirretorno
Fuente: Festo, Colombia [en línea]. Disponible en: www.festo.como.co
Los reguladores bidireccionales, regulan el paso del aire en ambos lados anulando
el antirretorno11
10
11
Ibis, pág. 61-62.
Ibis, pág. 63- 65.
29
6.
ESTUDIO DEL PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE
ROTOGRABADO
La limpieza de los cilindros de rotograbado es un proceso fundamental para lograr
una impresión de calidad.
Todos los cilindros que se utilizan en el rotograbado, lo primero que se les debe
realizar es el grabado en la superficie de cobre; seguido a esto se procede a
realizar la limpieza del cilindro, que inicia con la brillada y termina con el secado.
Este proceso se debe desarrollar correctamente, puesto que posterior a este se
debe realizar un cromado al cilindro para aumentar su dureza superficial. Sí el
cilindro no se brilló y limpio correctamente en el paso anterior, su superficie
quedará con impurezas de grasas, ocasionando que al final del proceso de
rotograbado los impresos tengan colores pálidos, generando desperdicios para la
empresa.
Dentro de la política de seguridad de la empresa EMPAQUES FLEXA, se requiere
que sus operarios no sufran problemas ergonómicos; está es la principal
justificación de la creación de este proyecto, debido a los altos esfuerzos físicos
que estos deben realizar durante este proceso de limpieza.
6.1.
PROCESO DE LIMPIEZA DE CILINDROS DE ROTOGRABADO
El proceso de limpieza de los cilindros utilizados en rotograbado, consta de 5
etapas que están representadas en la figura 9.
Figura 9. Proceso de limpieza de cilindros de rotograbado
30
6.2.
DATOS DEL PROCESO DE LIMPIEZA
Se debe tener en cuenta que en la empresa FLEXA se manejan diferentes
dimensiones de cilindros de rotograbado, los cuales están relacionados en la
tabla1.
Cuadro 1. Dimensiones cilindros FLEXA
Desde
(mm )
Hasta
(mm)
CILINDROS 850
“CON CONOS”
Circun. Diámetro
450
143,24
CILINDROS 1100
“CON CONOS”
Circun. Diámetro
469
146,422
CILINDROS 1100
“CON ESPIGOS”
Circun. diámetro
520
165,520
CILINDROS 1370
“CON ESPIGOS”
Circun. diámetro
500
159,15457
800
700
800
760
254,65
222,816
254,6473
241,9149
Fuente: EMPAQUES FLEXA, área de cilindros, Jeofney Bedoya Arenas, Operario
líder.
El tiempo que gasta un operario en la limpieza de un cilindro antes del proceso de
cromado, es aproximadamente entre 8 a 10 minutos y el número de cilindros a los
que se les realiza el proceso de limpieza en un turno de 8 horas, oscila entre 12 y
15.
En la tabla 2, se puede observar la alimentación de energía neumática y eléctrica,
disponible en la planta de EMPAQUES FLEXA.
Tabla 2 Alimentación planta EMPAQUES FLEXA
Alimentación
Neumática
80 Psi
Eléctrica
440 VAC
La figura 10, se muestra el primer paso del proceso de limpieza, en el que el
operario esparce el brilla metal humedecido sobre toda la superficie del cilindro.
ÁREA DE CILINDROS. Información suministrada por la empresa FLEXA, Operario
LAUREANO

31
Figura 10. Aplicación de brilla metal
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Después de haber esparcido el brilla metal sobre la superficie del cilindro, el
operario procede a brillarlo. Como se muestra en la figura 11 y 12, este es el
subproceso crítico del proceso de limpieza, ya que es donde se requieren unos
esfuerzos verdaderamente altos y posturas inadecuadas, inclinando el cuerpo
para atacar el cilindro con mayor presión, para lograr excelentes acabados.
Figura 11. Posición para brillar cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Figura 12. Postura en el momento de brillar el cilindro
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
La aplicación del detergente (figura 13), no requiere de esfuerzos altos por parte
del operario, que simplemente frota una felpa de algodón sobre la superficie del
cilindro y posteriormente hace lo mismo con el agua jabón para retirar las grasas.
32
Figura 13. Limpieza con detergente
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Por último el cilindro se debe juagar con agua (figura 14) y secar con la rasqueta
de caucho (figura 15), para dar por terminado el proceso de pre alisamiento de
cilindros a cromar.
Figura 14. Enjuague de cilindro
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
Figura 15. Secado de cilindro con rasqueta de caucho
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
6.3.
MAQUINA DONDE SE VA A ADAPTAR LA HERRAMIENTA
El proceso de limpieza de cilindros de rotograbado en la planta EMPAQUES
FLEXA, se realiza en una máquina- canoa, marca MAX DATWYLER (figura 16) de
la cual, no existe ningún manual de operación ni de mantenimiento.
33
Figura 16. Máquina – canoa para limpieza de cilindros
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
En la figura 17 se muestra el tablero de mando de la máquina-canoa y los
recipientes que utiliza el operario como suministro de detergente y agua jabón.
Figura 17. Tablero máquina- canoa
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros.
En la figura 18, se puede observar el piñón de la derecha que está sujeto al eje del
motor de la máquina-canoa y esta engranado con el piñón del lado izquierdo que
está sujeto al cilindro de rotograbado. De esta manera, el cilindro de rotograbado,
gira durante todo el proceso de limpieza.
34
Figura 18. Transmisión de movimiento en la máquina-canoa
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros
En la figura 19, se puede observar el paño de algodón y la crema de brilla metal
que utilizan los operarios para el subproceso de brillado.
Figura 19. Elementos de brillado
Fuente: Cortesía EMPAQUES FLEXA, Área de cilindros
6.4.
GENERACIÓN DE PROPUESTA DE MEJORA
Con el estudio y análisis detallado del proceso de limpieza de los cilindros
utilizados en el proceso de rotograbado y de cómo se realiza actualmente este
proceso en la planta de FLEXA, se pudo concluir que el mayor riesgo ergonómico
al que se enfrentan los operarios en el momento de limpiar los cilindros, se da
cuando realizan el subproceso de brillado, debido a la postura que deben adaptar
y a los altos esfuerzos que deben realizar en sus extremidades para lograr un
acabado perfecto. Por tal motivo se recomienda diseñar una herramienta que
disminuya al máximo estos riesgos ergonómicos identificados. Entre más
automatizado sea el proceso de limpieza, menos intervención de los operarios y
más fácil de estandarizar el proceso.
35
7.
7.1.
DEFINICIÓN DEL CAMPO DE ACCIÓN
PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN
Diseño de una herramienta automática que limpie los cilindros de rotograbado
antes de ingresarlos a la cromadora en la planta de EMPAQUES FLEXA, con el
fin de evitar cualquier tipo de dolencia muscular en los operarios que realizan esta
labor.
7.2.
CLIENTE PRIMARIO
El principal cliente de este producto, es la empresa EMPAQUES FLEXA, a la cual
se presenta un diseño automatizado que garantice un excelente proceso de
limpieza y brillado en los cilindros y en el cual los operarios no contraigan
enfermedades laborales.
7.3.
CLIENTE SECUNDARIO
Todas aquellas empresas dedicadas al proceso de rotograbado, que se ven
obligados a realizar una excelente limpieza de cilindros (pre alistamiento) antes del
proceso de cromado.
7.4.
PREMISAS Y RESTRICCIONES
En cuanto a restricciones se encuentran las que proporciona la máquina- canoa
como tal, en cuanto a espacio de trabajo.
La empresa recomienda no diseñar una herramienta tan sofisticada, que trabaje
con tecnología de punta y que tampoco sea muy costosa, ya que aunque ellos
quieren mejorar el proceso de limpieza de los cilindros, no quieren incurrir en
gastos elevados.
36
8. MÉTODO DE INGENIERÍA CONCURRENTE
Con la metodología implementada, se definieron las siguientes etapas:





8.1.
Identificación de problemas en el proceso de limpieza de cilindros de
rotograbado.
Identificación de problemas ergonómicos y de producción, donde también se
involucra el análisis del estado de arte actual referente a las herramientas y
maquinas existentes en el mercado.
Diseño de una serie de soluciones posibles para satisfacer las necesidades de
la empresa y lograr los objetivos planteados inicialmente de acuerdo a los
conceptos generados.
Etapa de análisis y simulaciones por medio de un software CAD para realizar
mejoras con respecto al diseño seleccionado.
Etapa de análisis de costos de cada uno de los elementos que componen la
herramienta seleccionada.
OBTENCIÓN DE DATOS PRIMARIOS.
Se empieza con la identificación de las necesidades, lo cual fue posible gracias a
la colaboración de los operarios que realizan el proceso de limpieza de cilindros,
Laureano Vargas, Yori Hernández, Eder Adrián Torres, los ingenieros de la planta
Andrés David, Oscar Vargas y el operario líder Jepfney Bedoya. Estas
necesidades recolectadas en forma de entrevista personal, sirvieron de ayuda
para plantear las necesidades del proyecto como tal y establecer unas métricas de
acuerdo a sus especificaciones técnicas. Las métricas fueron la pieza clave para
realizar un análisis de la voz de cliente con las especificaciones técnicas que el
producto debe tener. Esta relación se hizo utilizando la herramienta QFD (Quality
Function Deployment).
8.1.1. Identificación de las necesidades. Para la obtención de las necesidades,
se partió del criterio de todas las personas involucradas en el proceso de limpieza
de cilindros, operarios, personal de mantenimiento e ingenieros de planta. Estas
personas, en una entrevista personal, manifestaron sus necesidades e
inconvenientes con el proceso, las cuales se volvieron a reescribir para tener en
cuenta los aspectos que debe cumplir la herramienta (ver tabla 3).
Para reescribir estas necesidades, es indispensable trasladar las necesidades del
cliente, pero sin decir cómo se va a hacer.
37
Cuadro 3. Identificación de las necesidades
No.
Planteamiento del cliente
1
“Toca hacer mucha presión para que
el cilindro quede bien”
2
“En la brillada es donde más sudo”
3
“El proceso no es que sea muy
demorado, pero si son muchos pasos”
“Esa brillada es a ojo y al cálculo”
4
5
“Como pongo las manos, así las
muevo para que quede parejito”
6
“ Lo más complicado es la brillada, el
resto lo hago con una mano”
“ No podemos utilizar tampoco
tecnología de punta para realizar este
proceso, porque eso nos cuesta”
“La herramienta debe ser fácil de
manejar”
“La herramienta debe ejercer una
presión de casi 15 lb.”
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
“ Que sea estética y atractiva”
“ La herramienta debe servir para
todas las dimensiones de cilindros de
la empresa”
“ Los paños se deben poder cambiar
fácil”
“ Debe ser una herramienta que no
solo se limite a una maquina”
“ Que no vaya a ser que para hacerle
mantenimiento, requiera de una
semana y de un especialista”
“ La herramienta debe ser fácil de
instalar”
“Me da miedo resbalarme cuando
estoy brillando el cilindro”
38
Identificación
de
la
necesidad
La herramienta no requiere de
esfuerzos físicos altos por
parte del operario.
No se requiere de esfuerzos
altos para brillar los cilindros
La herramienta trabaja de
forma rápida.
La herramienta proporciona un
alto nivel de confianza al
usuario en cuanto al resultado.
La
herramienta
garantiza
homogeneidad en la limpieza
del cilindro.
La herramienta brilla con
mayor facilidad.
La
herramienta
es
económicamente asequible
La herramienta es de fácil
manejo.
La herramienta garantiza la
presión necesaria para el
proceso de brillado.
La herramienta es estética
La herramienta se adapta para
las diferentes dimensiones de
cilindros.
La herramienta es de fácil
mantenimiento.
La herramienta se puede
adaptar en otras máquinascanoas.
La herramienta es de fácil
mantenimiento.
La herramienta es de fácil
instalación.
La herramienta no requiere de
esfuerzos físicos altos por
Cuadro 3 (continuación)
17
18
19
20
parte del operario para brillar el
cilindro
“ No puede ser tan costosa”
La
herramienta
será
económicamente viable
“ Que tenga el tamaño apropiado”
La herramienta será de un
tamaño acorde a la maquina
“ Que sea amigable con el medio Sera diseñada con materiales
ambiente”
amigables al medio ambiente
“ Que se pueda alimentar a la red de la Funcionamiento
con
red
planta”
eléctrica de la planta.
Después de haber identificado las necesidades del cliente, se deben organizar
jerárquicamente, siendo 5 la de mayor importancia y 1 el de menor importancia.
Se deben eliminar los enunciados redundantes, aquellos que sean idénticos en
significado (tabla4). El criterio que se tiene en cuenta para otorgar el grado de
importancia a cada necesidad, está basado en las necesidades más latentes
identificadas anteriormente.
Cuadro 4. Agrupe e importancia de las necesidades
No Necesidad
Importancia
1
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos
5
altos para brillar los cilindros de rotograbado
2
La herramienta trabaja de forma rápida.
2
3
La herramienta proporciona un alto nivel de
5
confianza al usuario en cuanto al resultado.
4
La herramienta es de fácil manejo.
4
5
La herramienta garantiza la presión necesaria
4
para el proceso de brillado.
6
La herramienta es estética.
2
7
La herramienta se adapta para las diferentes
5
dimensiones de cilindros.
8
La herramienta es de fácil mantenimiento.
3
9
La herramienta se puede adaptar en otras
2
máquinas- canoas.
10 La herramienta es de fácil instalación.
4
11 El diseño será económicamente viable.
4
12 La herramienta será de un tamaño acorde a la
2
máquina.
13 Funcionamiento con red de suministro de la
3
planta
14 Sera diseñada con materiales amigables al
4
39
Cuadro 4 (continuación)
15
8.2.
medio ambiente
La herramienta será automática en su totalidad
2
METRICAS
8.2.1. Especificaciones del producto.
Las especificaciones del producto,
significan prácticamente la descripción precisa de lo que el producto tiene que
hacer. Estas se obtienen de las necesidades planteadas en el punto 8.1.1.1
Las especificaciones que se describen a continuación, también son conocidas
como especificaciones objetivo, ya que estas van a depender de los detalles del
concepto que se seleccione posteriormente.
Tabla 5. Especificaciones del producto
No
Métrica
1
2
3
4
5
6
7
No
Necesidad
1,4
9,12
6,7,12
1,3,5,15
14
10,12
2
8
1,4,7,15
Métrica
Fácil manejo
Adaptable a otras maquinas
Tamaño
Seguridad en el resultado
Material amigable ambientalmente
Peso
Velocidad proceso
14
Porcentaje del proceso
automatizado
13
Voltaje
6
Estética
1,8,14
Normas seguridad
7,10,12
Flexibilidad para los diferentes
cilindros
8
Herramientas especiales
requeridas para mantenimiento
5,6,11,14,15 Costo de producción
15
16
5,12
10
9
10
11
12
13
Presión o fuerza de brillado
Fácil instalación
40
Unidades
Subjetiva
Subjetiva
mm
Subjetiva
Lista
Kg
Unidades/
turno
Subjetiva
Voltios
Subjetiva
lista
Subjetiva
lista
Pesos
Colombianos
lbf
Subjetiva
8.3.
QFD. Ver anexo A
El QFD, es un sistema de calidad moderno, enfocado a incrementar la
participación en el mercado a través de satisfacer el cliente, ya que es una
metodología que traduce la voz del cliente en parámetros de diseño.
En el anexo1. Matriz QFD, se puede observar la relación entre cada una de las
necesidades y sus métricas, así como su nivel de importancia en el proyecto, toda
esta información se utilizó en el proceso de desarrollo para establecer las
funciones que el producto debe cumplir y así satisfacer el mercado para el cual va
dirigido.
El resultado obtenido con el método QFD, revela que los aspectos más relevantes
para tener en cuenta en el diseño son: la herramienta no requiere de esfuerzos
físicos altos por parte del operario y la seguridad en el resultado, esto significa que
el operario debe trabajar en forma segura y sencilla y el resultado tiene que ser
exitoso. El operario no debe desgastarse físicamente para obtener excelentes
resultados. Otros aspectos importantes recolectados del QFD, son la parte
económica y la parte de automatización; se debe diseñar una herramienta que
tenga un porcentaje de sistema automático y que no sea tan costoso para la
empresa, la implementación de la misma. Estas características hacen una posible
aproximación a los “requerimientos de diseño” más relevantes para la satisfacción
del cliente. Por tal motivo, se debe empezar a diseñar a partir de estas premisas.
8.4.
GENERACIÓN DE CONCEPTOS
A continuación se realiza una generación de conceptos, que es una descripción
aproximada de la tecnología, principios de funcionamiento y forma del producto.
Es una forma de decir como el producto va a satisfacer las necesidades del
cliente.
8.4.1. Descripción general del producto.
Diseño de una herramienta
automática que limpie los cilindros utilizados en el proceso de rotograbado, antes
del proceso de cromado en la planta de FLEXA Colombia.
41
8.4.2. Funciones. Limpiar y brillar los cilindros utilizados en el proceso de
rotograbado, mediante un diseño ergonómico y seguro, para mejorar las
condiciones de trabajo y evitar enfermedades laborales en los operarios
encargados de esta labor.
Necesidades.





Disminuir el esfuerzo físico de los operarios encargados de este
proceso,
al momento de brillar los cilindros.
Garantizar homogeneidad en todos los cilindros.
Evitar el desgaste físico de los operarios al realizar todo el proceso.
Asequible para el cliente en cuanto al costo.
Fácil de utilizar
8.4.3. Descomposición funcional del producto.
Para la descomposición
funcional del producto se inició con la detección de las entradas y salidas que
describirán cada una de las variables que el sistema deberá contener y manejar.
También en la descomposición funcional se toma en cuenta las necesidades que
debe cumplir la herramienta (mencionadas en la QFD, anexo 1) para así decidir
las funciones y que elementos debe tener para poder cumplirlas, de esta manera
se muestra en los siguientes diagramas las especificaciones y métricas usadas.
8.4.4. Caja negra. Desarticulación del problema de manera funcional
Figura 20. Caja negra de la herramienta
8.4.5. Descomposición funcional (sub funciones). Como regla general, se
debe intentar descomponer los problemas de diseño. En la figura 21, se puede
observar una depuración que muestra las sub funciones del proceso.
42
Figura 21. Descomposición funcional del diseño
8.4.6. Conceptos generados por las sub funciones. Después de haber
realizado una descomposición funcional, basado en las necesidades planteadas
por la empresa y por las sub funciones tecnológicas conocidas, se aplica los
conocimientos técnicos encontrados en la exploración externa e interna, para así
por identificar cada una, de forma más organizada.
8.4.7. Árbol de clasificación. Las principales sub funciones se dividen en todo el
espacio de posibles soluciones y facilitan la comparación.

Energía
Figura 22. Tipos de energía para la herramienta
43
Este tipo de energía se seleccionó partiendo de los suministros de la empresa,
(ver tabla 2) y de los requerimientos planteados por parte de los ingenieros, que
tienen como base la seguridad de los empleados.
8.4.8. Refinamiento y descomposición funcional. En el refinamiento se
simbolizan las principales características que la herramienta puede tener, para que
satisfaga las necesidades del cliente identificadas en el punto 8.1.
Figura 23. Refinamiento de la descomposición funcional
8.5.
DESARROLLO CONCEPTUAL
Inicialmente se identificaron las necesidades del cliente, se generaron unos
conceptos de soluciones alternas en respuesta a esas necesidades; ahora en la
selección de conceptos se evalúan los conceptos con respecto a las necesidades
del cliente, comparando las fortalezas y debilidades de los conceptos y
seleccionando uno o más de ellos para su investigación, prueba o desarrollo
adicional.
44
8.5.1. Variantes de conceptos. Los diferentes conceptos generados para el
desarrollo de este proyecto, están encaminados principalmente para resolver los
problemas ergonómicos que genera el proceso de limpieza de los cilindros.
Recordemos que la parte critica del proceso, lo que se denomina el cuello de
botella, es el subproceso de la brillado del cilindro, que es donde el operario
realiza la mayor fuerza posible y adapta una postura incorrecta para lograr obtener
un resultado óptimo; los demás subprocesos del proceso de limpieza, no requieren
de presiones altas ni altos esfuerzos, aunque también se puede pensar en
automatizar todos los subprocesos, para que los riesgos sean mínimos.
Los sub problemas que surgen a raíz de diseñar una herramienta que realiza el
proceso de limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado antes del proceso
de cromado, son:
Sistema de brillado
Sistema de limpieza profunda ( Detergente)
Sistema desengrasante (Agua jabón)
Aplicación de insumos ( líquidos, brilla metal)
Medición de la fuerza de brillado
Instrumento para brillar
Tecnología a utilizar
Desplazamiento de la herramienta








8.5.1.1.
Sistema de brillado.
Cuadro 6. Conceptos para el sistema de brillado
Concepto
1
2
3
Descripción
Sistema de cajón en acero inoxidable, ubicado en el interior de la
máquina canoa; conformado por un conjunto de 5 PADs para
brillado. Cada uno de los PADs, se encuentra sujeto a la punta del
vástago de un cilindro neumático, el cual determina el avance y
retroceso que deben hacer para poder ejercer la fuerza necesaria
sobre el cilindro de rotograbado. Figura 24
Cilindro de aluminio envuelto en felpa de algodón, que ataca de
forma paralela toda la superficie del cilindro de rotograbado.
Figura 25
Cilindro neumático de doble efecto, con herramienta de brillado
PAD unido al vástago, desplazándose linealmente sobre un riel o
guía. Figura 26
45
Figura 24. Concepto 1, sistema de brillado
Figura 25. Concepto 2, sistema de brillado
Figura 26. Concepto 3, sistema de brillado
8.5.1.2.
Sistema de limpieza profunda.
Cuadro 7. Conceptos para el sistema de limpieza profunda
Concepto
1
2
3
Descripción
Sistema de cilindro neumático de doble efecto, con paño de
algodón en la punta del vástago, desplazándose linealmente sobre
un riel o guía. Figura 27.
Sistema de agua a presión. Manguera sujeta a la base del cilindro
neumático lineal, que se desplaza a lo largo de la máquina canoa.
Requiere la utilización de una bomba. Figura 28.
Aplicación manual con paño de algodón, que no requiere
esfuerzos altos.(Actualmente)
46
Figura 27. Concepto 1, sistema de limpieza profunda
Figura 28. Concepto 2, sistema de limpieza profunda
8.5.1.3.
Sistema desengrasante.
Cuadro 8. Conceptos para el sistema de desengrasante
Concepto
1
2
Descripción
Sistema de cilindro neumático de doble efecto, con espuma en la
punta del vástago, desplazándose linealmente sobre un riel o
guía. Figura 29
Aplicación manual con espuma, que no requiere de esfuerzos
altos. (Actualmente)
Figura 29. Concepto 1, sistema desengrasante
47
8.5.1.4.
Aplicación de insumos.
Cuadro 9. Conceptos para la aplicación de insumos
Concepto
1
2
Descripción
Sistema de lubricación automática que se desplaza junto a la
herramienta. La manguera va unida a la herramienta terminal y el
fluido permanece arriba con la ayuda de una bomba. Figura 30.
Aplicación manual de insumos, utilizando un pote o tarro. Figura
31. (Actualmente)
Figura 30. Concepto 1, aplicación de insumos
Fuente: Manguera de enfriamiento [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013].
Disponible en: http://www.knuth.de/produkt,9504,sprache,4.html
Figura 31. Concepto 2, aplicación de insumos
8.5.1.5.
Medición de la fuerza de brillado.
48
Cuadro 10. Conceptos para el sistema de presión
Concepto
1
2
Celda de carga (figura 32)
Criterio del operario
Descripción
Figura 32. Concepto 1, sistema de presión
Fuente: Células de carga a compresión [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de
2013].
Disponible
en
internet:
http://www.sensores-demedida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/C%C3%A9lulas-decarga---Sensores-de-fuerza_69/C%C3%A9lulas-de-carga-acompresi%C3%B3n_76/
Lo que se busca con la celda de carga, es ubicarla dentro de la pieza que está
sujeta el PAD, como se puede observar en la figura 33, la fuerza recae sobre el
pad que a su vez comprime los resortes y la punta de la celda. La salida de la
celda ira a un puente wheatstone y posteriormente a un display LCD.
Figura 33. Celda de carga
8.5.1.6.
Instrumento para brillar.
49
Cuadro 11. Conceptos instrumento para brillar
Concepto
1
Descripción
PAD circular, utilizado en la labor de brillado de automóviles.
Figura 34.
2
PAD rectangular; pastas especiales para brillar metales. Figura
35.
3
Felpa de algodón, envuelta en rodillo de aluminio. Figura 36
Figura 34. Concepto 1, Instrumento para brillar
Fuente: CUT PADS [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013]. Disponible en
internet: http://www.cutpads.com/?_escaped_fragment_=para-brillar
Figura 35. Concepto 2, Instrumento para brillar
Fuente: Pasta para brillas [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013].
Disponible
en
internet:
http://www.solostocks.com.co/ventaproductos/herramientas/herramientas-manuales/pasta-para-brillar-337065
Figura 366. Concepto 3, Instrumento para brillar
8.5.1.7.
Tecnología a utilizar.
50
Cuadro 12. Conceptos para la tecnología a utilizar
Concepto
1
Descripción
Sistema automatizado utilizando un PLC para todo el proceso.
Figura 37.
2
Sistema basado en un conjunto de pulsadores de accionamiento
manual; electrónica análoga. Figura 38.
3
Sistema automático, utilizando un micro controlador
Figura 37. Concepto 1, tecnología a utilizar
Fuente: LOGIG MODULE [en línea]. [Consultado el 1 de marzo de 2013].
Disponible en internet: http://www.automation.siemens.com/mcms/programmablelogic-controller/en/logic-module-logo/pages/default.aspx
Figura 38. Concepto 2, tecnología a utilizar
Fuente: Servicios y soluciones eléctrica industrial [en línea]. [Consultado el 1 de
marzo de 2013]. Disponible en internet: http://sysei.com.mx/
8.5.1.8.
Desplazamiento de la herramienta.
Cuadro 13. Conceptos para el desplazamiento de la herramienta
Concepto
1
2
3
Descripción
Sistema mecánico, basado en engranaje de piñones y transmisión
de movimiento.
Movimiento manual sin necesidad de esfuerzos altos; La
herramienta se desplaza a lo largo de un carril o guía, utilizando el
sistema de cola de milano.
Cilindro neumático lineal ubicado de forma horizontal, sobre el
cual se sujeta la herramienta.
51
8.5.2. Combinación de conceptos. La combinación de conceptos, generan
unas posibles soluciones que se representan en la tabla 14. Estas combinaciones
se realizan teniendo en cuenta como pueden trabajar en conjunto varios
conceptos, por tal motivo se deben descartar combinaciones que no tienen sentido
de funcionamiento.
En la generación de conceptos, algunos conceptos establecen como alternativa, la
posibilidad se seguir realizándose como se hace actualmente, ya que lo que se
debe atacar principalmente, es el subproceso de brillado de los cilindros.
Cuadro 14. Combinación de conceptos
Sistema
de
brillado
Sistema
de
limpieza profunda
Sistema
desengrasante
Aplicación
de
insumos
Medición de la
fuerza de brillado
Instrumento para
brillar
Tecnología
a
utilizar
Desplazamiento
de la herramienta
Solución
A
Concepto
1
Solución
B
Concepto
2
Solución
C
Concepto
3
Solución
D
Concepto
3
Solución
E
Concepto
3
Concepto
3
Concepto
3
Concepto
1
Concepto
3
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
1
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
2
Concepto
1
Concepto
1
Concepto
2
Concepto
1
Concepto
1
Concepto
1
Concepto
1
Concepto
3
Concepto
2
Concepto
1
Concepto
1
Concepto
2
Concepto
1
Concepto
2
Concepto
3
Concepto
1
-----------
Concepto
1
Concepto
2
Concepto
3
Concepto
1
52
Solución A:
Figura 379. Solución A
La herramienta diseñada en la solución A (figura 39), se basa principalmente en
un conjunto de 5 PADs de 7 pulgadas de diámetro, que se encuentran dentro de
una caja que está ubicada en el interior de la maquina canoa.
Cada uno de los PADs, estará sujeto a la punta del vástago de un cilindro
neumático de doble efecto, cuya carrera máxima es de 100mm debido al poco
espacio que se presenta dentro de la máquina.
Cada uno de los cilindros neumáticos tiene 2 botones accionadores, uno verde
para sacar el vástago y uno rojo para retrocederlo.
En la figura 39, se puede observar los 5 botones rojos y los 5 botones verdes que
corresponden al retroceso y avance de cada uno de los actuadores neumáticos.
La fuerza que está ejerciendo cada uno de los pistones sobre los cilindros de
rotograbado, se podrá visualizar en el display correspondiente a cada uno de los
cilindros neumáticos. Para medir la fuerza que cada uno de los actuadores está
ejerciendo sobre el cilindro de rotograbado, se ubica una celda de carga dentro de
la estructura del PAD de cada uno. La salida de la celda de carga, va a un puente
wheatstone, para posteriormente ser visualizada en un display LCD.
El subproceso de aplicación de detergente y el subproceso de aplicación de agua
jabón, se realiza como se hace actualmente en la empresa EMPAQUES FLEXA,
53
ya que estos subprocesos no requieren de
inadecuadas.
esfuerzos altos ni posturas
Ergonomía: Este diseño ataca el principal problema ergonómico al que están
sometidos los operarios, los esfuerzos y las malas posturas que tienen que
realizar en el subproceso de brillado.
Costos: A continuación se hace una lista de los principales elementos necesarios
para realizar el diseño de la solución A.
Cuadro 15. Costos solución A
Producto
Cantidad
Cilindro neumático,
5
carrera 100mm
Pulsador NO.
10
Mecanizado
de
1
cajón,
en
acero
inoxidable calibre 20
(0.9mm)
,
1400*274,9*90,92mm,
soldado
Disco Polipropileno
5
7`` por 20 mm de
espesor
Felpa de algodón 7``
5
Electroválvula 5/3
5
Unidad
1
mantenimiento
Válvula
de
10
estrangulamiento
Bobina magnética
10
Regulador
de
5
presión
Pantalla de control
1
Unidad alimentadora
1
de 24 VDC
Silenciadores
10
Racores
10
Manguera
50m
Precio unidad
112.000
8.261,46
82.614,6
1.332.100
50.000
250.000
19.900
484.325
237.313
99.500
2.421.625
237.313
42.116,25
421.162,5
54.757,75
95.637
547.577,5
478.185
1.782.025
577.280
1.782.025
577.280
15.349
15.000
4.046,70
54
Precio total
560.000
153.490
150.000
202.335
Cuadro 15 (continuación)
Display LCD
Sensor celda
carga
de
5
5
8.500
540.000
TOTAL
42.500
2.700.000
12.037.708
En la tabla 15, se relacionan los principales componentes que conforman el diseño
de la solución A. Las cotizaciones realizadas se pueden encontrar en el anexo O.
A pesar de ser un diseño sencillo debido a que solo va a realizar el subproceso de
brillado, requiere de una inversión alta, ya que consta de 5 PADs y cada PAD
debe tener un cilindro neumático para poder ajustar la presión de cada uno;
además se necesita del mecanizado del cajón donde irán ubicados los PADs.
Cabe recordar que los elementos relacionados en la tabla 15, son los más
importantes para el funcionamiento del diseño de la solución A.
Problemas o desventajas: Una de las principales desventajas de este diseño, es el
accionamiento manual que tienen que realizar los operarios para ejercer la fuerza
sobre los cilindros de rotograbado.
También existe un grado de complejidad alto para realizar todo el montaje de la
herramienta dentro de la máquina, debido al poco espacio con el que se cuenta en
su interior.
En la empresa empaques FLEXA, existe una máquina que trabaja con el mismo
principio; tiene unos discos de pulido dentro de la máquina que giran a una
velocidad constante y van puliendo el cilindro de rotograbado. Adicionalmente la
herramienta que contiene el juego de discos, se desplaza horizontalmente para
abarcar todo la superficie del cilindro. Con la solución A, se puede presentar un
problema y es que pueden quedar unos espacios milimétricos entre cada PAD, por
tal motivo, esas áreas no quedaran brilladas, no habrá homogeneidad en el
resultado.
55
Solución B:
Figura 40. Solución B
La herramienta planteada en la solución B (figura 40), es una herramienta que
ataca principalmente el subproceso de brillado; Se basa en un sistema automático
en el cual se controla la posición del motor. Utiliza un motor trifásico de 10Hp a
1800Rpm. El cambio de giro del motor, se realiza con un dispositivo llamado
controlador de giro. La posición que debe alcanzar el motor, se realiza utilizando
un sistema de encoder, que permite una detección de valores reales y la
materialización del número de revoluciones.
El cerebro de la herramienta es un PLC de siemens, en el cual se implementa un
PID. Al PID, llega la señal del encoder y con la señal de referencia se hará la
comparación. Al final, hará que estas dos señales sean iguales, logrando así, que
el motor se mueva a la posición indicada.
El operario simplemente debe seleccionar en la pantalla HMI, el diámetro del
cilindro de rotograbado que desea limpiar.
La fuerza con la que se brilla el cilindro de rotograbado, está determinada por la
posición que logra alcanzar la herramienta, ósea, por la distancia que logre bajar a
atacar el cilindro de rotograbado. El rodillo con el que se brilla los cilindros de
rotograbado, tiene un diámetro de 5 pulgadas y está envuelto en una felpa de
algodón.
Los otros subprocesos de desengrasante y de retiro de mini partículas, seguirán
siendo igual que como se hacen actualmente en la empresa de EMPAQUES
FLEXA, debido a que estos no requieren de esfuerzos altos.
56
Ergonomía: Este diseño disminuye los altos esfuerzos que realiza el operario
actualmente para brillar los cilindros y por supuesto las malas posturas que
ocasionan dolores lumbares.
Costos: En la tabla 16, se relacionan los costos de los principales elementos que
componen la solución B.
Cuadro 16. Costos solución B
Producto
Cantidad
Cilindro en aluminio
1
1500
mm
de
longitud 5 pulg. D.
PLC Festo
1
Cilindro en Acero
1
2000mm*3mm
espesor
Felpa de algodón
2m
por metro
Fuente 24 V DC
1
Piñón
2
Pantalla HMI
1
Carcasa
de
1
protección
en
acrílico
Encoder
1
Controlador de giro
1
Brazos herramienta
2
en
acero
más
soldadura
Rodamientos
de
2
bolas SFK
Motor trifásico 10Hp
1
a 1800 Rpm
Bases
para
2
rodamientos
en
Acero
TOTAL
Precio unidad
646.120
Precio total
646.120
1.148.582
809.020
1.148.582
809.020
31.000
62.000
577.280
150.000
1.782.025
42.100
577.280
300.000
1.782.025
42.100
1.450.000
63.900
623.300
1.450.000
63.900
1.246.600
1.135.000
2.270.000
980.000
980.000
345.000
690.000
12.067.627
Problemas o desventajas: Es una inversión alta con respecto a las otras
soluciones planteadas.
57
Otro factor que se identificó, gracias a la experiencia de los trabajadores de
EMPAQUES FLEXA con cilindros y rodillos, es que la herramienta cilíndrica que
se está utilizando en este diseño, puede tender al pandeo en un corto plazo,
debido a que va a estar expuesta a constantes esfuerzos.
También se debe tener en cuenta que el cilindro de aluminio a utilizar, no es
comercial, se debe mandar a mecanizar y en caso de daño o desgaste, se debe
esperar un tiempo a que el distribuidor lo realice.
Solución C:
Figura 41. Solución C
El diseño planteado en la solución C, es un diseño semi automático, que consta de
dos carros guías que se desplazan sobre un riel y en su interior cada carro tiene
un cilindro neumático, con diámetro de embolo de 32mm y carrera de 250mm.
El operario debe ubicar el carro en frente del cilindro y utilizar los pulsadores
marcha y paro (verde y rojo respectivamente) para el avance y retroceso de los
58
pistones. En el vástago del cilindro neumático que se encuentra en la izquierda, se
encuentra un PAD de algodón para realizar el subproceso de brillado, y en la
punta del vástago del cilindro que se encuentra a la derecha (figura 41) se
encuentra otro PAD, pero para realizar el subproceso de aplicación de detergente.
El sensor que calcula la presión que se está ejerciendo sobre el cilindro, es una
celda de carga que ira dentro de la estructura del PAD. Su salida va a un puente
wheatstone, para posteriormente ser visualizada. El operario debe observar en el
display LCD, la fuerza que se está ejerciendo, para así determinar si debe sacar o
meter el pistón neumático.
Cuando la presión que está ejerciendo los PADs sobre los cilindros de
rotograbado, es la adecuada, el operario podrá desplazar fácilmente el carro sobre
el riel, mientras riega manualmente las sustancias liquidas sobre la superficie del
cilindro de rotograbado. El riel está construido siguiendo el principio de cola de
milano.
El subproceso de desengrasar, se debe realizar manualmente ya que no requiere
de ningún esfuerzo alto.
En conclusión, la presión sobre los cilindros de rotograbado la está ejerciendo los
pistones de los cilindros neumáticos, y mientras esto ocurre, el operario desplaza
la herramienta por todo el carril.
Ergonomía: El diseño de la solución C, es una buena opción de reemplazar el
subproceso de brillado, ya que se está eliminando por completo los esfuerzos que
realiza el operario actualmente y adicionalmente se está reemplazando el
subproceso de aplicación de detergente.
Costos: En la tabla 17 se relacionan los principales componentes necesarios para
implementar el diseño de la solución C,
Es sistema de cola de milano, es un proceso totalmente rectificado, por tal razón
es costoso (ver anexo O. cotizaciones). También se requiere de dos cilindros
neumáticos, con diámetro de embolo de 32mm y carrera de 250mm, incluyendo
los componentes neumáticos que se requieren para un buen funcionamiento
59
Cuadro 17. Costos solución C
Producto
Cantidad
Cilindro neumático,
2
carrera
250mm.
D.32mm
Pulsador NO.
4
Mecanizado cola de
1
milano
Felpa rectangular
2
Electroválvula 5/2
2
Unidad
1
mantenimiento
Válvula
de
4
estrangulamiento
Mecanizado carcasa
2
Bobina magnética
4
Silenciadores
4
Regulador
de
2
presión
Racores
10
Carril de acero para
1
sujetar
cola
de
milano 300*1840mm
Manguera
20m
Display LCD
2
Sensor celda de
5
carga
TOTAL
Precio unidad
286.974
Precio total
573.948
8.261,46
3.400.000
33.045,84
3.400.000
22.000
406.308
237.313
44.000
812.616
237.313
42.116,25
168.465
87.000
54.757,75
15.349
95.637
174.000
219.031
61.576
191.274
15.000
2.350.000
150.000
2.350.000
4.046,70
8.500
540.000
80.934
17.000
2.700.000
11.213.203
En total se requiere una inversión aproximada de $11.213.203 para la
implementación de la solución C, si se compara con las otras soluciones, se puede
decir que esta es costosa, debido a que la intervención del operario es mayor.
Problemas o desventajas: Puede ser un gran problema, la sincronización que el
operario debe tener, para ir desplazando la herramienta y regando los insumos en
la superficie del cilindro de rotograbado.
Otro problema que se puede presentar, se da debido a que el operario es quien va
a determinar la presión con la que ataca el cilindro. Cada operario puede tener un
criterio diferente, por lo cual no habrá una homogeneidad si no se limita la presión
que debe registrar la celda de carga. Un posible problema es la adecuación del
60
vástago de los cilindros neumáticos, que se encuentran inclinados para atacar el
centro de los cilindros en el proceso de limpieza; los vástago inclinados no son
comerciales, se deber hacer una pieza mecanizada con rosca M10 para adaptar al
vástago.
Solución D:
Figura 382. Solución D
La solución D (figura 42), se enfoca en el subproceso crítico de la limpieza, en el
brillado. Este diseño consta de un cilindro neumático sin vástago, que está
ubicado a lo largo de toda la máquina; este cilindro tiene una carrera de 1400 mm
y un diámetro de embolo de 25mm. Como este cilindro no tiene vástago, el embolo
interno, va sujeto a un carro externo en la parte superior del cilindro, ósea que lo
que se desplaza externamente, es el carro externo.
Sobre el carro externo, se sujeta otro cilindro neumático pero con vástago; este
segundo actuador, tiene una carrera de 200mm y un diámetro de embolo de
25mm. Sujeto al vástago, ira una PAD circular de 7 pulgadas de diámetro, con el
cual se brillara el cilindro de rotograbado
Todo el proceso será automático gracias a la utilización de un micro controlador.
El micro controlador a utilizar es un PIC 18f4550 que trabaja con 4 puertos,
suficientes para controlar todo el sistema. El PIC, controla los desplazamientos
que debe realizar la herramienta, esto se logra utilizando sensores magnéticos de
posición a lo largo del cilindro lineal sin vástago.
61
Sobre la estructura del PAD, se ubicara una celda de carga, la cual sensa la
fuerza que se esté ejerciendo sobre el cilindro de rotograbado.
La velocidad de los cilindros se controla con válvulas de estrangulación y
antirretorno de caudal, en los escapes.
El riel sobre el que se desplaza el carro, está inclinado aproximadamente 30
grados con el fin de atacar en el centro de los cilindros de rotograbado. Al estar
inclinado 30 grados, se garantiza que independientemente del diámetro del cilindro
que se vaya a limpiar, la herramienta hará contacto directo con el mismo. La
aplicación de los insumos sigue siendo manual.
Ergonomía: Se ataca el problema critico que se presenta en el subproceso de
brillada de los cilindros. La principal ventaja de este diseño, es que el operario no
tiene que realizar ningún esfuerzo para brillar el cilindro; se disminuye la
intervención del operario.
Costos: En la tabla 18, se relacionan los costos de los principales elementos que
componen la solución D
Cuadro 18. Costos solución D
Producto
PIC 18F4550
Cilindro sin vástago
Cilindro de doble efecto
Elementos electrónicos,
para circuito del PIC
Sensor magnético de
proximidad
Unidad de mantenimiento
Válvula de estrangulación y
antirretorno
Electroválvula 5/2
Electroválvula 5/3
Bobina magnética
Racores
Silenciador
Tubo plástico
Regulador de presión
Carril para herramienta
Cantidad
1
1
1
1
Precio
unidad
17.000
1.160.191
253.794
350.000
17.000
1.160.191
253.794
350.000
7
92.603,71
648.226
1
4
237.313
42.116,25
237.313
168.465
1
1
4
10
4
20 m
2
1
406.308
484.325
54.757,75
15.000
15.349
4.046,70
95.637
1.541.000
406.308
484.325
219.031
150.000
61.396
80.934
191.274
1.541.000
62
Total
Cuadro 18 (continuación)
+soladura
Pulsador PE.
XCSDMR5902
Carcasa herramienta más
soldadura
Disco para felpa en Empack
PAD- felpa7``
Unidad Guía Festo
Unidad alimentadora de
24V DC
Sensor celda de carga
TOTAL
1
232.000
232.000
1
87.700
87.700
1
1
1
1
60.000
19.900
1.049.538
577.280
60.000
19.900
1.049.538
577.280
1
540.000
540.000
8.535.675
Los costos que se relacionan en la tabla 18, son bajos, con respecto a las otras
soluciones planteadas y teniendo en cuenta el beneficio tan alto que representa
para la empresa que los operarios no tengan que realizar esfuerzos altos, al
realizar el subproceso de brillado de forma automática. Con respecto a la solución
C, la inversión en este diseño es más baja y es un proceso automatizado, a
diferencia de la solución C, donde el operario debe desplazar la herramienta
manualmente.
Problemas o desventajas: La aplicación de líquidos es manual.
Solución E:
Figura 39. Solución E
La figura 43, representa el diseño de una herramienta totalmente automatizada y
controlada por un PLC.
63
La herramienta está ubicada en la parte de atrás de la máquina; Tiene un carro
que contiene 2 cilindros neumáticos con carrera de 250mm y un cilindro neumático
lineal sin vástago, también con carrera de 250mm.
El desplazamiento de la herramienta se logra por medio de un servomotor, que
tiene un momento de inercia de salida de
, los desplazamientos de la
herramienta los controla un generador de PWM, programado en el PLC.
En la figura 43, se puede observar que la correa azul dentada en V, esta
engranada con los piñones de los extremos. El piñón de la izquierda, es el que
está sujeto al eje del servomotor. La correa dentada, también está unida a la
cremallera que esta atornillada en parte trasera de la herramienta; de esta forma
se traslada la herramienta a lo largo de la máquina.
El proceso completo de limpieza de los cilindros de rotograbado, lo realiza la
herramienta automáticamente. El cilindro de la izquierda, realiza el subproceso de
brillado, el cilindro guía realiza el subproceso de limpieza profunda regando sobre
el cilindro de rotograbado agua a presión y el cilindro neumático de la derecha,
realiza el subproceso de desengrasante.
Las velocidad de avance y retroceso de los cilindros neumáticos, se controlan por
medio de una válvula de estrangulación de caudal.
Los PADs que están unidos a los vástagos de los cilindros neumáticos, poseen un
sensor celda carga, los cuales censan la fuerza con la que se está atacando el
cilindro de rotograbado; la salida de la celda de carga, va a un puente wheatstone
para posteriormente ser visualizada en la pantalla HMI.
El suministro de insumos líquidos, también es automático y controlado por el PLC
que manda una señal a la bomba de 0.5 Hp 35lts/min 370watts, cada uno de los
fluidos, para que salgan por la manguera que está unido a cada uno de los PADs.
En total se requiere de 3 bombas
El operario simplemente debe seleccionar las dimensiones del cilindro que va a
limpiar, activar el inicio de la herramienta y esperar a que finalice el proceso.
Ergonomía: Este diseño elimina por completo los esfuerzos que tiene que realizar
el operario durante el proceso, eliminando casi al máximo la intervención del
mismo.
Costos: La implementación de este diseño, requiere de una alta inversión, con
respecto a las soluciones anteriores, debido a que se hace necesaria la utilización
64
de 3 bombas, 3 cilindros neumáticos, uno de ellos sin vástago, un servomotor de
57 W de potencia y todo el montaje neumático que se requiere.
En la tabla 19, se relacionan los precios de los principales elementos que deberá
tener el sistema de la solución E para funcionar correctamente.
Cuadro 19. Costos solución E
Producto
PLC Festo
Cilindro sin vástago
Cilindro de doble efecto
Servomotor
Carcasa servomotor acero
inoxidable calibre 20
Unidad de mantenimiento
Válvula de estrangulación y
antirretorno
Fuente 24 VDC
Unidad de indicación y
control HMI
Piñones
Electroválvula 5/3
Bobina magnética
Correa dentada con alma de
acero 2000 mm
Racores
Silenciador
Tubo plástico
Regulador de presión
Carril para herramienta en
acero inoxidable
Carcasa herramienta
PAD rectangular
Base para carcasa de
herramienta en acero
Sensor celda de carga
Pulsador
paro
de
emergencia
Bomba
TOTAL
Cantidad
1
1
2
1
1
Precio
unidad
1.148.582
178.571
253.794
350.000
27.500
1.148.582
178.571
507.588
350.000
27.500
1
6
237.313
42.116,25
237.313
252.97,5
1
1
577.280
1.782.025
577.280
1.782.025
2
3
6
1
135.000
484.325
54.757,75
245.000
270.000
1.452.975
328.546,5
245.000
20
6
50 m
3
1
15.000
15.349
4.046,70
95.637
770.000
300.000
61.396
161.868
286.911
770.000
1
2
1
87.700
22.000
70.500
87.700
44.000
70.500
2
1
540.000
232.000
1.080.000
232.000
3
245.000
735.000
10.934.756
65
Total
Adicional a estos elementos, se deberá comprar una unidad guía para evitar la
fractura del vástago de los cilindros neumáticos; cada unidad guía, tiene un costo
de $1.049.538 y son dos cilindros neumáticos con vástago.
La inversión aproximada que se debe realizar, para implementar la solución E, es
de aproximadamente $13.033.832.
Se debe tener en cuenta que los elementos relacionados en la tabla 19, son los
principales para el funcionamiento de la herramienta diseñada en la solución E; si
se hace un análisis más detallado, se pueden encontrar otros elementos que sean
necesarios para la implementación.
Problemas o desventajas: La principal desventaja radica en que es más costosa
que la solución D y la programación y el montaje de la herramienta es más
complejo que las soluciones anteriores.
Otro problema identificado por el personal de mantenimiento, es que la maquina
canoa donde se instalara la herramienta, está unida en la parte de atrás con otra
máquina canoa, por tal motivo para realizar el mantenimiento o algún cambio de
un elemento de la herramienta, es complejo llegar a ella que estará situada en la
parte de atrás.
8.6 SELECCIÓN DE CONCEPTOS
8.6.1 Matriz de selección. Para la realización de la matriz de selección, se debe
comparar todas las soluciones con una referencia. En este caso la referencia fue
escogida por el personal del área de cilindros y los ingenieros, que identificaron el
diseño D como el que más se adapta a la necesidad que tienen y como el más
efectivo.
Los ingenieros justificaron su elección, en la baja complejidad del diseño; también
tuvieron en cuenta que los elementos todos son comerciales y esto disminuye los
tiempos de entrega y aumenta la fácil adquisición. Otro criterio que se tuvo en
cuenta, fueron los precios de los
elementos necesarios relacionados
anteriormente en numeral 8.5.2, ya que para ellos es de vital importancia reducir
los esfuerzos altos que ejercen los operarios, pero a un bajo costo.
66
Los criterios con los que se realiza la matriz, salen de las principales necesidades
y de las de mayor importancia, planteadas por la empresa empaques FLEXA, en
el numeral 8.1.1. Los ítems con los que se evalúan los criterios de selección, son
los siguientes:
+: Mejor que…
0: Igual a…
-: Peor que…
De acuerdo a la referencia que se escogió, se evalúan las diferentes variantes.
Por ejemplo si la variante A tiene un concepto mejor que la variante de referencia,
se coloca un mas (+); si tiene un concepto peor que la referencia se coloca un
menos o si es igual a la referencia, se coloca un 0 (Tabla 20).
Cuadro 20. Matriz de selección
Criterio de selección
Disminuir el esfuerzo físico
de los operarios encargados
de este proceso, al momento
de brillar los cilindros.
Garantizar homogeneidad en
todos los cilindros.
Evitar el desgaste físico de
los operarios al realizar todo
el proceso. Intervención del
operario
Asequible para el empresa en
cuanto a precio.
Fácil de utilizar
Positivos (+)
Iguales (0)
Negativos (-)
Total
Orden
-
VARIANTES
C
D
REF
o
0
+
-
-
+
+
0
-
0
-
0
+
-
-
-
+
-
0
0
1
4
-4
5
+
1
2
2
-1
3
1
1
3
-2
4
0
3
2
0
3
1
+
2
2
1
1
2
A
67
B
E
0
8.6.2 Matriz de evaluación de conceptos.
Cuadro 21. Matriz de evaluación de conceptos
VARIANTES DE CONCEPTOS
Criterios de
selección
Disminuir el
esfuerzo físico
de los operarios
encargados de
este proceso, al
momento de
brillar los
cilindros.
Garantizar
homogeneidad
en todos los
cilindros.
Evitar el
desgaste físico
de los operarios
al realizar todo
el proceso.
Intervención del
operario
Asequible para
la empresa en
cuanto a precio.
Fácil de utilizar
A
B
C
D
E
Ponderación
%
Nota
Criterio
ponderado
Nota
Criterio
ponderado
Nota
Criterio
ponderado
Nota
Criterio
ponderado
Nota
Criterio
ponderado
30
4
1,2
4
1,2
4
1,2
5
1,5
5
1,5
20
2
0,4
2
0,4
3
0,6
5
1
5
1
20
3
0,6
3
0,6
3
0,6
4
0,8
5
1
25
1
0,25
4
1
2
0,5
4
1
2
0,5
5
TOTAL
2
0,1
4
0,2
4
0,2
5
5
0,25
4,25
ORDEN
¿Continua?
2.55
5
NO
3.4
3
NO
68
3.1
4
NO
0,25
4.5
1
SI
2
SI
De la matriz de evaluación de conceptos (tabla21), se eliminan los conceptos que
no cumplen con algunos de los criterios más importantes que se deben tener en
cuenta para el diseño de la herramienta automática de limpieza, las soluciones A,
B y C, no continúan. Mientras que el diseño de la solución D y E, si continúan.
Se le da mucho peso de calificación al criterio “Asequible para la empresa en
cuanto a precio”, debido a que fue una de las premisas que tuvieron en cuenta los
ingenieros al inicio del proyecto.
En la retroalimentación que se hizo hasta este punto del proyecto, los ingenieros y
el personal de la planta, realizaron una serie de sugerencias para el diseño D. Por
tal motivo surge la solución F, que corresponde a una mejora en la solución D.
Solución F: Mejora solución D
La solución D, se encuentra diseñada con un dispositivo de control PIC 18f455.
Los ingenieros recomiendan la utilización de un PLC, debido a que ya se
encuentran familiarizados con estos dispositivos y destacan su simplicidad de
programación.
Otro criterio que tuvieron en cuenta los ingenieros para recomendar este
dispositivo de control, es que presentan la posibilidad de introducir modificaciones
en el sistema, sin necesidad de cambiar el cableado o añadir aparatos; además se
conoce la existencia en al almacén de la planta, de un PLC de siemens S7-200
CPU 226.
8.6.3 Evaluación de conceptos recalculada. Después de haber realizado una
mejor en el diseño D, se procede nuevamente a realizar una evaluación de
conceptos entre las dos posibles soluciones mejor calificadas anteriormente.
Cabe recordar, que las posibles soluciones se evalúan con respecto a la solución
de referencia seleccionada por los ingenieros de la planta de EMPAQUES FLEXA.
69
Cuadro 22. Matriz de evaluación de conceptos recalculada
VARIANTES DE CONCEPTOS
F
Criterios de
selección
Disminuir el
esfuerzo físico
de los
operarios
encargados de
este proceso,
al momento de
brillar los
cilindros.
Garantizar
homogeneidad
en todos los
cilindros.
Evitar el
desgaste físico
de los
operarios al
realizar todo el
proceso.
Ponderación
%
Nota
30
Asequible para
el usuario en
cuanto a
precio.
Fácil de utilizar
Intervención del
operario
E
Nota
5
Criterio
ponderado
1.5
5
Criterio
ponderado
1.5
20
5
1
5
1
20
4
0.8
5
1
25
4
1
3
0.75
5
TOTAL
5
0.25
5
0.25
ORDEN
¿Continua?
4.55
1
SI
4.5
2
NO
Conclusiones de variantes de conceptos
Todas las soluciones propuestas con la combinación de conceptos, se hubieran
podido mejorar técnicamente, pero igual van a seguir teniendo grandes
desventajas si se comparan con otros y evaluándolas con los criterios de
selección.
70
La mejora de la solución D, hace posible encontrar una solución más acorde a la
necesidad latente de la empresa, que es optimizar el subproceso de brillado,
disminuyendo los esfuerzos que realiza el operario y a un bajo costo.
El diseño ideal es el planteado en la solución E, en el que el operario
prácticamente no tiene que intervenir en el proceso, pero este diseño requiere de
una inversión muy alta por parte de la empresa. En reuniones establecidas
anteriormente con los ingenieros de la planta, manifestaron que no querían
implementar tecnología tan sofisticada en este proceso, que ellos preferían algo
más económico y que atacara principalmente el proceso de brillado. Esta premisa
planteada por los ingenieros, fue clave para relacionar los criterios de selección
con las soluciones propuestas en la tabla 22.
El diseño seleccionado, solución F, es un diseño muy práctico, que se acomoda a
todas las necesidades de la empresa EMPAQUES FLEXA, debido a que es una
herramienta automática, que ataca el principal problema por el cual se generó este
proyecto, el brillado de los cilindros.
Con este diseño se garantiza que los operarios no deberán ejercer presiones altas
para alcanzar excelentes resultados, ni mucho menos posiciones inadecuadas que
generan dolor lumbar. Esta solución garantiza algo muy importante para la
empresa, la calidad, debido a que el cilindro de rotograbado tendrá un acabado
homogéneo y disminuye la intervención del operario.
El tiempo que se va a demorar el proceso de limpieza de los cilindros de
rotograbado, no fue un punto clave a tener en cuenta en la selección de
conceptos, ya que como previamente se explicó, en un turno de 8 horas un
operario debe limpiar aproximadamente entre 10 a 15 cilindros, que no
representan grandes cantidades. Esta cantidad de cilindros de rotograbado que se
limpian en un turno de 8 horas, no está dada por el tiempo, sino por la
disponibilidad de cilindros que hay.
Conceptos de la solución seleccionada
Cuadro 23. Conceptos de la solución seleccionada
Criterio
Sistema de brillado
Concepto Descripción
3
Cilindro neumático de doble efecto,
con herramienta de brillado PAD unido
al vástago, desplazándose linealmente
71
Cuadro 23 (continuación)
Sistema de limpieza
profunda
3
Sistema desengrasante
2
Aplicación de insumos
2
Medición de la fuerza de
brillado
Instrumento para brillar
1
Tecnología a utilizar
1
Desplazamiento de la
herramienta
3
1
sobre un riel o guía
Aplicación manual con paño de
algodón, que no requiere esfuerzos
altos.
Aplicación manual con espuma, que
no requiere de esfuerzos altos.
Aplicación manual de insumos,
utilizando un pote o tarro.
Celda de carga
PAD circular utilizado en la labor
brillado de automóviles.
Sistema automatizado utilizando
PLC para todo el proceso.
Cilindro neumático lineal ubicado
forma horizontal, sobre el cual
sujeta la herramienta.
72
de
un
de
se
9. PRUEBA DE CONCEPTOS
La prueba de conceptos realizada, es una prueba de conceptos cualitativa,
realizada con el propósito de socializar el diseño de la herramienta seleccionada,
con todo el personal involucrado en la plata de FLEXA y así, poder hacer unas
mejoras de acuerdo a la interpretación de los resultados obtenidos.
Se realizó una entrevista de forma personal, con cada uno de los ingenieros de
producción y con los operarios encargados del proceso de limpieza de cilindros de
rotograbado. A cada uno de ellos se les mostró y se les explico el diseño de la
herramienta; Después de haber realizado este proceso, se realizó unos cambios
en el diseño de la herramienta, de acuerdo a los requerimientos del cliente y de los
usuarios.
También se realizó una prueba experimental para poder determinar la fuerza con
la cual los operarios brillan los cilindros de rotograbado. No siempre lo más
sofisticado, es lo mejor o lo más práctico.
Fuerza a ejercer en el brillado.
Cuando se recolectó la información y las necesidades sobre el proceso, los
operarios dijeron que la fuerza con la que se brillaban los cilindros de rotograbado,
era de aproximadamente 15 o 20 libras. Para cerciorarse de esta medida, se
realizó la siguiente prueba experimental.
Se ubicó una balanza en una superficie plana y se les pidió el favor a los operarios
encargados del proceso, que realizaran sobre la balanza (ver figura 44), la fuerza
que normalmente ejercían para brillar los cilindros de rotograbado. Los resultados
están registrados en la tabla 24.
Figura 40. Medición de fuerza para brillado
73
Cuadro 24. Resultados experimento cálculo de fuerza
No Prueba
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Media
Valor (lb)
47,4
50,5
49,2
50,5
48,3
50,1
50,6
46,8
49,6
49
49,7
48,9
49,216 lb
La prueba se les realizo a dos operarios encargados del proceso de limpieza de
cilindros, en diferentes turnos y a tres horas de haber empezado turno de 8 horas.
Con la fuerza calculada, 49,21lb, se tiene una mejor aproximación a los cálculos
correspondientes para el diseño seleccionado.
Sensor de fuerza-compresión: El diseño seleccionado, utiliza un sensor para
medir la presión que ejerce el PAD sobre la superficie del cilindro de rotograbado.
Dicho sensor, es una celda de carga a compresión AEP tipo CM12, que está
diseñada con bajos perfiles y diámetros, para medir fuerzas a compresión en un
rango que va desde 10Kg a 5000Kg.
La fuerza que necesita ejercer el operario al cilindro de rotograbado, es de
aproximadamente 49,21lb, por lo cual varios ingenieros especializado en
soluciones neumáticas, Ing. Gerardo Cortez e Ing. Indalecio Camacho,
recomiendan utilizar la fuerza del pistón, para ejercer la presión en los cilindros de
rotograbado, sin necesidad de utilizar el sensor o célula de carga a compresión.
SENSING [en línea]. Célula de carga a compresión. [Consulado el 29 de marzo de 2013].
Disponible
en
internet:
http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-YTRANSDUCTORES_35/C%C3%A9lulas-de-carga---Sensores-de-fuerza_69/C%C3%A9lulas-decarga-a-compresi%C3%B3n_76/C%C3%A9lula-de-carga-a-compresi%C3%B3n-AEP-C2S-yC8S_165.html
12
74
Ecuación 2. Presión en la línea
Ecuación 3. Área del cilindro
Se calcula la presión con la que se debe alimentar el actuador neumático, para
ejercer la fuerza que se requiere; el pistón siempre atacara al cilindro de
rotograbado, con la misma fuerza, ya que esta depende de la alimentación en la
línea que es regulada.
El nuevo diseño disminuirá su tamaño en el disco final que va unido al vástago y
simplificara el cálculo de la fuerza con la que se deben brillar los cilindros de
rotograbado. Ver anexo B, Diseño de la solución seleccionada, gracias a que ya
no se utilizara el sensor, sino que la fuerza se determina de acuerdo a la presión
neumática suministrada al actuador.
En la tabla 25, se relaciona la presión neumática con la que se debe alimentar el
cilindro que está ubicado en la parte superior de la herramienta, para aplicar
determinada fuerza al cilindro de rotograbado.
Cuadro 25. Presión- Fuerza
Fuerza
lbf
50
47
45
43
40
39
37
35
33
30
PRESIÓN
Psi
Bar
72,29
4,98
67,95
4,69
65,06
4,49
62,17
4,29
57,83
3,99
56,39
3,89
53,50
3,69
50,60
3,49
47,71
3,29
43,38
2,99
75
Otro aspecto importante obtenido en la prueba de conceptos, es la utilización de
un pantalla HMI, para que el operario pueda realizar todo el subproceso de brillado
por intermedio de ella.
Gracias a que este proyecto se diseño basándose en la metodología concurrente,
la concurrencia, hace posible modificar o volver a etapas anteriores si el diseño lo
requiere; por ejemplo en la prueba de conceptos realizada, surgieron algunos
cambios en los conceptos sin afectar otros subsistemas
La utilización de la pantalla HMI, facilita la instalación, debido a que si se utilizan
pulsadores, se deberán distribuir de forma estratégica, donde halla espacio y no
se preste para confusiones por parte del usuario; esto también requiere de
modificaciones en la maquina actual.
En la programación del controlador, se tuvo en cuenta las entradas físicas de los
sensores, el pulsador de parada de emergencia, así como también las entradas
HMI. En el diseño final, se colocara la pantalla HMI y como pulsador externo,
únicamente la parada de emergencia.
Descripción detallada del funcionamiento de la herramienta.
El operario debe seleccionar en la pantalla HMI la longitud del cilindro que va a
limpiar. Gracias a la ubicación de los sensores magnéticos (figura 45) que están
ubicados en la ranura en T del cilindro neumático sin vástago; el sistema de
control, sabrá que distancia debe recorrer.
Figura 41. Ubicación de sensores magnéticos para ranura en T
Sí la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 850mm, la
herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S3 y S4, correspondiente
a la longitud 3 (L3).
76
Sí la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 1100mm, la
herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S2 y S5, correspondiente
a la longitud 2 (L2).
Y si la longitud del cilindro neumático que se va a limpiar es de 1370mm, la
herramienta trabajara y se desplazara entre los sensores S1 y S6, correspondiente
a la longitud 1 (L1).
La fuerza con la que se va a brillar el cilindro de rotograbado, dependerá de la
presión que se le suministre al actuador que se encuentra encima del cilindro sin
vástago (figura 46). El vástago del actuador neumático, que se encuentra encima,
siempre va a estar saliendo con la misma fuerza y su velocidad de avance y
retroceso es controlada por medio de una válvula de estrangulación de caudal
Figura 42. Cilindro con vástago encima del cilindro neumático sin vástago
Independientemente del diámetro del cilindro de rotograbado que se esté
limpiando, cuando el PAD hace contacto con él, lo atacara siempre con la misma
fuerza y hasta ahí será su avance. Por esta razón, no se debe poner un final de
carrera cuando sale el pistón del cilindro, porque como los diámetros son
diferentes, no importa hasta donde salga el pistón, cuando haga contacto le va a
ejercer una fuerza constante.
77
10.
DISEÑO DE LA OPCION SELECCIONADA
A partir de la selección de conceptos y las matrices utilizadas en el numeral 8.6, se
obtuvo que la solución a diseñar, sea la solución F, que se basa en una
herramienta automática que realiza el brillado de los cilindros de rotograbado,
disminuyendo los esfuerzos que realizaban los operarios y garantizando
homogeneidad en el resultado.
10.1 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO
La empresa EMPAQUES FLEXA, cuenta con una estación de aire comprimido,
cuyo suministro máximo es de 80 PSI, con la cual se alimentan varios de los
procesos de la empresa.
10.1.1 Actuadores neumáticos.
La selección de los cilindros neumáticos,
dependen de la fuerza y velocidad que se requieren para desplazar la carga. La
fuerza que produce un cilindro es igual al área de la sección transversal del
cilindro multiplicada por la presión de trabajo. (Ecuación 2)
10.1.1.1
Cilindro lineal sin vástago. Se requiere de un cilindro lineal sin
vástago, para desplazar la herramienta a lo largo de la máquina. La carrera
necesaria es de 1400 mm, incluido los 150 mm que ocupa el carro externo. El
carro externo, va ubicado en la parte superior del cilindro sin vástago, en él, se
sujetara un segundo cilindro, el cilindro de doble efecto con vástago.
Se escogió con un diámetro de 25 mm de émbolo, ya que la carga que tendrá el
carro superior es muy baja, aproximadamente 4 lb y la velocidad de
desplazamiento que se requiere es pequeña.
El cilindro que se escogió, es un cilindro sin vástago lineal, con carro externo
DCG-25—1400-G-PPV-A #532447 de FESTO, el cual tiene un diámetro de
embolo igual a 25mm y una amortiguación neumática regulable a ambos lados.
Tiene la posibilidad de colocar cargas en el carro, es ideal para cargas y
momentos medianos mientras está en movimiento (figura 46).
78
Este actuador con una alimentación máxima de 8 bar, alcanza una velocidad
teórica máxima de 3 m/s, por tal motivo se debe utilizar las válvulas de
estrangulación y antirretorno, para estrangular el caudal de escape.
El carro, el carril de guía y la camisa del cilindro están fabricados en aluminio
anodizado.
Figura 43. Momentos y fuerzas en el cilindro sin vástago
En la tabla 26 se encuentran los principales momentos y esfuerzos admisibles a
los que puede estar sometido el actuador.
Cuadro 26. Fuerzas y momentos admisibles para el cilindro sin vástago
Fuerzas admisibles con diámetro de émbolo 25mm
Fy máx. [N]
180
Fz máx. [N]
540
Mx máx. [Nm]
4
My máx. [Nm]
20
Mz máx. [Nm]
5
Fuente: FESTO [en línea], Cilindro lineal sin vástago, actuadores lineales DGC.
[Consultado el
1 de abril de 2013]. Disponible en internet:
http://www.festo.com/cat/es-co_co/products
Calculo de presión en la línea
El carro del cilindro, tendrá una carga encima que equivale a el peso del cilindro
neumático con vástago, la unidad guía y el disco del PAD.
Peso del cilindro circular con vástago: Con carrera de 0 mm, el cilindro pesa
1004g. Por cada 10mm se le adiciona 34g y como la carrera del cilindro es
200mm, se realiza la siguiente operación:
79
Peso de la unidad guía: Con carrera de 0mm, pesa 866g. Por cada 10mm se le
adiciona 13g.
Carcasa y base: Tiene un peso aproximado de 2846,35g
El disco donde está sujeto el PAD, pesa aproximadamente 970g.
También se debe tener en cuenta la fuerza de rozamiento que ejerce el PAD,
sobre el cilindro de cobre.
Dónde:
Ecuación 4. Fuerza de rozamiento
N= Fuerza con la que se brilla el cilindro (49,21 lbf 205,5790N)
µ=coeficiente de rozamiento
El coeficiente de rozamiento µ, que presenta un tejido de algodón sobre una
superficie de acero, es 0,2513
La fuerza que tiene que vencer el cilindro neumático sin vástago para desplazarse,
es igual a:
13
COEFICIENTE DE ROZAMIENTO DE DESLIZAMIENTO [en línea]. Rozamiento en movimiento.
[Consultado
el
23
de
mayo
de
2013];
Disponible
en:
http://www.lamerce.com/mecanic/images/fregament.pdf
80
Como ya se conoce el diámetro del émbolo que es 25mm y la fuerza a vencer
calculada anteriormente, ahora se procede a calcular la presión con la que se
debe alimentar el cilindro lineal sin vástago.
F=
D= 25 mm=0,98425 pulg.= Diámetro del émbolo
Área del embolo del cilindro
En la teoría, esta sería la presión que se debería ejercer, pero en la práctica se
debe tener en cuenta la fuerza real, por lo cual se deben tener en cuenta los
rozamientos que se pueden presentar entre el embolo y las paredes del cilindro,
así como también la lubricación interna del mismo.
Ahora se procede a calcular la Fuerza real que ejercería el vástago en el cilindro
de rotograbado, si se alimenta la línea con la presión calculada.
Calculando la fuerza real que se ejercería sobre el embolo del cilindro, se puede
concluir que se debe aplicar un poco más de presión a la línea de alimentación.
Por tal motivo se debe hacer los cálculos de la presión, teniendo en cuenta una
fuerza de:
81
La presión en la línea calculada, es aproximada, ya que se pueden presentar otros
factores de rozamiento; esta es una de las desventajas de la neumática.
Para que el carro del cilindro sin vástago se desplace, se requiere que sea
alimentado con una presión mínima de
Las principales características y planos del cilindro lineal sin vástago, se
encuentran en el anexo C.
10.1.1.2
Cilindro de doble efecto. El cilindro neumático de doble efecto, es
el cilindro en el cual ira sujeto la herramienta terminal del sistema, el PAD.
Este cilindro debe tener una carrera máxima de 200 mm; la fuerza que va a ejercer
el PAD sobre el cilindro de rotograbado, es aproximadamente de 49,2 lb fuerza.
El cilindro seleccionado es un cilindro DSNU-25-200-PPV-A #19251 de FESTO;
con diámetro de émbolo de 25mm, diámetro del vástago 10mm y rosca del
vástago M10 x 1,25, fabricado en acero inoxidable de aleación fina; amortiguación
neumática regulable a ambos lados y presión de funcionamiento de 1- 10 Bar. Las
principales características y planos del cilindro, se encuentran en el anexo D.
A continuación, se presentan los cálculos realizados para determinar con que
presión se debe alimentar el cilindro neumático, para que ejerza la fuerza de 49,2
lb sobre el cilindro de rotograbado en el momento de brillarlo.
Cálculos de la presión en la línea
F= 49,2 Lbf.
D= 25 mm=0,98425 pulg.=Diámetro del émbolo
d= Diámetro vástago= 10mm= 0.39370 pulg.
En la teoría, esta sería la presión que se debería ejercer, pero en la práctica se
debe tener en cuenta la fuerza real, por lo cual se deben tener en cuenta los
rozamientos del embolo, con las paredes internas del cilindro neumático.
82
Ahora se procede a calcular la Fuerza real que ejercería el vástago en el cilindro
de rotograbado, si se alimenta la línea con la presión calculada.
Calculando la fuerza real que se ejercería sobre el embolo del cilindro, se puede
concluir que se debe aplicar un poco más de presión a la línea de alimentación
debido a los rozamientos que se presentan.
Por tal motivo se debe hacer los cálculos de la presión, teniendo una fuerza de
aproximadamente 54,12lbf.
Se debe alimentar el cilindro neumático con vástago, con una presión de 4,9 Bar,
para que el disco PAD que está sujeto a la punta del vástago, ejerza una fuerza de
49,2Lb sobre el cilindro de rotograbado.
10.1.2 Unidad guía. La unidad guía, permitirá reducir el riesgo al que pueden estar
sometidas las empaquetaduras, juntas y la culata anterior del cilindro circular con
vástago, debido a los esfuerzos a los que se somete el vástago. Se seleccionó la
unidad guía FEN-25-200 de FESTO. En la figura 48, se puede observar las zonas
rojas del vástago que están expuestas a fracturas, sino se utiliza la unidad guía.
83
Figura 44. Esfuerzos del vástago sin unidad guía
En el anexo E, se puede observar el análisis de esfuerzos, realizado al vástago del
cilindro cuando está ejecutando el subproceso de brillado sin una unidad guía;
también se puede observar el estudio realizado a la unidad guía, la cual distribuye
las cargas y fuerzas, impidiendo la rotura del vástago y el daño del actuador
neumático.
Las principales características de la unidad guía FEN-25-200 de FESTO, se
pueden consultar en el anexo E.
10.1.3 Válvula de estrangulación y antirretorno.
Con la válvula de
estrangulación y antirretorno, se podrá controlar la velocidad del avance y
retroceso del embolo de los actuadores neumáticos; ubicando cada una de estas
válvulas en la salida del aire, se garantiza una velocidad controlada. Las válvulas
seleccionadas son unidireccionales, para garantizar que sirvan en un solo sentido.
La válvula de estrangulación y antirretorno seleccionada, fue el regulador de CA
GRLA-1/8-QS-8-RS-B # 162966. Esta válvula presenta un tipo de accionamiento
manual mediante un tornillo moleteado; trabaja con una presión de funcionamiento
comprendida entre 0,2- 10 Bar y presenta un caudal nominal en sentido de
estrangulación, de 650 l/min.
Las principales características y planos de la válvula de estrangulación de caudal,
se encuentran en el anexo F.
84
10.1.4 Unidad De mantenimiento. La unidad de manteamiento, es indispensable
para garantizar el buen funcionamiento de la red neumática y alargar la vida del
sistema neumático de la herramienta. Esta unidad permite limpiar las impurezas
de las líneas neumáticas y garantizar la lubricación. Se seleccionó una unidad de
mantenimiento FRC-1/4-DB-7-MINI #537654 de FESTO. Tiene un grado de
filtración de 40um y está conformada por un filtro, un regulador, un manómetro y
un lubricador. Toda la unidad tiene un peso de 300g. Las principales
características de la unidad de mantenimiento, se encuentran en el anexo G.
10.2 ELECTROVÁLVULAS
Las electroválvulas son las que nos van a permitir controlar el flujo de aire sobre
los cilindros neumáticos.
Para el cilindro lineal sin vástago, se seleccionó una electroválvula 5/3 con centros
cerrados MFH-5/3G-1/8 B #30484 de FESTO, debido a que la posición intermedia
se utilizara en los momentos que la herramienta permanece quieta en determinada
posición, no necesariamente en el inicio o final de carrera, puede ser en la mitad o
donde se desee.
Para el cilindro circular con vástago que va ubicado en la parte de superior de la
herramienta, se seleccionó la electroválvula 5/2 JMFH-5-1/8 #8820 (Biestable) de
FESTO, con dos solenoides, para controlar la entrada y salida del vástago. Las
principales características de las electroválvulas seleccionadas, se encuentran en
el anexo H.
El circuito neumático de la herramienta diseñada en este proyecto, corresponde a
la figura 45.
85
Figura 45. Circuito neumático
En la figura 45, presentada anteriormente, se encuentra especificada la ubicación
de cada uno de los elementos que componen el circuito neumático de la
herramienta automática de limpieza.
10.3 SENSOR DE PROXIMIDAD MAGNÉTICO
Se requiere de 7 sensores magnéticos, que estarán ubicados a lo largo de los
cilindros para poder registrar la posición del émbolo. Se seleccionaron los
sensores de proximidad magnéticos SME-8-K-LED-24 de FESTO. Se utilizan en
ranuras en T; presentan un margen de tensión de funcionamiento de 12- 30V DC
e indican su estado con en LED de color amarillo. Ver anexo I, ubicación de
sensores y principales características técnicas.
86
Los sensores determinaran los desplazamientos de la herramienta. Cada vez que
alguno sea activado, se cumplirá una acción diferente de acuerdo con la
programación realizada.
10.4 UNIDAD ALIMENTADORA DE 24V DC
Es indispensable contar con una fuente de 24VDC, para poder realizar las
conexiones correctas de los sensores de proximidad magnética y la pantalla HMI
que están incluidas en el diseño de este proyecto. La unidad alimentadora
seleccionada fue la unidad SVG-1/230VAC-24VDC-5A, maneja una tensión
nominal de salida de 24 VDC y una corriente nominal de salida de 5A. El margen
de tensión de entrada esta entre 100 y 240V AC y la corriente de entrada entre
1,9- 0,8 A, teniendo una alimentación primaria monofásica.
Las principales características técnicas de la unidad alimentadora de 24V se
encuentran en el anexo J.
10.5 PAD
Se seleccionó un PAD comercial, en algodón, de 7´´ de diámetro. Fácil
instalación, ver anexo K.
El disco sobre el que ira sujeto la felpa o el PAD, está fabricado en empack, un
polímero resistente al trabajo con altas presiones.
10.6 PLC-CONTROLADOR
La unidad seleccionada para controlar todo el proceso automático de la
herramienta, fue el controlador SIMATIC S7-200, CPU 226 de Siemens. Este PLC
proporciona todas las entradas y salidas necesarias para la programación, 24
entradas-16 salidas. La programación de este PLC, se realizó con el paquete de
Step 7.
Las principales características del controlador S7-200 CPU 226, se encuentran en
el anexo L.
87
10.7 PANTALLA HMI-UNIDAD DE INDICACION Y CONTROL
Se seleccionó la unidad de indicación y control CDPX-X-A-W-4 # 574410 de
FESTO, para llevar acabo todo el accionamiento de la herramienta automática de
limpieza.
Esta pantalla incluye un procesador de gran capacidad combinado con tecnología
de pantalla de gran tamaño, para lograr una interfaz hombre maquina con muchas
más funciones.
La pantalla seleccionada cuenta con una resolución WQVGA, 480x272 píxeles y
un tamaño de representación de 4,3"
Para obtener más información sobre la unidad de indicación y mando, ver anexo
M.
10.8 LAMINA DE CARRIL Y CARCASA
La lamina del carril, es la banda donde ira sujeto el cilindro lineal sin vástago. Esta
banda, está fabricada en acero inoxidable 308, y sus láminas tienen un espesor de
6,35 mm
La carcasa de la herramienta, también está fabricada en acero inoxidable 308,
calibre 20, ya que estará expuesta a cualquier sustancia química durante el
proceso de limpieza de los cilindros de rotograbado.
Los planos de la lámina del carril y la carcasa de la herramienta, están adjuntos en
el anexo N.
88
11. PROGRAMACIÓN DEL PLC E INTERFAZ GRAFICA
La programación del autómata, se llevó a cabo teniendo en cuenta todos los
componentes lógicos del sistema, las entradas de todos los sensores magnéticos
de posición que están ubicados en las ranuras en T de los cilindros neumáticos. El
operario podrá controlar y manejar la herramienta desde la pantalla HMI.
La programación del sistema tiene unos parámetros importantes que se tuvieron
en cuenta en el diseño, debido a los requerimientos del cliente.
Tablero de mando

Para de emergencia
HMI






Arranque proceso (Start)
Parada general de todo el proceso de limpieza (PE)
Pulsador de reconocimiento de alarmas (PUL_RECON)
Identificación de alarmas detalladas y general.
Seleccionador de la longitud del cilindro a limpiar. (L1,L2 y L3)
Numero de pasadas que desea que haga la herramienta.
Se utilizó una herramienta llamada GRAFCET, para modelar todo el proceso. El
grafcet, es un diagrama funcional que permite hacer un modelo del proceso que
se va a automatizar, contemplando entradas, acciones a realizar, y los procesos
intermedios que provocan estas acciones.
El grafcet, es un lenguaje estandarizado por la norma IEC 61131, la cual
representa la estandarización de los autómatas programables y sus periféricos,
incluyendo los lenguajes de programación que se deben de utilizar. Antes de
realizar el diagrama Grafcet, se definieron todas las entradas y salidas del sistema
a controlar.
La figura 46, representa la conexión de la fuente de 24VDC, con la bornera y los
contactos de los sensores; La figura 47, representa el diagrama de conexiones al
PLC, entradas. Se debe tener en cuenta que los sensores magnéticos de posición,
están alimentados a 24 VDC. La figura 48, representa las conexiones del PLC,
salidas; las electroválvulas trabajan a 110 V AC.
89
Figura 46. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas-Bornera
Figura 47. Diagrama de conexiones al PLC- Entradas
90
Figura 48. Diagrama de conexiones al PLC- Salidas
La salida P1S, corresponde a la salida del pistón
vástago
del cilindro neumático sin
La salida P1R, corresponde al regreso del pistón del cilindro neumático sin
vástago.
La salida P2S, corresponde a la salida del pistón del cilindro neumático con
vástago.
La salida P2R, corresponde al regreso del pistón del cilindro neumático con
vástago.
En la tabal 27, se puede observar las posiciones de memoria utilizadas en el
PLC. Para el valor del número de pasadas que ingresa el usuario en la pantalla
HMI, es necesario utilizar un Word.
91
Cuadro 27. Memorias utilizadas en el PLC
MEMORIA
M0.0
M0.1
M0.2
M0.3
M0.4
M0.6
M0.7
M1.0
M1.1
M1.2
M1.3
M1.4
M1.5
M1.6
M1.7
DESCRIPCION
START
HMI_PE
L1
L2
L3
AG
FS1
FS2
FS3
FS4
FS5
FS6
FS7
ETAPA 0
ETAPA 1
MEMORIA
M2.0
M2.1
M2.2
M2.3
M2.4
M2.5
M2.6
M2.7
M3.0
M3.1
M3.2
M3.3
M3.4
M3.5
MW4
DESCRIPCION
ETAPA 2
ETAPA 3
ETAPA 4
ETAPA 5
ETAPA 6
ETAPA 7
ETAPA 8
ETAPA 9
ETAPA 10
ETAPA 11
ETAPA 12
ETAPA 13
ETAPA 14
PUL_RECON
NU_PASOS
En la figura 49, se observa el diagrama funcional del sistema de limpieza de
cilindros de rotograbado (GRAFCET). Se relacionan las entradas, salidas y los
procesos intermedios que generan estas acciones. También se presenta la opción
de escoger la longitud del cilindro de rotograbado a limpiar, con esta selección, la
herramienta ya sabrá que camino debe tomar y que condiciones debe cumplir.
92
Figura 49. Grafcet
93

Parada de estado inicial: es el estado normal de la máquina, etapa inicial del
grafcet. Para el proyecto es la etapa 0.

Parada de emergencia: en el proyecto se encuentra una parada de
emergencia física y una desde el HMI. Cualquiera de las dos, que sea
accionada en cualquier momento, llevara la herramienta a una posición
segura, su posición inicial.

Parada por defectos: se consideraron para este proyecto el tratamiento de
fallas que puede presentar los actuadores neumáticos, con respecto a la señal
generado por cada uno de los sensores de posición magnéticos.

Alarmas: las alarmas son activadas cada vez que ocurre una falla. Cuando la
herramienta se detiene debido a una falla, se activara la alarma
correspondiente a la falla y la alarma general.
La parada de emergencia se puede presionar en cualquier momento; esto llevara
la herramienta de forma segura a sus condiciones iniciales. La figura 50 indica que
cualquier etapa que se esté ejecutando en el GRAFCET principal, si es presionado
el pulsador PE (parada de emergencia) o el HMI_PE (parada de emergencia
desde la pantalla HMI), la herramienta se dirigirá a sus condiciones iniciales.
Figura 50. Parada de emergencia
El software que se utilizó para la programación del PLC, fue Step-7 Micro/Win
v4.0.8.06 el cual presenta la opción de realizar la programación en LADDER con
una gran facilidad, en la familia de los autómatas programables SIMATICS S7200.
94
12. MANUAL DE USO
Este manual permite obtener información necesaria y sustancial sobre el
funcionamiento de la herramienta automática de limpieza de cilindros de
rotograbado.
12.1 CONCEPTO GENERAL INTERFAZ GRAFICA
Figura 51. Concepto general de interfaz grafica
Para dar inicio al programa, se debe verificar que el modo de la CPU del
autómata, se encuentre en RUN y el piloto en verde. Con esto, ya se podrá
monitorear y controlar el proceso desde la pantalla. (Figura 52).
En caso de que el piloto se encuentre de color rojo, consultar al proveedor.
Figura 52. Autómata siemens S7-200
Los modos de operación del autómata S7-200 CPU 226, son:
95
RUN: El PLC ejecuta el programa de usuario como modo normal de operación.
STOP: El PLC ignora el programa de usuario y efectúa sus programas internos.
En este modo, el usuario puede monitorear y / o programar el PLC desde un PC.
12.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO
La figura 53, representa la interfaz que tiene la pantalla; esta está dividida en 3
zonas. La primera ubicada al lado izquierdo, donde el operario podrá seleccionar
la longitud del cilindro a limpiar y el número de pasadas que desea que la
herramienta realice. La segunda zona, ubicada en la parte inferior, donde está el
sistema de control y verificación del funcionamiento del proceso. La tercera zona,
ubicada al lado derecho de la pantalla, ahí se encuentra los órganos de
accionamiento inicio de programa (Start), parada de emergencia de todo el
proceso (PE) y el reconocimiento de alarma.
Figura 53. Interfaz hombre maquina
Para iniciar el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado, el operario debe
realizar unos pasos secuenciales.
1. Seleccione la longitud del cilindro de rotograbado que va a limpiar (Figura
54).
96
Figura 54. Selección de longitud
2. Introduzca el número de pasadas que desea realizar (Figura 55).
Figura 55. Numero de pasadas
3. Presione el botón de Start, para dar inicio al proceso (Figura 56).
Figura 56. Botón Star
El sistema de alarmas que se encuentra en la zona inferior de la pantalla, indica
las fallas en los actuadores neumáticos. Estas fallas se presentan, cuando la
herramienta se demora más de lo normal en activar algún sensor magnético
correspondiente. En la pantalla aparecerán inmediatamente los pilotos en color
rojo, indicando que sensor no se activó, para así reconocer la falla en un menor
tiempo (Figura 57).
Figura 57. Asignación de alarmas
97
Independientemente de la alarma que se active, siempre se activara la alarma
general, la cual solo se apagara cuando se solucione la falla y se haga un
reconocimiento de alarmas, utilizando el botón Reconocimiento de alarmas.
El botón de reconocimiento de alarmas, se presiona después de que se hallan
corregidas las fallas, para verificar que el proceso ya puede continuar y que no
existe ninguna otra falla.
El botón de parada de emergencia (PE), ubicado al lado derecho inferior de la
pantalla, una vez es accionado, dirige la herramienta a las condiciones iniciales,
sin importar en que parte del proceso se encuentre.
Mientras la herramienta se encuentra operando, sobre el área de trabajo solo
puede estar ubicado el operario encargado de esta labor. (Figura 58).
Figura 58. Espacio de trabajo de la herramienta automática
98
13.
COSTOS DEL DISEÑO
En la tabla 28, se relaciona cada uno de los elementos necesarios para llevar a
cabo el desarrollo del diseño de este proyecto. Estos elementos se seleccionaron
de acuerdo a la ficha técnica de cada uno y las necesidades del diseño.
Cuadro 28. Costos de materiales
Material
Cant.
Marca
PLC
Conector NECCL2G24
Conector NECC-L2G4
Unidad de indicación
y control (HMI)
Unidad alimentadora
de 24 V
Actuador lineal sin
vástago
Cilindro de doble
efecto
Unidad guía
Sensor magnético de
proximidad
Fijación para S
Unidad de
mantenimiento
Válvula de
estrangulación y
antirretorno
Racor rápido QS
Racor rápido QSL
Electroválvula 5/2
Electroválvula 5/3
Bobina magnética
Racor rápido en T
Silenciador
Tubo plástico
Regulador de presión
Carril para
herramienta +soladura
Accionado PE.
1
1
SIEMENS
FESTO
Valor
unitario
707.822
54.509
1
1
FESTO
FESTO
11.680
1.782.025
11.680
1.782.025
1
FESTO
577.280
577.280
1
FESTO
1.160.191
1.160.191
1
FESTO
253.794
253.794
1
7
FESTO
FESTO
1.049.538
92.603,71
1.049.538
648.226
1
1
FESTO
FESTO
14.418
237.313
14.418
237.313
4
FESTO
42.116,25
168.465
3
6
1
1
4
1
4
20 m
2
1
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
FESTO
-------
8.622
12.447,83
406.308
484.325
54.757,75
19.472
15.349
4.046,70
95.637
1.541.000
25.866
74.687
406.308
484.325
219.031
19.472
61.396
80.934
191.274
1.541.000
1
Schneider
99
Valor total
707.822
54.509
232.000
Cuadro 28 (continuación)
XCSDMR5902
Carcasa herramienta
más soldadura
PAD- felpa7``
Disco para felpa
TOTAL
1
Electric
--------
1
1
Bonete
---------
87.700
87.700
19.900
60.000
8.712.955
19.900
60.000
10.169.154
La empresa EMPAQUES FLEXA, deberá hacer una inversión de
aproximadamente $10.169.154, que equivale a todos los elementos necesarios
para llevar a cabo la implementación de este proyecto (tabla 28).
Las cotizaciones realizadas con los diferentes distribuidores, se encuentran en el
anexo O.
100
13. CONCLUSIONES
El mayor beneficio para la empresa EMPAQUES FLEXA con llevar a cabo este
proyecto, es no verse involucrado en un futuro con alguna indemnización,
remuneración o incapacidad de sus empleados a causa de lesiones en el proceso
de limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado. Todo lo que le pase a los
trabajadores dentro de la empresa, es responsabilidad de FLEXA; por esta razón,
FLEXA debe velar por que las condiciones de trabajo de cada uno de los
empleados sean óptimas y seguras.
La inversión que debe realizar la empresa EMPAQUES FLEXA para llevar a cabo
este proyecto es de aproximadamente $10.169.154; considerablemente baja, si se
tiene en cuenta que se está mejorando notablemente las condiciones de trabajo
de los empleados y la excelente tecnología que se está utilizando para llevar a
cabo este proyecto. Aunque no es posible estimar el tiempo de recuperación de la
inversión, se está previendo que en un futuro la empresa tenga que indemnizar a
alguno de los operarios encargados del proceso de limpieza de los cilindros de
rotograbado.
Aunque el proceso de limpieza de cilindros de rotograbado, abarca operaciones
como los son el brillado, la aplicación de detergente, enjuague y secado; en este
proyecto se está dando solución al principal problema que pone en riesgo la salud
de los operarios encargados de esta labor, el brillado.
Con la implementación de la herramienta diseñada en este proyecto, se disminuye
la intervención del operario a lo largo de todo el proceso de limpieza de cilindros.
Entre menor sea la intervención del operario en un proceso, más fácil de
estandarizar el mismo, menor es el riesgo al que está expuesto y mayor es la
probabilidad de que el resultado va a ser exitoso.
La aplicación del método de ingeniería concurrente durante el desarrollo de este
proyecto, hace posible que se tengan en cuenta muchos factores debido a la
socialización y relación multidisciplinaria que se va desarrollando a lo largo del
proyecto. Esto permite optimizar los recursos, reducir los tiempos de diseño y los
costos de desarrollo del proyecto.
La herramienta automática, garantizara una producción homogénea que se
caracterizará por la precisión en el proceso; esto hace que disminuyan los
desperdicios en la empresa.
101
BIBLIOGRAFIA
Automatización, ¿Que es un sistema automatizado? [En línea]. [Consultado el 6
de
noviembre
de
2012];
Disponible
en
internet:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRI
NCIPAL/Automatizacion/Automatizacion.htm.
BOLTON, William. Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingeniería
mecánica y eléctrica. Cuarta edición, Alfaomega 2012. 538 p.
BERNAL, Luis. Quality Function Deployment (QFD) .QFD para servicios y manual
[en línea]. Marzo de 2009. [Consultado el 4 de febrero de 2013]. Disponible en
internet:
http://www.in4in.net/fileadmin/user_upload/Downloads/Guia_QFD_Servicios.pdf
CABRERA, Ana María. Guía de atención integral de salud ocupacional basada en
la evidencia para Dolor Lumbar [en línea]; Bogotá, Diciembre de 2006, Página 12
[consultado 13 de noviembre de 2012] Disponible en internet en:
http://gavilan.uis.edu.co/~tarazona/docencia/asignatura1/pdfs/glumbar.pdf
FESTO [en línea]. Actuadores neumáticos, sensores, válvulas, preparación de aire
comprimido y otros equipos neumáticos [consultado el 26 de marzo de 2013].
Disponible en internet: http://www.festo.com/cat/es-co_co/products
FLEXA, Envases para el mundo [En línea]. Colombia. Responsabilidad Social.
[Consultado el
6 de noviembre de 2012]. Disponible en internet:
http://www.eflexa.co/inicio.html.
GUILLEN, Antonio. Introducción a la neumática. Editorial Macocombo 1993. 156 p.
KARL T. ULRICH, Steven D. Eppinger. Diseño y desarrollo de productos, enfoque
multidisciplinario. Mc Graw Hill, tercera edición. 256 p.
QFD, Capture for Windoze. Getting Started [en línea]. [Consultado el 7 de marzo
de
2013].
Disponible
en
internet:
http://www.me.utexas.edu/~me366j/QFD/QFD_Tutorial.html.
102
Responsabilidad social empresarial de las pymes, Comisión Europea; [Consultado
el 13 de noviembre de 2012]; Disponible en internet: www.csr-in-smes.eu.
SÁNCHEZ MUÑOS, Gustavo. El huecograbado en rotativa o rotograbado [en
línea]. [Consultado el 20 de diciembre de 2012]. Disponible en internet:
http://gusgsm.com/huecograbado_rotativa.
103
ANEXOS
Anexo A. Qfd. Quality function deployment
T ra deo ffs
Tamaño
Seguridad en el resultado
Material amigable ambientalmente
Peso
Velocidad proceso
Porcentaje del proceso automatizado
Voltaje
Estética
Normas seguridad
Flexibilidad para los diferentes cilindros
Herramientas especiales requeridas para mantenimiento
Costo de producción
Presión
Fácil instalación
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
9,0
4,3
8
La herramienta s e puede adaptar en otras máquinas - canoas.
9
2,0
1,0
2,0
2,0
4,0
1,9
La herramienta es de fácil ins talación.
10 4,0
1,0
4,0
4,0
16,0 7,6
10
El diseño será ec onómic amente viable.
11 5,0
1,0
5,0
5,0
25,0 11,8
11
La herramienta s erá de un tamaño ac orde a la máquina.
12 2,0
1,0
2,0
2,0
4,0
1,9
12
Funcionamiento con red de suministro de la planta
13 3,0
1,0
3,0
3,0
9,0
4,3
13
Sera dis eñada con materiales amigables al medio ambiente
14 4,0
1,0
4,0
4,0
16,0 7,6
14
La herramienta s erá automática en su totalidad
15 2,0
1,0
2,0
2,0
4,0
15
Importancia de los COMO
1
Porc entaje de importancia de los COMO
2
Max = 20,8
Porcentaje de importancia de los COMO
Min = 1,1
Competitive Benc hmarking Results
4
Our Current Product
5
Competitor 1
6
Competitor 2
7
Targets for Our Future Product
8
104
S ta nda rd 9 -3 -1
Strong
Moderate
Weak
9,0
3,0
1,0
7
1
Importancia General
6
3,0
8
Factor de Mejora
Market Leverage Factor
5
3,0
Competitor 1
1,0
Our Current Product
3,0
3
8
Anàlisis competencia
7
La herramienta es de fácil mantenimiento.
2
25,0 11,8
68,2
5,0
4,3
5,0
16
1,0
108,5
5,0
6,8
7
15
6
La herramienta s e adapta para las diferentes dimensiones de c il indros .
10,0 160,2
4,0
14
2,0
38,4
2,0
2,4
1,0
13
2,0
135,1
6
8,4
5
La herramienta es estética.
12
25,0 11,8
142,2
5,0
8,9
5,0
11
1,0
17,1
5,0
1,1
5
10
4
La herramienta garantiza la presion neces aria para el proces o de brill ado
38,4
16,0 7,6
2,4
4,0
9
4,0
11,4 182,0
1,0
8
4,0
17,1
4
1,1
3
La herramienta es de fácil manejo.
7
25,0 11,8
24,6
5,0
1,5
5,0
6
1,0
68,2
5,0
4,3
3
5
2
La herramienta proporciona un alto nivel de confianza al usuario en c uanto al resultado.
20,8 333,2
1
4,0
4
25,0 11,8
2,0
73,0
5,0
2,0
4,6
5,0
1,0
3
1,0
2,0
19,0
5,0
2
1,2
1
La herramienta trabaja de forma rápida.
1,0
0,0
-1,0
2
1
La herramienta no requiere de esfuerzos físicos altos para brillar los c il indros de rotograbado
Maximize
T arget
Minimize
10,9 174,9
Direcc ion de Mejora
D irec c i on de Im po rtan c i a
1
4
Porcentaje de importancia
Adaptable a otras maquinas
3
Max = 11,8
Porcentaje de importancia
Min = 1,9
Fácil manejo
2
QFD_DISEÑO DE HERRAMIENTA DE
LIMPIEZA
1,0
-1,0
Nuestro producto a futuro
Importancia
1
1
Synergy
Compromise
1,9
1,9
1,9
9
Anexo B. Solución seleccionada
La solución seleccionada, se basa principalmente en una herramienta totalmente
automatizada que realiza el subproceso de brillado, parte critica del proceso de
limpieza de los cilindros utilizados en el rotograbado.
En la siguiente figura, se puede ver los dos cilindros neumáticos en cruz, que
componen el cuerpo de la herramienta.
Fue necesario utilizar una unidad guía para cilindro neumático circular de diámetro
de embolo de 25mm, que estuviera unida al vástago del cilindro neumático, para
evitar deformaciones o fracturas debido a los esfuerzos a los que va a estar
sometido en el momento de ejecución.
Las especificaciones técnicas de la unidad guía seleccionada, se encuentran en el
anexo F.
El cilindro neumático sin vástago, cuenta con una Carrera total de 1400 mm, por lo
cual, la herramienta podrá desplazarse a lo largo de los cilindros de cobre que
tienen longitudes hasta de 1370mm.
105
En la siguiente figura, se puede observar la ubicación de la pantalla HMI, desde la
cual se podrá ejecutar y controlar todo el subproceso de brillado.
En el lado derecho de la máquina, se encuentra ubicado el botón de parada de
emergencia, el cual es de vital importancia en todo proceso.
Anexo C. Cilindro lineal sin vástago Festo
A continuación se muestran alunas imágenes del cilindro sin vástago de FESTO,
seleccionado para el diseño de este proyecto.

Isométrico

Vista frontal
106

Vista lateral izquierda

Vista lateral derecha
107

Ficha técnica
108
Anexo D. Cilindro neumático con vástago Festo
Los cilindros redondos de tipo estándar con vástago de diámetros 8- 25mm
corresponden a las normas ISO 6432. El vástago es en acero inoxidable y las
culatas están unidas a la camisa por medio de un rebordeado.
Este cilindro presenta una clase 3 de resistencia a la corrosión, ósea una
protección alta; piezas que pueden estar en contacto directo con la atmosfera y los
fluidos habituales de un entorno industrial, por ejemplo disolventes y detergentes.
La manera más eficiente de lograr reducir la velocidad de salida del embolo, es
regulando el caudal de escape, así el desplazamiento del cilindro es más suave y
lo único que se hace es retener el aire en la cámara resistente. Para eso se
utilizan las válvulas de estrangulación y antirretorno. El caudal del escape se debe
estrangular manualmente para obtener la velocidad deseada.
Las especificaciones técnicas de la válvula de estrangulación, se encuentran en el
anexo I.

Isométrico
109

Ficha técnica cilindro neumático Festo, diámetro 25mm
110
Anexo E. Unidad guía
La unidad guía FEN-25-200, está diseñada para un cilindro circular de diámetro de
émbolo de 25mm y carrera de 200mm. Esta unidad ayuda a que el vástago no
deteriore las empaquetaduras ni la culata anterior del actuador, al realizar el
subproceso de brillada mientras se desplaza. También ayuda a que no se fracture
el vástago del cilindro neumático.

Análisis de esfuerzos en el vástago del cilindro neumático.
En el siguiente análisis se puede observar los esfuerzos a los que puede estar
sometido el vástago del cilindro neumático en el momento de brillar el cilindro de
rotograbado sin unidad guía.
Simulación del vástago
Diseñado por: Juan Camilo Cuervo M.
Nombre de estudio: Estudio 1
Tipo de Análisis: Estático
111
Descripción.
Análisis de posibles fallas que se pueden presentar en las empaquetaduras y
culata anterior del actuador, debido al movimiento y esfuerzos a los que se somete
el vástago. El vástago tiene un diámetro de 10mm.
Nombre del modelo: Vástago cilindro circular
Configuración actual: Predeterminado
Sólidos
Nombre de
documento y
referencia
Tratado como
Cortar-Extruir1
Sólido
Propiedades
volumétricas
Ruta al documento/Fecha
de modificación
Masa:0.20088 kg
Volumen:2.50255
e-005 m^3
Densidad:8027
kg/m^3
Peso:1.96862 N
F:\TRABAJO DE
GRADO\OPCIONES DE
DISEÑO\HERRAMIENTA
FRONTAL CILINDRO
NEUMATICO\CILINDRO
CIRCULAR CON
VASTAGO
FESTO\Vástago cilindro
circular.sldprt
May 09 09:04:04 2013
Unidades
Sistema de unidades:
Métrico (MKS)
Longitud/Desplazamiento
mm
Temperatura
Kelvin
Velocidad angular
Rad/seg
Presión/Tensión
N/m^2
112
Propiedades de material
Referencia de modelo
Propiedades
Nombre:
Tipo de
modelo:
Criterio de
error
predetermin
ado:
Límite
elástico:
Límite de
tracción:
Módulo
elástico:
Coeficiente
de Poisson:
Densidad:
Módulo
cortante:
Coeficiente
de dilatación
térmica:
Componentes
AISI 316L
Acero
inoxidable
Isotrópico
elástico lineal
Tensión
máxima de
von Mises
Sólido 1(CortarExtruir1)(
Vástago cilindro
circular)
1.7e+008
N/m^2
4.85e+008
N/m^2
2e+011
N/m^2
0.265
8027 kg/m^3
8.2e+010
N/m^2
1.65e-005
/Kelvin
Datos de curva: N/A
Cargas y sujeciones
Nombre de
sujeción
Imagen de sujeción
Detalles de sujeción
Entidades
:
Tipo:
Fijo-1
113
1 cara(s)
Geometría fija
Nombre de
carga
Cargar imagen
Detalles de carga
Entidades:
Tipo:
Valor:
1 cara(s)
Aplicar fuerza normal
49,21 lbf
Fuerza-1
Entidades:
Referencia:
Tipo:
Valores:
Fuerza-2
1 cara(s), 1 plano(s)
Vista lateral
Aplicar fuerza
---, ---, 49,21 lbf
Información de malla
Tipo de malla
Malla sólida
Mallador utilizado:
Malla basada en curvatura
Puntos jacobianos
4 Puntos
Tamaño máximo de elemento
0 mm
Tamaño mínimo del elemento
0 mm
Calidad de malla
Elementos cuadráticos de alto orden
114
Detalles
Número total de nodos
13877
Número total de elementos
8204
Cociente máximo de aspecto
16.226
% de elementos cuyo cociente de aspecto es <
3
% de elementos cuyo cociente de aspecto es >
10
% de elementos distorsionados (Jacobiana)
97.4
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss):
00:00:07
Nombre de computadora:
PC-PC
0.719
0
Resultados del estudio.
Nombre
Tensiones1
Tipo
VON: Tensión de von Mises
Mín.
484710 N/m^2
Nodo: 13845
Máx.
6.42379e+008 N/m^2
Nodo: 9902
Vástago cilindro circular-Estudio 1-Tensiones-Tensiones1
115
El limite elástico que tiene el vástago del cilindro es de
, en el
⁄
estudio de von Mises, se puede observar que un extremo del vástago estará
sometido a esfuerzo máximo de
⁄ , lo que puede provocar una fractura
cuando el elemento se encuentre fatigado.
⁄
⁄
N equivale al factor de seguridad que se debe tener para diseñar, en este caso es
muy bajo al no ser ni siquiera 1. Se recomienda como mínimo tener un factor de
seguridad igual a 2.
Nombre
Desplazamiento
s1
Tipo
URES: Desplazamiento
resultante
Mín.
0 mm
Nodo: 98
Máx.
16.0799 mm
Nodo: 13869
Vástago cilindro circular-Estudio 1-Desplazamientos-Desplazamientos1
En la gráfica de desplazamiento, se puede observar que la punta del vástago,
puede tener un desplazamiento máximo de 0,1607 mm.
116
En la siguiente figura se puede observar las zonas en rojo que se están afectando
debido al factor de seguridad tan bajo que se presenta.
A continuación se representa el estudio realizado a la unidad guía, que va a ir
unida al vástago del cilindro.

Análisis de esfuerzos en la unidad guía.
Simulación Unidad Guía
Diseñado por: Juan Camilo Cuervo M.
Nombre de estudio: Estudio 1
Tipo de Análisis: Estático
117
Descripción.
Análisis de los esfuerzos que se pueden generar en la unidad guía en el momento
de realizar el subproceso de brillado.
Nombre del modelo: Unidad_Guia
Configuración actual: Predeterminado
Sólidos
Nombre de
documento y
referencia
Cortar-Extruir5
Tratado
como
Propiedades
volumétricas
Ruta al documento/Fecha de
modificación
Sólido
Masa:0.648608 kg
Volumen:8.42349e-005
m^3
Densidad:7700 kg/m^3
Peso:6.35636 N
F:\TRABAJO DE
GRADO\OPCIONES DE
DISEÑO\HERRAMIENTA
FRONTAL CILINDRO
NEUMATICO\UNIDAD
GUIA\Unidad_Guia.sldprt
May 09 09:11:28 2013
Unidades
Sistema de unidades:
Métrico (MKS)
Longitud/Desplazamiento
mm
Temperatura
Kelvin
Velocidad angular
Rad/seg
Presión/Tensión
N/m^2
118
Propiedades de material
Referencia de modelo
Propiedades
Nombre:
Tipo de
modelo:
Criterio de
error
predetermina
do:
Límite
elástico:
Límite de
tracción:
Módulo
elástico:
Coeficiente
de Poisson:
Densidad:
Módulo
cortante:
Coeficiente
de dilatación
térmica:
Componentes
Acero aleado
(SS)
Isotrópico
elástico
lineal
Tensión
máxima de
von Mises
Sólido 1(CortarExtruir5)(Unidad_Gui
a)
6.20422e+00
8 N/m^2
7.23826e+00
8 N/m^2
2.1e+011
N/m^2
0.28
7700 kg/m^3
7.9e+010
N/m^2
1.3e-005
/Kelvin
Datos de curva:N/A
Cargas y sujeciones
Nombre de
sujeción
Imagen de sujeción
Detalles de sujeción
Entidades:
Tipo:
Fijo-1
119
4 cara(s)
Geometría
fija
Nombre de
carga
Cargar imagen
Detalles de carga
Entidades:
Tipo:
Fuerza-1
Valor:
Entidades:
Tipo:
Fuerza-3
Valor:
1 cara(s)
Aplicar
fuerza
normal
49,21 lbf
1 cara(s)
Aplicar
fuerza
normal
49,21 lbf
Información de la malla
Tipo de malla
Malla sólida
Mallador utilizado:
Malla basada en curvatura
Puntos jacobianos
4 Puntos
Tamaño máximo de elemento
0 mm
Tamaño mínimo del elemento
0 mm
Calidad de malla
Elementos cuadráticos de alto orden
Detalles
Número total de nodos
19647
Número total de elementos
11101
Cociente máximo de aspecto
34.776
% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3
88.1
% de elementos cuyo cociente de aspecto es >
10
% de elementos distorsionados (Jacobiana)
0.135
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss):
00:00:18
Nombre de computadora:
PC-PC
120
0
Resultados del estudio.
Nombre
Tensiones1
Tipo
VON: Tensión de von Mises
Mín.
31531.9 N/m^2
Nodo: 10089
Máx.
2.06056e+008 N/m^2
Nodo: 14769
Unidad_Guia-Estudio 1-Tensiones-Tensiones1
El limite elástico que tiene la unidad guía analizada es de
, en el
⁄
estudio de von Mises, se puede observar que el mayor esfuerzo al que estará
sometido la unidad guía, es de
⁄ ; este esfuerzo es muy bajo con
respecto al límite elástico de la pieza analizada, dando como resultado un factor
de seguridad alto.
⁄
⁄
N, equivale al factor de seguridad del diseño de la unidad guía, como se ve en la
siguiente gráfica, no ay ninguna región en rojo que esté en peligro de fractura.
121
Con los resultados obtenidos, se puede ver la gran importancia de utilizar la
unidad guía junto al vástago del cilindro, para evitar posibles daños del actuador
neumático, debido a cargas o esfuerzos generados en el subproceso de brillado.
Debido a los resultados obtenidos en el análisis estático del vástago del cilindro
neumático, se hace necesario la utilización de la unidad guía FEN-25-200 de
FESTO, que se presenta a continuación.

Isométrico
122
Vista en 2D acotada
Anexo F. Válvula de control de flujo- válvula de estrangulación y
antirretorno.
La válvula de estrangulación y antirretorno GRLA-1/8-QS-8-RS-B, controlara la
velocidad con la que el émbolo debe desplazarse a lo largo de su carrera en cada
uno de los actuadores neumáticos.
Esto se logra al estrangular el caudal del aire comprimido en sentido de escape;
también se podría hacer en sentido de alimentación, pero no se garantiza debido
a la inestabilidad del aire. La función de antirretorno funciona en sentido contrario
correspondiente.
La función de estrangulación está a cargo de una hendidura anular regulable en el
interior de la válvula. La hendidura se amplía o se reduce al girar el tornillo de
regulación moleteado.
En la siguiente figura, se muestra como seria la conexión de las válvulas GRLA1/8-QS-8-RS-B a los actuadores neumáticos. El accionamiento de las válvulas se
realiza de forma manual.
123
A continuación se muestran algunas imágenes de la electroválvula GRLA-1/8-QS8-RS-B de FESTO, la cual se utilizara en el diseño de la herramienta automática.

Isométrico
124

Hoja técnica
Anexo G. Unidad de mantenimiento.
La unidad de mantenimiento FRC-1/4-DB-7-MINI #537654 trabaja con una presión
⁄
de hasta 10 Bar, caudal nominal normal
.
La preparación adecuada del aire comprimido, contribuye a evitar los fallos en los
componentes neumáticos. También aumenta la duración de los componentes y
125
reduce la paralización imprevista de máquinas y equipos. También aumenta la
fiabilidad de los procesos.
El aire comprimido puede contener las siguientes impurezas.
Partículas
Agua
Aceite



Una preparación deficiente del aire comprimido provoca los siguientes problemas.
Desgaste prematuro de juntas
Ensuciamiento de silenciadores
Depósitos de aceite en las válvulas de la parte de control



Por estas razones, es indispensable la utilización de la unidad de mantenimiento.

Isométrico

Vista frontal y lateral
126

Ficha técnica
127
Anexo H. Electroválvulas
La electroválvula 5/3 con centros cerrados MFH-5/3G-1/8 B #30484 de FESTO,
presenta múltiples posibilidades
para la conexión eléctrica con bobinas
magnéticas F o V de bajo consumo, también para montaje en terminales de
válvulas. Esta electroválvula, controlara el flujo de aire del cilindro neumático sin
vástago.
Fue necesario utilizar esta electroválvula de 3 posiciones, debido a que hay un
momento en el subproceso de la brillada, que la herramienta necesita quedarse en
determinada posición, mientras sale el vástago que va unido al PAD.
A continuación se muestran algunas imágenes en 2D y 3D de las electroválvulas.

5/3 con centros cerrados
Isométrico
Hoja técnica de la electroválvula 5/3 con centros cerrados MFH-5/3G-1/8 B
#30484 de FESTO.
128
129

Electroválvula 5/2 Biestable para cilindro con vástago
La electroválvula JMFH-5-1/8 #8820 de FESTO, controlara el flujo de aire del
cilindro neumático con vástago. Esta electroválvula estará conectada a dos
solenoides, uno para cada movimiento.
Isométrico
Vista frontal
Vista Superior
130
Hoja técnica de la electroválvula JMFH-5-1/8 #8820 de FESTO
131
Anexo I. Sensor de proximidad magnético

Ubicación de sensores magneticos en el cilindro neumatico sin vastago.
El cilindro neumático sin vástago, requiere de 6 sensores para lograr el recorrido
de las 3 diferentes longitudes de cilindros de rotograbado.
La longitud de 850mm trabajra entre los senosres 3 y 4.
La longitud de 1100mm, trabajara entre los sensores 2 y 5.
La longitud de 1370mm, trabajara entre los sensores 1 y 6
El cilindro neumatico con vastago, solo requiere de un sensor al inico de carrera,
al final de la carrera no se requiere sensor, debido a que los cilindros de
rotograbado que se van a limpiar, son de diferente diametro, entonces no se sabra
en realidad hasta donde debe salir. De lo que si se tiene certeza, es que
independientemente hasta donde salga el cilindro, en todo momento va a estar
ejerciendo la misma fuerza sobre el cilindro de rotograbado.
Los sensores de proximidad SME-8-K-LED-24, utilizan el principio de medición
magnético Reed, brindando una salida bipolar, con contacto. Funcionan en un
margen de tensión de 12-30 VDC y se deben aprisionar en la ranura en T que
deben tener los cilindros neumáticos.
A continuación se presentan las principales imágenes del sensor SME-8-K-LED24.
132

Isométrico

Vista frontal

Vista lateral
133
Anexo J. Fuente 24v dc.
134
Anexo K. Pad
PAD de algodón, diámetro de 9,5 pulgadas; también los hay de 5 y 7 pulgadas.
La parte trasera, viene resortada para su fácil instalación a la herramienta.
Los precios de los diferentes diámetros, se encuentran disponibles en el anexo
O. Cotizaciones.
Anexo L. PLC
El autómata SIMATIC S7-200, CPU 226 de Siemens, presenta las siguientes
características.
135
Anexo M. Pantalla HMI- unidad de indicación y control
La unidad de indicación y control CDPX-X-A-W-4 de FESTO, se pueden realizar
algunas funciones, como lo son:

Representación de datos mediante números, textos y graficas

Captación de datos

Gestión de alarmas

Memoria expandible mediante tarjeta SD

Representación de imágenes de cámara IP
136

Principals características técnicas
137
Interfaces
USB, Ethernet, RS485,
USB,
tarjeta SD
138
Anexo N. Lamina de carril y carcasa.

Plano carril de la herramienta, Acero inoxidable, 6.35mm de espesor.
139

Plano carcasa de herramienta

140
Anexo O. Cotizaciones
La siguiente cotización se realizó directamente en la tienda de HOME CENTER
CALI. Se relacionan los diferentes precios que manejan para los diferentes
diámetros de PAD circulares.

Cotización PAD
141
La siguiente figura, corresponde a la cotización realizada con el distribuidor de
FESTO.

Cotización 1. FESTO
142
143

Cotización 2. FESTO
144

Cotización 3. AIRMATIC

Cotización, láminas y corte.
Calle 45AN #2N-95
Laminas y Corte
Descripción
Precio
Materiales carril herramienta
791.000
Soldadura carril
750.000
Materiales carcasa
49.700
Soldadura
38.000
145
TOTAL

1.628.700
Cotización cilindro en aluminio solución B
BRONZMETAL SA.
Descripción
Precio
TUBO 5`` de diámetro, por 1,6 mm de
646.120
pared, por 1500mm de largo, en
aluminio
TUBO en acero 7`` de diámetro, por
809.020
1,6 mm de pared, por 2000mm de
largo
TOTAL

646.120
Display
MICRO ELECTRONICOS
Descripción
Precio
Display LCD, pantalla 16x2 líneas
8.500
azules
TOTAL

8.500
Cola de milano
PAYAN
Asesor: Carlos Gutiérrez
Descripción
Precio
Cola de milano 1500mm de largo, por
3.400.000
50mm de ancho por 35mm de alto
146
TOTAL
3.400.000
Anexo P. Artículo formato Icontec
DISEÑO DE HERRAMIENTA AUTOMÁTICA PARA LA LIMPIEZA DE CILINDROS
UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ROTOGRABADO PARA LA PLANTA DE
FLEXA COLOMBIA
Autor: Juan Camilo Cuervo Mejía*
Co-Autor: William Gutiérrez Marroquín**
Universidad Autónoma de Occidente. Km 2 vía Jamundí, Cali.
[email protected]* [email protected]**
Abstract: en el siguiente artículo, se muestra el estudio realizado al proceso de
limpieza de cilindros utilizados en el rotograbado dentro de la planta FLEXA
Colombia, posteriormente se muestra el método de ingeniería concurrente,
utilizado para el diseño de una herramienta automática, que dará solución a los
problemas ergonómicos identificados que se vienen presentando durante el
proceso de limpieza de los cilindros
Keywords: Rotograbado, ingeniería concurrente.
INTRODUCCIÓN
FLEXA fue fundada en 1975 por el
grupo Carvajal, como respuesta a la
necesidad
de
protección
y
preservación adecuada de productos
de consumo masivo, durante su
distribución y permanencia en el
punto de venta, productos tales como
jugos de frutas, galletas, refrescos,
derivados
lácteos,
salsas,
farmacéuticos, jabones y artículos
para el aseo personal y para el
cuidado del hogar. Estos empaques
se forman a partir de laminados
fabricados con diferentes materiales
tales
como
aluminio,
papel,
polietileno, polipropileno biorientado y
147
ocurren mientras el cilindro se
encuentra girando, lo cual representa
un alto riesgo para el operario, debido
a que si se descuida, la maquina
tiende a halarlo y puede quedar
atrapado en su interior. Este proceso
se realiza repetitivamente durante
toda la jornada, lo cual representa
una notable preocupación para la
empresa, debido a que antes de
finalizar la jornada laboral, los
operarios ya se encuentran fatigados
y no van a laborar igual que cuando
empezaron el turno; esto se puede
ver reflejado al final de la producción,
ya que si el proceso de limpieza no
se realiza correctamente, el producto
final derivado del proceso de
rotograbado, puede quedar con
apariencia “pálida” y con velos.
otros plásticos de mediana y alta
barrera de protección.
FLEXA cuenta con líneas de
producción automatizadas, las cuales
permiten realizar producciones en
serie y ser más competitivos en el
mercado. Algunas áreas de la
empresa
no
cuenta
con
las
suficientes características técnicas
que se requieren para garantizar la
integridad física del personal, lo cual
implica que los operarios realicen
muchas
labores
manualmente,
movimientos repetitivos que afectan
la salud, como por ejemplo en el área
de cilindros. Los problemas que se
generan en el área de cilindros,
deben resolverse para prevenir los
accidentes laborales y garantizar un
excelente resultado en la producción.
Adicionalmente, se debe tener en
cuenta que este proceso de limpieza,
requiere de una gran aplicación de
fuerza física por parte del operario
para lograr una total homogeneidad
en el acabado, lo que ocasiona
dolores lumbares y dolor en dedos y
manos.
En la figura 1 se observa las posturas
inadecuadas que adapta el operario
para realizar un buena limpieza de los
cilindros de rotograbado
RESULTADOS OBTENIDOS DEL
ESTUDIO DEL PROCESO DE
LIMPIEZA DE CILINDROS
UTILIZADOS EN EL
ROTOGRABADO
Los cilindros que se manejan en la
planta de FLEXA, tienen una
circunferencia que va desde 450 a
800 mm; su longitud varía entre 850,
1100 y 1370mm, dependiendo del
diseño que se desee realizar.
Figura1. Posición para brillar los
cilindros
El proceso de limpieza de los
cilindros implica un alto riesgo para el
operario encargado, ya que este debe
introducir el cilindro en una máquina
que lo hace girar a una velocidad
constante, poniendo en riesgo su
integridad; El operario debe realizar
una serie de operaciones de limpieza,
para lograr un excelente acabado en
los cilindros. Todas las operaciones
148
En la figura 2, representa el diagrama
de flujo de todo el proceso de
limpieza.
Identificación de las necesidades
Para la obtención de las necesidades,
se partió del criterio de todas las
personas involucradas en el proceso
de limpieza de cilindros, operarios,
personal
de
mantenimiento
e
ingenieros de planta. Estas personas,
en
una
entrevista
personal,
manifestaron sus necesidades e
inconvenientes con el proceso, las
cuales se volvieron a reescribir para
tener en cuenta los aspectos que
debe cumplir la herramienta.
Figura2. Diagrama de flujo-proceso
de limpieza
La tabla 1, muestra las principales
necesidades identificadas en el
proceso de limpieza de cilindros.
Tabla1.
Identificación
de
las
necesidades
No
.
METODO DE INGENIERIA
CONCURRENTE.
149
1
“Toca hacer
mucha
presión para
que el cilindro
quede bien”
2
“En la brillada
es donde más
sudo”
3
“El proceso no
es que sea
muy
demorado,
pero si son
muchos
pasos”
La herramienta
no requiere de
esfuerzos
físicos altos por
parte
del
operario.
No se requiere
de
esfuerzos
altos para brillar
los cilindros
La herramienta
trabaja
de
forma rápida.
4
5
6
7
8
9
10
11
“Esa brillada La herramienta
es a ojo y al proporciona un
cálculo”
alto nivel de
confianza
al
usuario
en
cuanto
al
resultado.
“Como pongo La herramienta
las manos, así garantiza
las
muevo homogeneidad
para
que en la limpieza
quede
del cilindro.
parejito”
“
Lo
más La herramienta
complicado es brilla con mayor
la brillada, el facilidad.
resto lo hago
con
una
mano”
“ No podemos La herramienta
utilizar
es
tampoco
económicament
tecnología de e asequible
punta
para
realizar este
proceso,
porque
eso
nos cuesta”
“La
La herramienta
herramienta
es
de
fácil
debe ser fácil manejo.
de manejar”
“La
La herramienta
herramienta
garantiza
la
debe ejercer presión
una
presión necesaria para
de casi 15 lb.” el proceso de
brillado.
“ Que sea La herramienta
estética
y es estética
atractiva”
“
La La herramienta
herramienta
se adapta para
debe
servir las
diferentes
12
13
14
15
16
150
para todas las
dimensiones
de cilindros de
la empresa”
“ Los paños
se
deben
poder cambiar
fácil”
“ Debe ser
una
herramienta
que no solo
se limite a una
maquina”
“ Que no vaya
a ser que para
hacerle
mantenimient
o, requiera de
una semana y
de
un
especialista”
“
La
herramienta
debe ser fácil
de instalar”
“Me da miedo
resbalarme
cuando estoy
brillando
el
cilindro”
17
“ No puede
ser
tan
costosa”
18
“ Que tenga el
tamaño
apropiado”
19
“ Que sea
amigable con
el
medio
dimensiones de
cilindros.
La herramienta
es
de
fácil
mantenimiento.
La herramienta
se
puede
adaptar
en
otras máquinascanoas.
La herramienta
es
de
fácil
mantenimiento.
La herramienta
es
de
fácil
instalación.
La herramienta
no requiere de
esfuerzos
físicos altos por
parte
del
operario
para
brillar el cilindro
La herramienta
será
económicament
e viable
La herramienta
será
de
un
tamaño acorde
a la maquina
Sera diseñada
con materiales
amigables
al
20
ambiente”
“
Que
se
pueda
alimentar a la
red
de
la
planta”
Los sub problemas que surgen a raíz
de diseñar una herramienta que
realiza el proceso de limpieza de los
cilindros utilizados en el rotograbado
antes del proceso de cromado, son:
medio ambiente
Funcionamiento
con
red
eléctrica de la
planta.
 Sistema de brillado
 Sistema de limpieza profunda (
Detergente)
 Sistema desengrasante (Agua
jabón)
 Aplicación
de
insumos
(líquidos, brilla metal)
 Medición de la fuerza de
brillado
 Instrumento para brillar
 Tecnología a utilizar
Después
de
identificar
las
necesidades del cliente,
se
encontraron
las
métricas
para
relacionarlas con las necesidades y
así obtener los requerimientos del
diseño.
Una vez se encontraron los
requerimientos, se realizó la matriz
QFD,(Quality Function Deployment),
con el fin de identificar cuáles eran
las métricas más importantes a tener
en cuenta en el diseño.
Después se procedió realizar una
combinación de conceptos que da
como resultado una serie de
soluciones posibles
El resultado obtenido con el método
QFD, revela que los aspectos más
relevantes para tener en cuenta en el
diseño son: la herramienta no
requiere de esfuerzos físicos altos por
parte del operario y la seguridad en el
resultado, esto significa que el
operario debe trabajar en forma
segura y sencilla y el resultado tiene
que ser exitoso. El operario no debe
desgastarse físicamente para obtener
excelentes resultados.
Cada una de las posibles soluciones,
se calificaron en unas rigurosamente
en una matriz, frente a los
requerimientos del cliente y un
porcentaje de importancia establecido
anteriormente.
La
combinación
de
conceptos
seleccionada, corresponde a la
solución D, figura 3.
Figura 3. Solución Seleccionada
GENERACIÓN DE CONCEPTOS
Se realizó una descomposición
funcional del sistema, con el fin de
dividirlo en subproblemas más
simples.
151
debe aplicar estará determinada por
la alimentación en la línea neumática
También se realizó un prueba
experimental con los operarios
encargados del proceso de limpieza,
donde se determinó que la fuerza que
se debe ejercer sobre el cilindro de
rotograbado para que brille bien la
superficie, es de aproximadamente
49,2 lbf.
Esta solución, se enfoca en el
subproceso crítico de la limpieza, en
el brillado. Este diseño consta de un
cilindro neumático sin vástago, que
está ubicado a lo largo de toda la
máquina; este cilindro tiene una
carrera de 1400 mm y un diámetro de
embolo de 25mm. Como este cilindro
no tiene vástago, el embolo interno,
va sujeto a un carro externo en la
parte superior del cilindro, ósea que
lo que se desplaza externamente, es
el carro externo.
En la tabla2, se puede observar cada
uno de los elementos que componen
el diseño de la solución seleccionada
y su respectivo costo.
Tabla 2. Costo de elementos y
materiales
Elemento
PLC
Conector
NECC-L2G24
Conector
NECC-L2G4
Unidad de
indicación y
control (HMI)
Unidad
alimentadora
de 24 V
Actuador
lineal sin
vástago
Cilindro de
doble efecto
Unidad guía
Sensor
magnético de
proximidad
Fijación para
Sobre el carro externo, se sujeta otro
cilindro neumático pero con vástago;
este segundo actuador, tiene una
carrera de 200mm y un diámetro de
embolo de 25mm.
Sujeto al vástago, ira una PAD
circular de 7 pulgadas de diámetro,
con el cual se brillara el cilindro de
rotograbado.
Después
de
hacer
una
retroalimentación con el personal de
mantenimiento y con ingenieros
especializados en el área de
neumática, se tomó la decisión que la
herramienta no llevaría un sensor de
fuerza, sino que la fuerza que se
152
Cant.
1
1
Valor total
707.822
54.509
1
11.680
1
1.782.025
1
577.280
1
1.160.191
1
253.794
1
7
1.049.538
648.226
1
14.418
S
Unidad de
mantenimiento
Válvula de
estrangulación
y antirretorno
Racor rápido
QS
Racor rápido
QSL
Electroválvula
5/2
Electroválvula
5/3
Bobina
magnética
Racor rápido
en T
Silenciador
Tubo plástico
Regulador de
presión
Carril para
herramienta
+soladura
Accionado
PE.
XCSDMR5902
Carcasa
herramienta
más soldadura
PAD- felpa7``
Disco para
felpa
TOTAL
1
237.313
4
168.465
3
25.866
6
74.687
1
406.308
1
484.325
4
219.031
1
19.472
4
20 m
2
61.396
80.934
191.274
1
1.541.000
1
232.000
1
87.700
1
1
19.900
60.000
CONCLUSIONES
 El mayor beneficio para la
empresa EMPAQUES FLEXA
con llevar a cabo este
proyecto,
es
no
verse
involucrado en un futuro con
alguna
indemnización,
remuneración o incapacidad
de sus empleados a causa de
lesiones en el proceso de
limpieza de cilindros utilizados
en el rotograbado. Todo lo que
le pase a los trabajadores
dentro de la empresa, es
responsabilidad de FLEXA; por
esta razón, FLEXA debe velar
por que las condiciones de
trabajo de cada uno de los
empleados sean óptimas y
seguras.
 La inversión que debe realizar
la
empresa
EMPAQUES
FLEXA para llevar a cabo este
proyecto
es
de
aproximadamente
$10.169.154;
considerablemente baja, si se
tiene en cuenta que se está
mejorando notablemente las
condiciones de trabajo de los
10.169.154
En la figura 4, se muestra el diseño
de la herramienta ya ensamblado en
la maquina canoa.
Figura 4. Ensamble de herramienta
automática.
153
hace posible que se tengan en
cuenta muchos factores debido
a la socialización y relación
multidisciplinaria que se va
desarrollando a lo largo del
proyecto.
Esto
permite
optimizar los recursos, reducir
los tiempos de diseño y los
costos de desarrollo del
proyecto.
empleados y la excelente
tecnología
que
se
está
utilizando para llevar a cabo
este proyecto. Aunque no es
posible estimar el tiempo de
recuperación de la inversión,
se está previendo que en un
futuro la empresa tenga que
indemnizar a alguno de los
operarios
encargados
del
proceso de limpieza de los
cilindros de rotograbado.
 La herramienta automática,
garantizara una producción
homogénea
que
se
caracterizará por la precisión
en el proceso; esto hace que
disminuyan los desperdicios en
la empresa.
 Aunque el proceso de limpieza
de cilindros de rotograbado,
abarca operaciones como los
son el brillado, la aplicación de
detergente,
enjuague
y
secado; en este proyecto se
está dando solución
al
principal problema que pone
en riesgo la salud de los
operarios encargados de esta
labor, el brillado.
REFERENCIAS
 Automatización, ¿Que es un
sistema automatizado? [En
línea]. [Consultado el 6 de
noviembre
de
2012];
Disponible
en
internet:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/w
ebcentro/automatica/WebCQM
H1/PAGINA%20PRINCIPAL/A
utomatizacion/Automatizacion.
htm.
 Con la implementación de la
herramienta diseñada en este
proyecto, se disminuye la
intervención del operario a lo
largo de todo el proceso de
limpieza de cilindros. Entre
menor sea la intervención del
operario en un proceso, más
fácil de estandarizar el mismo,
menor es el riesgo al que está
expuesto y mayor es la
probabilidad
de
que
el
resultado va a ser exitoso.
 BOLTON,
William.
Mecatrónica,
sistemas
de
control electrónico en la
ingeniería
mecánica
y
eléctrica.
Cuarta
edición,
Alfaomega 2012. 538 p.
 La aplicación del método de
ingeniería concurrente durante
el desarrollo de este proyecto,
154
 BERNAL,
Luis.
Quality
Function Deployment (QFD)
.QFD para servicios y manual
[en línea]. Marzo de 2009.
[Consultado el 4 de febrero de
2013]. Disponible en internet:
http://www.in4in.net/fileadmin/u
ser_upload/Downloads/Guia_Q
FD_Servicios.pdf
Responsabilidad
Social.
[Consultado el 6 de noviembre
de 2012]. Disponible en
internet:
http://www.eflexa.co/inicio.html
.
 GUILLEN,
Antonio.
Introducción a la neumática.
Editorial Macocombo 1993.
156 p.
 CABRERA, Ana María. Guía
de atención integral de salud
ocupacional basada en la
evidencia para Dolor Lumbar
[en línea]; Bogotá, Diciembre
de
2006,
Página
12
[consultado 13 de noviembre
de 2012] Disponible en internet
en:
http://gavilan.uis.edu.co/~taraz
ona/docencia/asignatura1/pdfs/
glumbar.pdf
 KARL T. ULRICH, Steven D.
Eppinger. Diseño y desarrollo
de
productos,
enfoque
multidisciplinario. Mc Graw Hill,
tercera edición. 256 p.
 Responsabilidad
social
empresarial de las pymes,
Comisión
Europea;
[Consultado
el
13
de
noviembre
de
2012];
Disponible
en
internet:
www.csr-in-smes.eu.
 FESTO [en línea]. Actuadores
neumáticos,
sensores,
válvulas, preparación de aire
comprimido y otros equipos
neumáticos [consultado el 26
de marzo de 2013]. Disponible
en
internet:
http://www.festo.com/cat/esco_co/products
 SÁNCHEZ MUÑOS, Gustavo.
El huecograbado en rotativa o
rotograbado
[en
línea].
[Consultado el 20 de diciembre
de 2012]. Disponible en
internet:
http://gusgsm.com/huecograba
do_rotativa.
 FLEXA, Envases para el
mundo [En línea]. Colombia.
155