universidad nacional autónoma de méxico facultad de estudios

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES
CUAUTITLÁN
“EL DISCO COMPACTO Y SU TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN”
TRABAJO PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
CÉSAR MIGUEL HERNÁNDEZ ROSAS
ASESOR: ING. NICOLÁS CALVA TAPIA
CUAUTITLÁN IZCALLI, ESTADO DE MÉXICO
2008
Agradecimientos.
A mi familia, por todo su apoyo y enseñanzas...
A mis profesores, por su tiempo y dedicación...
A la vida, por todas las sorpresas...
Índice.
1
Introducción.
4
1.1 El Disco Compacto.
7
1.2 Sistemas de Control y Servomecanismos.
25
2
Descripción del Desempeño Profesional.
30
2.1 Producción en Serie del Disco Compacto
32
3
Análisis y discusión.
80
4
Recomendaciones.
85
5
Conclusiones.
87
6
Referencias Bibliográficas.
90
Apéndice I. Especificaciones del Disco Compacto.
92
1 - Introducción.
Desde su aparición
en los años 80, el disco compacto [ Compact Disc (CD) ] o
simplemente “CD”, ha sido uno de los productos electrónicos más exitosos de nuestro
tiempo. La versatilidad y prestaciones del CD, han originado un rápido desarrollo de su
tecnología que ha derivado en numerosas aplicaciones que van desde la música digital, al
almacenamiento de datos, gráficos y video.
El CD ha influenciado muchos aspectos de nuestra cultura y se ha vuelto un icono de lo
que podríamos llamar la “Era Digital” y aunque ha comenzado a ser desplazado por otros
medios como el disco versátil digital o DVD, las memorias de almacenamiento masivo:
Compact Flash, Secure Digital card, USB drive, Multimedia Card, Memory Stick, etc., el
CD tiene asegurada su permanencia en nuestro entorno por un largo tiempo.
Ya sea la última grabación del artista de moda, una enciclopedia temática completa, el
video juego de más acción o la grabación ilegal o “pirata” de la película más taquillera de
la temporada, el CD está presente en nuestros hogares y en numerosos aspectos de nuestra
vida diaria sin embargo, difícilmente imaginamos todo lo que existe detrás de este
“simple” disco de plástico.
La música y las imágenes fijas o en movimiento son fenómenos muy complejos y están
llenos de información. Para almacenar toda esa información se requiere un sistema que
pueda manejar de manera rápida y confiable enormes cantidades de datos, por lo que a
pesar de su sencilla apariencia, el CD es un elemento complejo, tecnológicamente
avanzado.
En el funcionamiento y fabricación del CD, convergen diversas disciplinas entre las que
destacan la óptica, la acústica, la electrónica digital, la química, la mecánica y el control,
4
por lo que el reproductor de Discos Compactos es probablemente el equipo más
sofisticado y electrónicamente complejo que ha alcanzado el mercado de consumo.
Como parte de su desempeño profesional, su servidor trabajó por varios años para una
planta de replicación masiva de medios, donde tuve la oportunidad de participar en
múltiples proyectos como: la instalación de maquinaria nueva para procesos de
elaboración de glass masters, recubrimiento, metalizado, electroformado, inyección de
plástico, impresión, ensamble automático, empaque automático y certificación de calidad,
entre otros.
Además de los diferentes proyectos, fui
responsable de la administración del
mantenimiento de la planta, lo cual me permitió estar en contacto directo con todos los
equipos, áreas y procesos involucrados en la fabricación del CD.
El proceso de fabricación en serie del CD es muy complejo y demandante. Como
responsable técnico tuve que hacer uso de todos mis conocimientos y experiencia
acumulados, además de estar en constante preparación para poder enfrentar los retos de
esta tecnología y cumplir con la expectativa de mi posición.
Es por todo lo anterior, que he
decidido
realizar esta Memoria de Desempeño
Profesional sobre mis experiencias con el CD, como una manera de retribuir a esta
maravilla de ingeniería un poco de todas las satisfacciones que como profesionista y
persona me ha dado.
A lo largo de esta Memoria, presentaré conceptos fundamentales no documentados
sobre la operación del CD y los diferentes procesos que intervienen en su
fabricación, haciendo énfasis en las áreas más relevantes y las actividades realizadas.
5
Las nuevas tecnologías para el almacenamiento de información en medios ópticos
como el DVD y el Blu-Ray son el resultado de la evolución de la tecnología del CD
por lo que su principio de operación y los procesos asociados a su fabricación son
muy similares.
Los conceptos mencionados se incluyen con la intención de facilitar la descripción y
la justificación de las actividades realizadas, así como de las aportaciones a los
diferentes procesos durante el ejercicio de mi práctica profesional en esta empresa.
6
1.1 - El Disco Compacto.
Muchos métodos para almacenar audio han evolucionado desde la primera grabación en
1877, sin embargo, antes del CD estos métodos grababan y reproducían
señales
analógicas utilizando un elemento mecánico o eléctrico en contacto con el medio
destinado a almacenar la señal.
En los discos LP, el audio se graba de manera analógica como un surco físico en el
medio de grabación, donde las variaciones en la amplitud lado a lado del surco son
proporcionales a la señal de audio original, por lo que el surco es la representación
analógica de la onda de sonido.
Para reproducir la información, una aguja corre sobre el surco y un cristal piezoeléctrico
contenido en un cartucho fonográfico convierte los movimientos mecánicos de la aguja en
una señal eléctrica que posteriormente es amplificada y utilizada para alimentar una o más
bocinas.
Para la grabación en medios magnéticos, el principio de operación es el mismo, sin
embargo en vez de grabar el audio como ondulaciones de un surco, la señal de audio
analógica es grabada por medio de una cabeza electromagnética cuyo campo varía en
función de la señal
y altera la orientación magnética de las partículas de ferrita
contenidas en el medio magnético a utilizar.
En el CD, el audio se almacena de manera digital en forma de códigos formados por
series de “unos”y “ceros” siendo estos, la representación digital de la señal de audio
original. Para reproducir esta información, se hace girar el CD y se utiliza un haz de luz
láser para explorar su superficie.
7
La información recuperada por el láser, se utiliza para reconstruir la señal de audio
original. Como nada toca la superficie del CD a excepción del haz de luz, no existe
desgaste con su uso repetido, a diferencia de los discos LP y las cintas magnéticas donde
si hay desgaste eventual del medio, ocasionado por la fricción con la aguja o la cabeza
magnética.
El CD está diseñado para tener un mejor desempeño y ser más robusto que otros medios
de grabación. Sus dimensiones son menores (120 milímetros de diámetro y 1.2 milímetros
de espesor), su capacidad de almacenamiento es mayor y además de audio digital,
puede almacenar cualquier tipo de información digital en cuyo caso se denomina CD
Rom [ Read only memory (Rom) ]. Su respuesta en frecuencia es plana a lo largo de
todo el espectro de audio, su relación señal ruido es mayor y los mecanismos asociados a
su reproducción son más estables, menos complejos y tienen una vida útil mayor.
A diferencia de otros medios, en el CD la superficie que contiene la información digital
se encuentra en la parte interna del disco, por lo que los efectos de la contaminación por
suciedad o daño a la superficie del disco son mínimos, debido a que el CD cuenta con un
sistema de corrección de errores y procesamiento digital además de otras técnicas
utilizadas para mejorar la confiabilidad de los datos almacenados.
El CD está formado por un substrato de plástico transparente, generalmente
policarbonato, donde se encuentra grabada la información digital.
La información “impresa” en el substrato, está cubierta por una capa muy fina de oro o
aluminio que aparte de protegerla, sirve como medio reflectivo para su reproducción por
medio de un haz de luz láser. La capa de aluminio a su vez, está protegida por un barniz
especial de gran resistencia para evitar su oxidación y deterioro además, de servir como
base para la impresión de imágenes para la identificación o decoración del disco.
8
Figura 1.1 Construcción física y dimensiones del Disco Compacto.
La base de la tecnología del CD está en el audio digital. Un sistema de audio digital
convierte una señal de audio analógica en códigos binarios, los almacena, los procesa o
transmite y después, los convierte de nuevo en una señal de audio analógica. El CD
almacena estos códigos sobre su superficie en forma de una espiral continua de pequeñas
variaciones denominadas “pits” y “lands”, donde los pits son depresiones microscópicas
en la superficie del disco y los lands son superficies reflectivas planas.
9
Figura 1.2 Imagen de la superficie de un Disco Compacto utilizando un microscopio electrónico.
Para obtener la información digital que será utilizada en el CD, la señal de audio
analógica original debe convertirse en una señal de audio digital con un formato
adecuado. Existen muchos métodos para codificar la información de manera digital, entre
los que destaca la modulación por código de pulso o PCM [ Pulse Code Modulation
(PCM) ], la cual utiliza el CD.
PCM es un proceso de modulación, en el cual una señal analógica es representada de
manera digital por medio de código binario. Para ello, deben tomarse muestras de la
señal a intervalos de tiempo muy precisos. Este proceso se denomina muestreo. Para el
CD, la frecuencia a la que se toman las muestras es 44.1 Khz y de acuerdo al teorema de
Nyquist esto nos da una respuesta en frecuencia de 0 a 22.05 Khz. Lo anterior cubre
perfectamente el rango de audición humano, por lo que las señales de audio procesadas
digitalmente no pierden frecuencias que forman parte del audio original por el proceso de
muestreo.
10
Una vez completado el proceso de muestreo, el siguiente paso es asignar un valor a cada
una de las muestras en función de su amplitud. Este proceso se denomina cuantización.
Para asignar un valor adecuado a cada muestra, el CD utiliza una palabra de 16 bits lo
cual permite 65,536 valores diferentes. El tamaño de la palabra determina la resolución
del sistema de digitalización, sin embargo, siempre existirá un pequeño error debido a que
el número relativamente limitado de valores en la palabra digital nunca corresponderá
completamente al número infinito de valores en una señal analógica.
Cuando la señal de audio es muestreada, los valores analógicos de las muestras forman
una onda modulada en amplitud. La cuantización considera la amplitud instantánea de
cada muestra y genera una palabra binaria para su procesamiento posterior. El esquema de
modulación PCM crea a partir de la señal de audio original, el código binario requerido
por el CD de manera eficiente.
Figura 1.3 Modulación por Código de Pulso ( PCM)
11
La corrección de errores es una de las grandes ventajas de un sistema de almacenamiento
digital como lo es el CD. En los medios de grabación analógicos, la corrección de errores
no es posible y cualquier defecto o contaminación en el medio de grabación origina
defectos audibles durante la reproducción.
El CD utiliza el método CIRC [ Cross Interleave Reed-Solomon Code (CIRC) ] para
protección contra errores. Este método utiliza verificación de paridad
para
corregir
errores aleatorios y entrelazado cruzado ( cross interleaving ) para corregir errores
graves.
Figura 1.4 Corrección de errores en el Disco Compacto
12
Aunque la corrección de errores masivos es posible, su implementación no resulta
práctica, por lo que en los sistemas de audio digital comunes, algunos errores exceden la
capacidad de los esquemas de corrección. Estos errores son marcados por los circuitos de
corrección de errores y son enviados a otros circuitos encargados de su tratamiento. Si
este tipo de errores no se procesa resultarían en defectos audibles.
Para tratar estos errores, el CD utiliza dos decodificadores CIRC: C1 y C2. El
decodificador C1 corrige errores menores y genera códigos de error para los errores que
no puede corregir. El decodificador C2 corrige errores mayores ayudado por los códigos
de error generados por el decodificador C1.
Los errores que el decodificador C2 no puede corregir son marcados como incorregibles y
el sistema de reproducción del CD utiliza los códigos de error generados para decidir si
utiliza los datos tal como están, utiliza técnicas de interpolación o suprime el audio.
Los códigos de corrección de errores del CD pueden contarse sobre un periodo de tiempo
definido para obtener una medida de la calidad del Disco Compacto.
Del decodificador C1 se derivan tres señales: E11 que señala un defecto en un bloque de
datos, E21 que señala dos defectos en un bloque de datos y E31 que señala más de tres
defectos en un bloque de datos. La suma de estas tres señales genera la tasa de errores de
bloque o BLER [ Block Error Rate (BLER) ]. El BLER nos indica el número de
bloques por segundo que contienen errores procesados por el decodificador C1.
Del decodificador C2 se derivan dos señales: E22 que señala dos defectos en un bloque
de datos y E32 que señala más de dos defectos en un bloque de datos. Los errores E22
por lo general no generan defectos audibles y en ocasiones son permitidos. Los errores
E32 no pueden corregirse y pueden generar defectos audibles por lo que no son
permitidos.
13
Las señales E22 y E32 forman un conteo de errores denominado BST [ Burst error count
(BST) ]. Este indicador mide el número de errores de bloque consecutivos que exceden el
umbral permitido.
En un CD de buena calidad, los valores de BLER y BST no deben exceder 220 y 0
respectivamente!.
En caso de exceder las especificaciones anteriores, la información de audio digital
contenida en el CD presentará una cantidad considerable de errores ocasionando defectos
audibles durante su reproducción.
En el caso de un CD Rom, la información digital original será irrecuperable, ocasionando
pérdida de datos ya que a diferencia del audio, los datos no pueden interpolarse para
minimizar los efectos de los errores.
En el CD, la información
digital se separa
en bloques
para
facilitar
su
almacenamiento. Cada bloque contiene una palabra de sincronización de 27 bits, 8 bits de
subcódigo ( subcode ), 192 bits de datos y 64 bits de paridad.
Los bloques se construyen cuando el CD es codificado y este proceso incluye etapas
adicionales como modulación EFM y adición de bits especiales llamados bits de fusión
( merging bits ).
El proceso de codificación del CD comienza con el muestreo del audio. Seis periodos de
muestreo de audio PCM de 32 bits (16 bits del canal izquierdo y 16 bits del canal
derecho) son agrupados en un bloque con el canal izquierdo precediendo al derecho.
Cada periodo de muestreo de 32 bits es dividido para formar 4 símbolos de audio de 8
bits.
14
Figura 1.5 BLER, BST y otras señales de diagnóstico en el CD
15
Después de agrupar las muestras de audio en símbolos, se efectúa la codificación para
corrección de errores utilizando CIRC.
Una vez realizada la codificación CIRC, se añade a cada bloque un símbolo de subcódigo
de 8 bits. Los bits de este símbolo se denominan P,Q R,S,T,U,V y W, y son conocidos
generalmente como el código PQ. El CD agrupa los símbolos de subcódigo
de
98
bloques consecutivos, para formar un bloque de subcódigo ( subcode block ), con 8
palabras de 98 bits.
El CD utiliza la información de los símbolos de subcódigo para almacenar información
adicional tal como el inicio y el fin del disco, el número de pistas ( tracks ) en el
disco, el inicio, el fin y la duración de cada pista, el nombre de la selección en cada pista,
texto, imágenes e información de control para los reproductores de Discos Compactos.
Figura 1.6 CD Frame, antes de la modulación EFM
Al finalizar la adición de la información de subcódigo, la cadena de bits resultante
es modulada utilizando modulación 8 a 14 o EFM [ Eight to Fourteen Modulation
(EFM) ].
Como se mencionó anteriormente, el CD almacena los bloques sobre su superficie en
forma de una espiral continua de pequeñas variaciones denominadas “pits” y “lands” y
el utilizar símbolos de 8 bits sería poco eficiente, debido a la gran cantidad de pits
requeridos por las numerosas transiciones de 0 a 1 en los bits de cada símbolo.
16
Para conseguir una mayor densidad de almacenamiento en el CD, los bloques de datos de
8 bits son convertidos a bloques de datos de 14 bits conocidos como bits de canal
( channel bits ), para asegurar un mínimo de transiciones de 0 a 1 en los bits de cada
símbolo.
En la modulación EFM, se utiliza una tabla o diccionario ROM para asignar a cada
palabra de 8 bits una palabra arbitraria, no ambigua de 14 bits seleccionada para su patrón
especifico de bits. Adicionalmente, la modulación EFM proporciona una mayor
protección contra errores ya que con palabras de 14 bits pueden seleccionarse hasta
16384 patrones de bits específicos, a diferencia de los símbolos de 8 bits que solo tienen
256 combinaciones diferentes y pueden confundirse con facilidad ya que sus patrones de
bits son muy similares.
Figura 1.7 Fragmento de la tabla ROM utilizada en la modulación EFM
Una vez realizada la modulación EFM, los bloques consecutivos de 14 bits son
conectados por 3 bits denominados bits de fusión ( merging bits ). Estos bits se utilizan
para evitar errores de codificación, para ayudar en la sincronización y suprimir
componentes de baja frecuencia en la señal resultante.
17
Figura 1.8 Proceso de codificación de los datos en el Disco Compacto
18
Para separar bloques de datos consecutivos, se utiliza un patrón especial de
sincronización. Este patrón es necesario para asegurar que la señal EFM generada tenga
su propia información de sincronización (self clocking) para la recuperación de la
información original, sin utilizar una señal de reloj externa.
Como resultado del proceso de codificación de la información, se obtiene una señal
denominada EFM formada por una cadena continua de bits de canal. Esta señal se utiliza
para modular la intensidad de un haz de luz láser que se encargará de generar pits y lands
con una longitud mínima de 3 bits de canal y una longitud máxima de 11 bits de canal
sobre la superficie de un substrato en rotación que dará origen al CD.
La velocidad a la que se graba la cadena de bits en la superficie del CD se denomina CLV
[ Constant Linear Velocity (CLV) ] y la separación entre las diversas pistas de la espiral
de pits y lands se denomina TP [ Track Pitch (TP) ].
Considerando T como el valor de un periodo de sincronización, el pit 3T es la señal de
mayor frecuencia (720 Khz) y el pit 11T es la señal de menor frecuencia (196 Khz). La
longitud física de los pits varía de 0.833 a 3.56 micrones y la información digital del
CD está contenida físicamente en la variación de la longitud de los pits.
Los
patrones de bits obtenidos de la modulación EFM determinan la longitud física de
los pits.
Los pits y lands contenidos en la superficie del CD no son 1’s y 0’s digitales. Las
transiciones ya sea al inicio o fin de cada pit son un 1 digital y todos los espacios
dentro de los pits y lands son 0 digital.
Este método es mucho más eficiente para almacenar información
que codificar
directamente los bits utilizando pits.
19
Figura 1.9 Las transiciones de los pits representan 1’s digitales.
Los pits en la superficie del CD son la representación física de la información de audio o
datos original, después de un complicado proceso de codificación. Para recuperar la
información original contenida en el CD, el reproductor de Discos Compactos debe leer la
superficie del disco, extraer los bloques de datos, demodular los datos, desentrelazarlos,
corregir errores y extraer los datos de los bloques.
En el proceso de reproducción del CD, para recuperar la información, un haz de luz láser
es enfocado sobre la espiral continua de pits y lands en la superficie del CD.
Figura 1.10 Láser enfocado sobre la superficie del CD.
20
Como la superficie del CD está metalizada con una capa muy fina de aluminio, la luz del
haz láser es reflejada por las superficies planas o lands, sin embargo, cuando el haz de luz
incide sobre los pits, la reflexión del haz es cancelada por interferencia destructiva ya que
la forma del pit crea una diferencia de fase entre la parte del haz reflejada por el pit y la
parte reflejada por la superficie plana que lo rodea.
En esencia, los pits dispersan el haz de luz láser formando un patrón de difracción,
eliminando prácticamente la reflexión de la luz.
Figura 1.11 Interferencia destructiva causada por la forma de los pits.
Las reflexiones y cancelaciones sucesivas del haz de luz láser ocasionadas por la
distribución de pits y lands del CD en rotación, generan una señal de luz láser de
intensidad variable.
Figura 1.12 Señal RF obtenida a partir de una serie de pits.
21
Un sistema que utiliza un fotodiodo y mecanismos de enfoque y seguimiento (Tracking)
denominado Optical Pickup procesa esta señal y genera otra de voltaje variable que se
asemeja a una señal senoidal de alta frecuencia denominada señal EFM o señal de RF
debido a su alta frecuencia.
Una colección de señales de RF correspondiente a varios periodos forman una señal
llamada “Patrón de Ojos” o “Señal de Diamante” ( Eye Pattern ). Los diversos periodos
de las ondas senoidales que la conforman corresponden a los periodos de tiempo
requeridos para leer los diferentes pits ( 3T, 4T, 5T, 6T, 7T, 8T, 9T, 10T, 11T ). La señal
de diamante es un equivalente eléctrico de los datos almacenados en el CD y la
información digital se recupera al determinar los cruces por cero de la señal respecto a los
patrones de tiempo correspondientes a los diferentes pits.
Figura 1.13 Señal “Eye Pattern” obtenida por el Optical PickUp.
Los cruces por cero de la señal de diamante contienen toda la información de la señal
EFM utilizada en la codificación original de los datos en el CD. Aunque la señal EFM
obtenida está compuesta de varias ondas senoidales, esta es completamente digital y es el
ancho de los periodos de la onda lo que contiene la información.
22
Las transiciones de la onda se utilizan para fijar la fase de un reloj separador con periodo
T. Este reloj identifica el número de periodos T entre transiciones y por lo tanto distingue
los símbolos utilizados en la codificación original.
La primera información extraída de la señal EFM es la palabra de sincronización. A partir
de esta, el inicio de cada bloque de datos puede identificarse y se efectúa la demodulación
EFM para convertir las palabras de 14 bits a sus correspondientes símbolos de 8 bits. La
señal de datos, ahora contiene las muestras de audio, la información redundante y paridad
para la detección y corrección de errores, además de los bits de subcódigo.
Después de completarse la demodulación EFM, la información de control contenida en
el subcódigo se envía a los circuitos requeridos para su procesamiento e interpretación,
para controlar las funciones de reproducción, visualización, etc., del reproductor. El audio
entrelazado y los datos de paridad se envían al circuito de corrección de errores CIRC
para su procesamiento. Al terminar el proceso de corrección de errores, la información
correspondiente a los canales de audio izquierdo y derecho es demultiplexada y sus
respectivas muestras agrupadas en la misma secuencia y a la misma razón a la cual fueron
tomadas. Una vez completados los procesos anteriores, los datos han sido restaurados a
su estado original: muestras de audio digital de 16 bits o datos para un CD Rom.
En el caso de un CD de audio, se utilizan convertidores D/A y filtros pasa-bajos para
obtener las señales de audio analógico originales para los canales izquierdo y derecho.
Del mismo modo que en otros medios de grabación, estas señales son amplificadas y
utilizadas para alimentar un sistema de bocinas.
El audio derivado de un CD excede por mucho la calidad del audio obtenido con otro
tipo de medios, dado que la respuesta en frecuencia del CD es plana, su relación señal
ruido es mayor y virtualmente no existe saturación por nivel sin embargo, algunos
expertos en audio consideran superior el audio de los discos LP de alta fidelidad.
23
Figura 1.14 Diagrama de bloques de un reproductor de Discos Compactos.
24
1.2 - Sistemas de Control y Servomecanismos.
En los procesos de grabación y reproducción de la información en el CD, así como en
los diferentes procesos de su producción en masa, los servos y sistemas de control tienen
un papel determinante.
Sin sistemas de control sofisticados, no sería posible enfocar, mantener el enfoque o
controlar la posición del haz de luz láser sobre la espiral de pits y lands en la superficie
en rotación del CD. Del mismo modo, sin estos sistemas no sería posible controlar la
velocidad de rotación del CD durante la grabación o reproducción de los datos.
Entre las aplicaciones más comunes de los servos y sistemas de control en la fabricación
del CD podemos mencionar:
Enfoque y control de velocidad en los equipos de Masterización.
Control de flujo y temperatura en los procesos químicos de Electroformado.
Control de temperatura y humedad en Áreas Críticas.
Control de presión y desplazamiento en Máquinas de Inyección de Plástico.
Control de posición en equipos de Impresión y Ensamble Automático.
Se denomina sistema de control de procesos a un sistema de regulación automático donde
la salida es una variable tal como temperatura, flujo, presión, etc. Debido a su
versatilidad, los sistemas de control tienen una amplia aplicación en la industria.
En los sistemas de control, un controlador automático compara el valor real de la salida de
un proceso con una entrada de referencia o valor deseado, determina si existe diferencia o
error y produce una señal de control que reducirá el error a un valor despreciable. La
forma en la que el controlador automático produce la señal de control se denomina acción
de control.
25
La mayoría de los controladores industriales utilizan electricidad o algún fluido como
aceite o aire comprimido, como fuente de potencia. Los controladores también se pueden
clasificar según el tipo de potencia que utilizan en su operación como neumáticos,
hidráulicos, electrónicos, etc.
El tipo de controlador a utilizar, se determina tomando en cuenta la naturaleza del proceso
y las condiciones de operación, además de considerar factores tales como la seguridad,
costos, confiabilidad, exactitud, peso y tamaño.
Considerando las acciones de control, los controladores industriales se pueden clasificar
en:
Intermitentes o de dos posiciones (encendido-apagado)
Proporcionales
Integrales
Proporcional-Integral
Proporcional-Derivativo
Proporcional-Integral-Derivativo
Un sistema de control industrial consiste en un controlador automático, un actuador o
accionador, un proceso y un elemento de medición. El controlador detecta la señal de
error, por lo regular con una amplitud muy pequeña y la amplifica a un nivel adecuado
para su procesamiento.
El controlador por lo regular está constituido por un detector de error y un amplificador,
además de un circuito de retroalimentación amplificado que se utiliza para modificar la
señal de error, aumentando su magnitud, diferenciándola e integrándola para generar una
mejor señal de control.
26
Figura 1.15 Diagrama de bloques de un sistema de control industrial.
El actuador o accionador, es un dispositivo de potencia que genera la entrada al proceso a
controlar, de acuerdo con la señal de control producida por el controlador automático.
Existen diversos tipos de actuadores entre los que podemos mencionar: motores o
válvulas neumáticas, pistones, motores eléctricos, motores hidráulicos, solenoides, etc.
El sensor o elemento de medición es un dispositivo que convierte la variable de salida del
proceso en otra variable del tipo adecuado, como posición, presión o voltaje, que se
utiliza para comparar la salida del proceso con la señal de referencia de entrada. Este
elemento genera la señal de retroalimentación para un sistema de control de lazo cerrado.
En caso de no contar con retroalimentación, el sistema de control se denomina de lazo
abierto.
Para el control de procesos críticos, se utilizan sistemas de control de lazo cerrado ya que
sin retroalimentación sería imposible corregir desviaciones y mantener los procesos
funcionando dentro de los márgenes de operación requeridos.
27
En los procesos industriales, los tipos de controladores más utilizados son el de acción de
control de dos posiciones o de “encendido-apagado” y el controlador proporcionalintegral-derivativo.
En un sistema con un controlador de dos posiciones, el actuador tiene dos posiciones fijas
únicamente, que en la mayoría de los casos son conectado y desconectado. Este tipo de
controlador es relativamente simple y económico y por ello se utiliza en una amplia
variedad de aplicaciones como regulación de temperatura, control de flujo, control de
presión, arranque y paro de ventiladores, compresores, etc.
Estos controles por lo regular presentan una brecha diferencial o histéresis para un mejor
funcionamiento.
Figura 1.16 Diagrama de bloques de un sistema de control industrial.
El controlador proporcional-integral-derivativo se utiliza en procesos donde se requiere
un control más preciso y mayor velocidad de respuesta. Este controlador combina los
efectos de las acciones proporcional, integral y derivativa, es decir ganancia ajustable,
control de reposición o restablecimiento (salida proporcional a la señal de error) y
control de velocidad (salida proporcional a la velocidad de variación de la señal de
error).
28
Este tipo de controlador se utiliza en procesos críticos como controles de enfoque,
controles de velocidad, controles de posición, desplazamiento y servos en general.
Figura 1.17 Diagrama de bloques y comportamiento de un controlador PID ante una entrada rampa unitaria.
Se denomina servosistema, servomecanismo o simplemente servo a un sistema de control
retroalimentado en el que la salida es un elemento mecánico, ya sea para control de
posición, velocidad o aceleración.
Los servos se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y mecanismos complejos
como es el caso de máquinas herramientas automatizadas, sistemas de posicionamiento de
materiales, brazos robot, máquinas de ensamble automático, unidades de inyección para
moldeo de plástico, etc.
29
2 - Descripción del Desempeño Profesional.
Para propósitos de este apartado, consideraré los elementos más importantes que
constituyen el sistema de Disco Compacto, así como la descripción y el análisis de las
actividades más relevantes realizadas por su servidor de manera resumida, quedando
sujetas a discusión algunas de las características particulares de cada proceso.
Por tal motivo, presento en la descripción de cada etapa del proceso de fabricación del CD
mi aportación como resultado del análisis realizado en los diferentes componentes y
actividades críticas. Este análisis requirió muchas horas de trabajo en piso y se realizó
con la intención de optimizar los procesos y facilitar la toma de decisiones considerando
los resultados operativos requeridos para el proceso de fabricación del CD.
Como responsable de los diferentes proyectos, al plantear el alcance y analizar los
requerimientos fue necesario compilar y analizar una gran cantidad de información
referente a los sistemas y procesos asociados a la fabricación del CD, apoyado por la
formación y la capacidad de análisis que me proporcionó la Facultad de Estudios
Superiores Cuautitlán, en la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica.
Lo anterior me permitió darme cuenta de la importancia que tienen cada una de las
asignaturas que conforman el plan curricular de la carrera de IME. La formación recibida
me permitió coordinar y desarrollar los proyectos hasta su culminación y puesta en
marcha con los resultados esperados.
Mi participación en dichos proyectos fue una experiencia de aprendizaje invaluable, ya
que me permitió poner en práctica los conceptos aprendidos durante mi formación en la
Facultad, además de mi experiencia previa en la Industria.
30
Como resultado de la realización de dichos proyectos, adquirí una gran cantidad de
conocimiento y experiencia
en procesos tecnológicos automatizados sofisticados,
procesos productivos, administración de proyectos, costos y administración de recursos,
administración y manejo de personal, calidad y control estadístico de procesos, entre
otros.
En esta parte de la memoria, presento comentarios sobre mi participación y experiencia
en las diferentes etapas del proceso de fabricación del Disco Compacto, haciendo énfasis
en
aspectos técnicos no documentados,
generaciones de la carrera de IME.
esperando sean de interés para futuras
Desde un
punto de vista didáctico, consideré
conveniente resaltar la descripción de actividades y aportaciones, así como los conceptos
de más relevancia en cada una de las etapas que a continuación describo.
31
2.1 - Producción en Serie del Disco Compacto.
La fabricación en serie del Disco Compacto involucra una serie de actividades y procesos
tecnológicos en los que la Ingeniería Mecánica Eléctrica tiene un gran campo de
aplicación.
A continuación, describiré las etapas más relevantes en la fabricación del CD
(Premasterizado, Masterizado, Electroformado, Moldeo por Inyección, Impresión y
Empaque), haciendo énfasis en los aspectos más importantes de cada proceso, además
de las actividades y aportaciones realizadas como resultado de mi desempeño profesional
en esta área.
2.1.1 - Premasterizado del CD.
El proceso de fabricación del CD comienza con la recepción de los medios o “Masters”,
propiedad de los clientes con la información a producir.
Los Masters pueden recibirse en una gran variedad de medios entre los que podemos
mencionar CD’s regrabables, cintas Exabyte, Digital Audio Tape (DAT) y DVD entre
otros.
Los Masters pueden contener audio, video
o datos y debido a que todos los CD
producidos son una réplica exacta del Master original, debe realizarse una verificación de
calidad para asegurar que tengan el formato adecuado ( Tabla de contenido [ Table of
Contents (TOC) ], PQ subcódigo) y que la información referente a cada pista sea
correcta, además de detectar defectos audibles, corrupción de datos, niveles de audio
inadecuados, etc.
32
En el proceso de premasterizado, se procesa la información de subcódigo para añadir
información adicional requerida por el CD:
Título del álbum
Artista
Número de catálogo
Código UPC
Título de las pistas o tracks
Códigos de tiempo para indicar el inicio, el fin y la duración de cada track
Pausa entre tracks ( 2 segundos por lo regular )
El área de premasterizado cuenta con equipo de audio y cómputo profesional para la
reproducción y procesamiento de los Masters. Los operadores analizan cada Master con la
finalidad de asegurar que ningún Master con defectos sea procesado por el área de
Masterizado.
Entre las actividades realizadas por su
servidor en esta área, destaca la
implementación de un sistema de verificación de contenido de medios, utilizando
software de la compañía “Eclipse Data Technologies”.
El software “Eclipse Suite” consta de diferentes módulos que permiten realizar un
análisis detallado del contenido y formato de los Masters y en caso de detectar algún
error en el contenido o una falla de compatibilidad en el formato genera un reporte
detallado.
Para la implementación del sistema Eclipse se habilitaron 4 computadoras con gran
capacidad de almacenamiento utilizando discos SCSI, así como grabadores de CD
externos de la marca “Plextor” por ser los más compatibles con las especificaciones
del software.
33
Figura 2.1 Sistema de verificación de Eclipse Data Technologies.
Su servidor fue responsable de la configuración y conexión en red de los sistemas
utilizando un concentrador
de 100 Mbps, cable UTP categoría 5 y el sistema
operativo Windows NT Workstation 4.0.
Una vez configuradas las estaciones de trabajo con el sistema “Eclipse”, su servidor
se encargó de la capacitación a los operadores en la utilización del sistema y la
interpretación de los resultados de los procesos de análisis y verificación de formato
y contenido.
Para reducir el tiempo de procesamiento de los Masters y evitar errores de lectura
por defectos en los mismos, me hice cargo del enlace vía red del sistema “Eclipse”
de esta área con el equipo LBR del área de Masterizado para la transferencia en
tiempo real de las imágenes de los Masters verificados para su procesamiento.
34
Figura 2.2 Sistema de verificación de Eclipse Data Technologies.
Adicionalmente, como parte de mis actividades en esta área,
se capacitó a los
operadores en el análisis y procesamiento de discos con características especiales.
CD Enhanced
(Audio y Datos)
CD Text
(Información (Texto) adicional en el subcode)
Mixed Mode CD
(Audio y datos)
Video CD
(Video mpeg 1)
Hidden Track CD
(Pista Oculta)
Macrovision Safe Disc
(Protección contra copias)
Los discos con los formatos indicados tienen características especiales y permiten
proteger el contenido del CD contra copias, almacenar información adicional como
el título de las pistas, programas de computadora y videos en un CD de audio.
Para el procesamiento de discos con estos formatos, implementé una estación de
trabajo Macintosh con el sistema operativo Mac OS X y las herramientas de
software Roxio Toast, QuickTime y Adaptec Easy CD Creator.
35
2.1.2 - Masterizado del CD.
El proceso de Masterizado, es la parte más importante del proceso de producción de
CD’s. En este punto del proceso, se prepara el disco maestro en vidrio (Glass Master)
que sirve de base para la fabricación de los estampadores para la producción masiva de
CD’s.
Su servidor estuvo a cargo del desarrollo de este proyecto, iniciando con una
capacitación extensiva en el extranjero sobre
teoría de operación, instalación,
puesta en marcha, operación y mantenimiento de los equipos de esta área.
La instalación de los equipos requirió modificaciones al layout de la planta para
preparar un área libre de vibraciones, ya que el equipo de grabación o LBR [ Láser
Beam Recorder (LBR) ]es extremadamente sensible.
Se realizó un estudio de
vibración para determinar la ubicación del área menos susceptible a estas
perturbaciones y se instalaron soportes especiales “vibrocheck” para absorber las
vibraciones originadas por los equipos de moldeo por inyección y metalizado.
La fabricación del disco maestro requiere un ambiente libre de contaminación
además de temperatura y humedad relativa controladas. Para este proceso se instaló
una unidad manejadora de aire independiente, con humidificadores y controles
electrónicos, además de un conjunto de filtros absolutos para la implementación de
un cuarto limpio clase 100, con temperatura y humedad controladas (18 grados
centígrados y 50 % de humedad relativa) y 60 cambios totales del volumen de aire
por hora.
Un cuarto limpio clase 100 no debe tener
más de 100 partículas de 0.5 a 5
micrómetros por pie cúbico de aire por minuto.
36
Como parte de los servicios adicionales requeridos por los equipos, se instalaron
tomas de aire comprimido y agua deionizada, un sistema de extracción de vapores,
además de un alimentador de 220 Volts bifásico equipado con filtros
acondicionadores de línea y una fuente de poder ininterrumpida de 5 KVA para el
soporte de lásers y equipos críticos.
Cabe mencionar, que este proceso se realizaba originalmente en la planta de
Toronto en Canadá y el envío y recepción de los medios originales y los discos
maestros procesados era coordinado por el departamento de logística. Una vez
instalados los equipos y realizadas todas las pruebas necesarias, se liberó el área
para producción reduciendo con ello los tiempos de proceso de 5 días a solo 3 horas
por Master.
Algunas de las tareas más relevantes posteriores a la puesta en marcha de esta área
fueron el ajuste y/o reemplazo de lásers, capacitación a los operadores,
actualizaciones de software y mantenimiento Correctivo.
El proceso de Masterizado, es la parte más importante del proceso de producción de
CD’s y en el convergen diversas disciplinas, desde la electrónica y el control hasta la
mecánica y la óptica. Los conceptos presentados con anterioridad son fundamentales
para la descripción del proceso de Masterizado.
A continuación, describiré el proceso de Masterizado, haciendo énfasis en las actividades
realizadas y en la descripción y operación de la máquina LBR por ser la más compleja de
todos los equipos de la planta.
Una vez que la información ha sido premasterizada (PQ subcódigo, DDP, TOC, etc), se
graba en la superficie del disco maestro por medio de una máquina LBR, utilizando el
proceso no foto resistivo o NPR [ Non Photo Resist (NPR) ].
37
El disco maestro está formado por un substrato de vidrio de muy alta calidad sobre el que
se deposita una capa muy fina de un polímero especial. Sobre este polímero, se graba la
información correspondiente al audio o datos, dependiendo del tipo de CD a masterizar
(CD Audio o CD Rom), por medio de un rayo láser. La información queda registrada en
la misma forma que en un CD normal.
El polímero es una mezcla de un material sensible al láser de escritura (tinte) y
nitrocelulosa. Al incidir sobre el polímero, el haz láser suministra energía y el polímero
reacciona vaporizándose lo que forma una depresión en la superficie recubierta del vidrio
(Pit). El haz láser continúa grabando la información, recorriendo la superficie del vidrio
por medio de mecanismos de transporte muy precisos.
La información se escribe en “tracks” (pistas) contenidos en una espiral continua de pits
y lands donde las pistas tienen una separación constante (Track Pitch). Para conseguir lo
anterior, es necesario que el disco maestro gire a velocidad lineal constante a la vez que el
haz de escritura se desplaza en forma radial sobre la superficie del vidrio.
El disco maestro una vez grabado, se somete a un proceso de metalizado para cubrir la
superficie del mismo con una capa muy fina de plata o níquel; Posteriormente el disco
maestro metalizado, se somete a un proceso de galvanoplastía (“replicado”) para formar
el “Padre” que servirá como base para la fabricación de los estampadores.
Los
estampadores se utilizan como molde para la confección de los CD’s por medio de un
proceso de inyección de plástico (policarbonato).
El equipo para Masterizado, está formado por dos secciones básicas: Sección de Control y
Módulo de Transporte. El módulo de transporte, contiene todos los componentes ópticos,
mecánicos y neumáticos del equipo de masterizado y proporciona además el soporte para
el disco maestro durante el proceso de masterizado.
38
Figura 2.3 Sistema Masterizado fabricado por Optical Disc Corporation.
El disco maestro debe girar a velocidad lineal constante y para ello se coloca en este
módulo, sujeto a un eje giratorio ( spindle ) que flota en un cojín de aire para reducir la
fricción y la vibración originadas por la rotación del disco maestro. La rotación de este eje
se hace por medio de un motor de corriente directa que es controlado por un servo
electrónico ( CLV Board ) que ajusta la velocidad del motor de acuerdo a varias señales
de control para mantener una velocidad lineal constante.
Figura 2.4 Spindle Plate.
39
Un sistema de bloqueo neumático y electrónico impide la operación del motor del eje
giratorio, si no hay presión de aire suficiente para mantener el cojín ya que se dañarían
las partes mecánicas.
El mecanismo del eje giratorio, así como todos los componentes ópticos están soportados
por tres cámaras de aire a presión. Estas cámaras forman una plataforma aislada ( Optical
Table ) que elimina las vibraciones y amortigua los golpes del Módulo de transporte.
Sobre la plataforma aislada, se encuentran montados el mecanismo del carro (para el
desplazamiento radial del haz de escritura) y los componentes ópticos del sistema: lásers,
lentes, arreglos de espejos, prismas, arreglos de polarización y lente objetivo.
Un sistema de distribución suministra el aire a presión necesario para el eje giratorio, el
Lente Objetivo y las cámaras de aire. El sistema cuenta con un tanque para suministrar
aire en caso de una falla en el suministro normal.
En la parte inferior del módulo de transporte, se encuentran las fuentes de poder y los
drivers de potencia para el motor del eje giratorio y el servo de enfoque.
Figura 2.5 Mecanismo de transporte y óptica asociada
40
La sección de control, contiene todos los equipos y las tarjetas electrónicas necesarias
para controlar las funciones del sistema:
 Acceso al soporte para el disco maestro (Spindle Plate)
 Control de rotación del eje giratorio
 Control de posición del Carro
 Control de Enfoque (Focus)
 Procesamiento de la información a Masterizar (MIS)
 Análisis de errores (BLER)
 Monitoreo de señales (HF, asimetría, enfoque, potencia del láser, etc.).
 Control de Potencia del Láser
Los controles están separados en
módulos diferentes, dependiendo de la función
particular que desempeñan dentro del proceso.
La sección de control está constituida por los siguientes módulos:
 Módulo de control de la máquina (Machine Control)
 Tarjeta de control de velocidad (CLV Board)
 Módulo Eclipse (computadora industrial con las tarjetas necesarias para la
codificación EFM y las interfaces para la lectura de la información en
diferentes medios: CD, Exabyte, etc.)
 Módulo Master Monitor (para la visualización en tiempo real de HF,
asimetría, potencia del láser, etc.)
 Módulo de control de potencia del láser
 Monitores (scopes) para la visualización de la señal de enfoque y la señal de
playback
41
En esta sección, se realizan todas las operaciones para controlar el proceso de
Masterizado. El operador carga la información a masterizar por medio del sistema de
codificación “Eclipse”, de Eclipse Data Technologies, realiza los ajustes óptimos para la
velocidad lineal y el track pitch, ajusta la potencia del láser y los parámetros de corte para
obtener un CD dentro de especificaciones.
En esta parte del equipo, se encuentran los controles e indicadores necesarios para
controlar todas las funciones del proceso de corte del disco maestro: Subir o bajar el
spindle plate, rotación del eje giratorio, posición del carro, control de enfoque, grabado de
etiqueta , grabado de la información, etc.
Figura 2.6 Panel de visualización y control
El sistema de Masterizado, puede recibir la información a masterizar (señal de audio y/o
datos) a través de diferentes fuentes por medio de interfaces especiales. El sistema utiliza
drives CD-ROM Sony , Plextor y sistema de Cinta Exabyte.
La información es procesada (Corrección de errores, codificación EFM, etc.) por medio
del sistema Eclipse (Mastering Interface System) y después se utiliza para modular un
haz láser que se encarga de escribir la información en el disco maestro recubierto con una
capa muy fina de un polímero especial (NPR) .
42
El polímero está compuesto por sustancias especiales y reacciona cuando es expuesto al
haz de luz láser, debidamente enfocado, formando pequeñas depresiones sobre la
superficie recubierta del vidrio (pits).
El Equipo LBR, utiliza dos rayos láser de diferente potencia y longitud de onda para
formar un sistema óptico DRAW [ Direct Read After Write (DRAW) ]. El sistema
DRAW, utiliza un haz de lectura colocado detrás del haz de escritura lo que permite leer
la información escrita a la vez que se va escribiendo nueva información.
Un haz de escritura graba la información en la superficie del disco maestro. El haz de
escritura está formado por un rayo láser (Argón Ion) que emite un haz de luz Azul con
una potencia de 100 mW y una longitud de onda de 488 nm. El haz de luz es dirigido por
un conjunto de espejos hacia un lente que lo enfoca y lo convierte en un haz muy fino que
pasa a través de un modulador Óptico-Acústico.
Figura 2.7 Láser de escritura y modulador óptico-acústico.
El modulador, permite o bloquea el paso del haz de luz alternadamente de acuerdo a la
cadencia de la información procesada y codificada EFM, lo que resulta en un haz de luz
modulado en intensidad es decir, Pulsos de gran intensidad seguidos por pulsos de baja
intensidad. El haz láser modulado se enfoca sobre la superficie del vidrio y quema el
recubrimiento de polímero NPR para formar las variaciones en la superficie del vidrio,
que representan la información: Pits y Lands.
43
De la salida del modulador, el haz se dirige hacia un sistema móvil de enfoque (Carro o
shuttle), por medio de lentes y espejos adicionales. El sistema de enfoque, está montado
sobre un sistema de desplazamiento sin fricción y se desplaza por medio de un tornillo sin
fin de gran precisión.
Figura 2.8 Sistema de enfoque.
Un sensor lineal, proporciona la posición del sistema móvil de enfoque en todo momento.
Figura 2.9 Potenciómetro lineal para retroalimentación de posición
El haz láser de escritura, es reflejado por el espejo final en el Carro y se enfoca por medio
de un lente objetivo con gran poder de aumento.
El lente objetivo enfoca el haz de luz láser formando un punto de aproximadamente 1.7
micras sobre la superficie del vidrio. Al escribir la información, el vidrio gira a velocidad
lineal constante y el carro desplaza el lente objetivo en forma radial sobre la superficie del
disco maestro para formar una espiral continua de pits y lands.
44
El equipo es capaz de operar en dos modos de rotación del eje giratorio:

CAV: Velocidad angular constante.
El modo CAV se utiliza para escribir en el disco maestro un código de identificación
legible definido por el usuario (Etiqueta, Código de Barras).

CLV: Velocidad lineal constante
El modo CLV se utiliza para escribir la información correspondiente al Audio y/o Datos y
el valor de la velocidad puede variar dependiendo de la duración del master desde 1.2 a
1.4 m/s.
Para la lectura de la información grabada en el disco maestro, se utiliza un rayo láser
(Hellium-Neon) que emite un haz de luz roja (haz de lectura) con una potencia de 2 mW.
El haz emitido por este láser, se combina con el de escritura (Azul) por medio de un
espejo Dicroico y después pasa a través del lente objetivo. El haz de lectura (rojo) se
enfoca sobre la superficie del vidrio ligeramente desfasado del haz de escritura de tal
forma que el haz de lectura va detrás y siguiendo al haz de escritura.
Existe un control de seguimiento ( Tracking ) que permite tener control sobre la posición
radial del haz de lectura para centrar perfectamente el haz de lectura sobre la pista de
información escrita por el haz de escritura.
El haz de lectura es reflejado por la superficie del vidrio a través del lente objetivo y es
dirigido completamente hacia un arreglo fotodetector por medio de espejos especiales y
un arreglo de polarización.
El arreglo de polarización impide que el haz reflejado
interfiera con el haz incidente.
45
Figura 2.10 Láser de lectura y óptica asociada
La señal de reproducción ( Playback ) obtenida por el haz de lectura se amplifica y
procesa para obtener dos señales diferentes. Una señal de error de baja frecuencia (A-B) y
una señal de reproducción de alta frecuencia (HF).
La señal de error se utiliza para mantener un enfoque óptimo (distancia entre el lente
objetivo y el vidrio). El lente objetivo se controla por medio de un servo y
está
suspendido en un cojín de aire para minimizar la fricción y poder responder rápidamente a
cualquier variación en el enfoque.
La señal de alta frecuencia (HF) se utiliza como referencia para verificar el estado de la
grabación y otros parámetros. El sistema de Masterizado debe mantener una relación
constante entre los parámetros de corte del disco maestro para evitar problemas de
reproducción en las réplicas.
Las señales mencionadas se utilizan como referencia para monitorear el control de
enfoque y el estado de la grabación. Al analizar las ondas senoidales de la señal de
diamante, se puede ajustar la potencia del láser, la posición del haz de lectura y se puede
observar el avance del proceso de grabación ya que las formas de onda son diferentes
cuando el sistema de masterizado escribe la etiqueta, el lead-in, el área de programa y el
lead-out.
46
Las diferentes
partes
del
proceso de
masterizado
son
controladas
por
servomecanismos y tarjetas electrónicas con funciones específicas. Las tarjetas están
concentradas en diferentes módulos dependiendo de las señales que utilizan y la
función que realizan.
Durante el ejercicio de mi actividad profesional, fui responsable del ajuste,
calibración y reparación de las tarjetas electrónicas de este sistema. Las
reparaciones se efectuaron a nivel componente en base a la documentación
disponible y en la mayoría de los casos tuvo que hacerse Ingeniería inversa ya que el
equipo presentaba múltiples modificaciones no documentadas.
Los circuitos más susceptibles a fallas fueron memorias ROM, circuitos lógicos
TTL, PLL´s y drivers de potencia.
Para la reparación de las tarjetas electrónicas fue necesario utilizar los siguientes
instrumentos:
Multímetro Digital
Osciloscopio Digital de 100 Mhz
Generador de Funciones
Analizador Lógico
A continuación, presentaré una breve descripción de las tarjetas más importantes
del equipo LBR de Masterizado y su principio de funcionamiento. Esta descripción
fue realizada por su servidor y añadida a la documentación del equipo como guía
para reparaciones posteriores.
47
La tarjeta Focus Servo utiliza las señales de baja frecuencia Focus A y Focus B
obtenidas a partir del haz láser de lectura (Playback, láser rojo) por el fotodetector y la
tarjeta del preamplificador para generar la señal de error que maneja el mecanismo de
enfoque del lente objetivo; además de las señales lógicas necesarias para la tarjeta
Machine Control.
La tarjeta focus servo, utiliza la señal de RF que el preamplificador
obtiene a partir del haz de lectura y el fotodetector, para generar la señal HF que se utiliza
como referencia para controlar las funciones del sistema.
El control de Tracking permite tener control sobre la posición radial del haz de lectura
para centrar perfectamente el haz sobre la pista de información escrita por el haz de
escritura. Este control genera una señal que maneja un piezo-cristal montado en la base
del espejo dicroico en el arreglo móvil de enfoque. Al aplicar la señal al cristal, este se
deforma y mueve el espejo lo que permite variar la posición del haz de lectura.
Figura 2.11 Control electrónico del servo de enfoque
La tarjeta Machine Control se encarga de procesar las señales provenientes de los
módulos Optical Control, Eclipse, CLV, Master Monitor y otros sensores para generar las
señales necesarias para controlar las funciones básicas del Sistema de masterizado:
Posición del Spindle Plate, Rotación del Spindle, Desplazamiento del carro, Activar servo
de Enfoque, Modos de Operación: Ready, Play, Record, etc.
48
Figura 2.12 Machine Control Board
La tarjeta Master Drive Interface controla el mecanismo de desplazamiento del carro.
La tarjeta recibe las señales de control de la Tarjeta Machine Control y genera las
señales necesarias, con la frecuencia de referencia adecuada, para el controlador del
motor de pasos (Nanostep) que mueve el tornillo sin-fin que desplaza el carro.
Figura 2.13 Motor de pasos y su controlador
49
El indicador Radius Display, indica en todo momento la posición radial del carro con
respecto al centro del disco maestro. La lectura en el display sirve como referencia para
controlar las diferentes etapas en el proceso de grabado del vidrio.
La tarjeta CLV (Tarjeta de Velocidad Lineal Constante) se encarga de hacer girar el
disco
a la velocidad adecuada dependiendo de la velocidad (1X, 2X) y el modo
seleccionado (CAV, CLV), manteniendo la velocidad constante al corregir cualquier
variación que pudiera presentarse.
La tarjeta utiliza las siguientes señales de referencia para generar la señal que alimenta al
spindle motor (amplificada por un driver de potencia) y la señal de pulsos a la tarjeta
Master Drive Interface para sincronizar el desplazamiento radial del carro.
 Frecuencia de referencia 44.1/88.2 khz proporcionada por el sistema ECLIPSE
 Señal de retroalimentación de velocidad por parte del tacogenerador del spindle
motor
 Valor de velocidad seleccionado por parte de la tarjeta CD Master Monitor
 Señales de control de la tarjeta Machine Control
Figura 2.14 CLV board
50
Una de las actividades más recurrentes realizadas por su servidor fue el ajuste y/o
reemplazo de los láser de escritura del sistema LBR. Los láser utilizados por este
sistema tienen una vida útil limitada y depende en gran medida de la calidad de la
energía eléctrica utilizada para su fuente de poder, del nivel de potencia utilizado y
de la correcta operación del sistema de enfriamiento. Para prolongar la vida útil de
los módulos láser modifiqué el sistema de enfriamiento existente para aumentar su
capacidad e instalé un sistema de enfriamiento redundante. Adicionalmente se
instalaron filtros de línea y una fuente de poder ininterrumpida para evitar daños
por variaciones de voltaje.
El reemplazo de un módulo láser comprende una serie de ajustes mecánicos en
lentes, espejos y filtros, además de ajustes eléctricos en la fuente de poder del láser
para asegurar que los parámetros de corte sean óptimos. El equipo que utilicé para
esta actividad fue:
Multímetro Digital
Osciloscopio Digital de 100 Mhz
Generador de Funciones
Fotodetector de alta velocidad
Medidor de intensidad Láser
Ópticos de ajuste: Prismas, espejos, filtros de densidad neutral, etc.
Un módulo láser fuera de especificación genera múltiples defectos de calidad en los
discos maestros procesados y fue uno de los mayores problemas enfrentados por su
servidor en esta área. Después de un análisis detallado de las condiciones de
operación y trabajo conjunto con el fabricante (National Laser, USA), se
modificaron los módulos láser para trabajar de manera más estable a niveles de
potencia adecuados con lo que se eliminaron los problemas de calidad y se
incrementó la vida útil de los mismos en más del 300%.
51
Figura 2.15 Láser fuera de especificación. Forma de Onda a 2mV, 5mS
Figura 2.16 Láser dentro de especificación. Forma de Onda a 2mV, 5mS
52
El módulo de control de potencia del Láser ( Laser Power Controller ) se encarga del
control del láser de escritura. El haz para la escritura de la información en la superficie del
vidrio, se obtiene a partir de un láser de Argón Ion de potencia fija. El haz láser pasa a
través de un módulo en el que se varía su potencia.
El módulo utiliza un cristal líquido para atenuar la intensidad del láser. Por medio del
módulo de control de potencia del láser, es posible variar (aumentar y/o disminuir) la
potencia del haz láser de escritura.
Figura 2.17 Módulo de control de potencia del láser
El módulo ECLIPSE
(Mastering Interface System) de la compañia Eclipse Data
technologies se encarga de codificar la informacíon a grabar y generar la señal de
grabación EFM a partir de esta. El módulo utiliza las siguientes tarjetas electrónicas con
funciones específicas:
 Tarjeta Eclipse Sector Processor: Procesa errores, CD encoding y buffer de
datos
 Tarjeta Eclipse Encoder: Genera Subcode, frecuencia de referencia (44.1 khz) y
señal EFM
 Tarjeta Adaptec 1542: SCSI I/O: Interface para dispositivos SCSI
53
Las tarjetas están colocadas en un rack Industrial Computer Source. El rack cuenta con
dos CPU’s independientes, uno dedicado al sistema MIS y el otro al sistema de
verificación de errores (BLER).
El sistema utiliza diferentes drives para la entrada de la información a masterizar, un
control de selección de CPU’s y los periféricos asociados (Teclado, Mouse, Monitor,
etc.). Los drives utilizados por el sistema de masterizado para la entrada de información
son:
 Drive Plextor CD ROM PX-12CS
 Drive Cinta Exabyte EXB-8505
 Drive CD LMS CM206
 Sistema de verificación de contenido ECLIPSE desde el área de Premasterizado
vía red.
El sistema ECLIPSE, utiliza la información proveniente de los drives para el proceso de
masterizado. La información puede estar conforme a alguno de los siguientes estándares:
 Red Book
(Audio CD)
 Yellow Book
(CD Rom)
 Green Book
(CD-I CD Interactivo)
 White Book
(Video CD)
 Orange Book
(CD-R CD grabable)
 Blue Book
(CD Enhanced: Audio y Datos)
Durante el proceso de masterizado, los datos son codificados a la vez que se van leyendo
del medio (drive) de entrada. Se realiza la codificación del CD, se añaden las
especificaciones a los sectores: CD subcódigo PQ, R-W, SYNC, HEADER, EDC/ECC,
etc.
54
La información se codifica como una señal estándar HF EFM TTL que se utiliza para
modular el haz láser de escritura del equipo de masterizado (LBR). El sistema MIS
cuenta con varias líneas I/O además, genera una señal de referencia de 44.1 khz para
propósitos de sincronización y ajuste.
Figura 2.18 Módulo ECLIPSE
Entre las actividades realizadas en esta área, destaca la actualización del sistema de
masterización original (MIS) al sistema Eclipse de la compañía “Eclipse Data
Technologies” y la adición del módulo de protección contra copias “SafeDisc” de
Macrovision.
Adicionalmente, para reducir el tiempo de procesamiento de los Masters y evitar
errores de lectura por defectos en los mismos, realicé el enlace vía red el sistema
“Eclipse” del área de premasterizado con el equipo LBR para la transferencia en
tiempo real de las imágenes de los Masters verificados para su procesamiento.
55
2.1.3 - Electroformado del CD.
El proceso de electroformado o también llamado matrizado ( Matrix ), se encarga de la
preparación de los estampadores de metal utilizados para la réplica final del CD por
medio de los equipos de inyección de plástico.
Una vez metalizado, la superficie del disco maestro se vuelve conductiva y para dar
inicio al proceso de electroformado, se coloca el disco maestro en un baño electrolítico
con una solución de sulfamato de nickel.
El proceso de electroformado se encarga de formar una capa de nickel sobre la superficie
del disco maestro por electrodeposición.
La solución de sulfamato de nickel se encuentra a temperatura constante, en circulación
continua y se mantiene libre de impurezas por medio de elementos filtrantes de 1 o 2
micrones. Las características químicas de la solución se mantienen por medio de una
revisión rigurosa de parámetros, además de la adición de pellets de nickel, ácido
sulfamico y agua deionizada.
Durante el proceso de electroformado, se dirige un flujo uniforme de la solución de
sulfamato de nickel a la superficie del disco maestro y se aplica una corriente de entre 80
y 100 amperes durante un tiempo de 60 minutos aproximadamente.
Al terminar el proceso de electroformado, se genera una “costra” de nickel en la
superficie del disco maestro. Esta réplica o “costra” es separada del disco maestro y se
somete a un proceso de limpieza para remover residuos y otros contaminantes de su
superficie por medio de químicos como dicromato de potasio, acetona y agua deionizada.
Los discos maestros solo pueden ser utilizados una vez.
56
Como el disco maestro tiene una impresión positiva de la superficie del CD, la copia
resultante en nickel tiene una impresión negativa y se denomina Padre.
Por lo general, el padre es utilizado a través del mismo proceso de electroformado para la
producción de aproximadamente 5 réplicas de impresión positiva llamadas Madres. Las
madres por lo general se utilizan para la producción de 5 impresiones negativas en nickel,
denominadas Hijos o estampadores que constituyen los moldes utilizados en el proceso
de moldeo por inyección.
Cuando son separados de la madre, los estampadores son sometidos a un proceso de
limpieza y son protegidos por una capa de plástico aplicada por centrifugado.
Figura 2.19 Glass master, padre, madre y estampador.
57
Una vez protegido el estampador, se utiliza un equipo de lijado ( Backsanding ) que pule
la superficie posterior del estampador y posteriormente se coloca en un troquel para
cortarlo a las dimensiones finales requeridas por los equipos de moldeo por inyección de
plástico.
Para el control de calidad, los estampadores se colocan en un sistema analizador de la
compañía CD Associates, donde se reproducen y se analizan los parámetros de calidad
tales como BLER, intensidad de la señal HF, señal de tracking, etc.
El proceso de electroformado requiere un cuarto limpio clase 1000.
Al igual que en el proceso de Masterizado, las diferentes partes del proceso de
electroformado son controladas por servomecanismos y tarjetas electrónicas con
funciones especificas.
Una de las actividades más recurrentes realizadas por su servidor fue el ajuste de las
válvulas de tres vías ( 3 way ball actuator ) y los medidores de flujo con salida
analógica (4 a 20 mA) para asegurar un flujo óptimo de la solución de sulfamato de
nickel en las tinas de proceso de los equipos de electroformado.
Del mismo modo, una actividad recurrente fue el ajuste de los niveles de voltaje y
corriente de la fuente de poder de DC ya que al igual que con el flujo de la solución,
un nivel de corriente inadecuado afecta de manera determinante la calidad de los
estampadores producidos.
Adicionalmente, como parte de mi actividad en esta área, fui responsable del ajuste,
calibración y reparación de los módulos electrónicos de los sistemas de
electroformado.
58
Las reparaciones se efectuaron reemplazando los módulos afectados (relevadores,
acondicionadores de señal, sensores, módulos de memoria, etc.) y reprogramando o
restaurando los programas de los PLC’s y las interfaces de usuario ( Omron serie
200H ).
La calibración de los servos de posición fue una actividad crítica para la operación
de los sistemas de electroformado. El desplazamiento de la tina de proceso se realiza
por medio de servos con desplazamiento lineal y estuve a cargo del ajuste de las
referencias de posición y los valores de desplazamiento finales.
El procesamiento de los discos maestros y los estampadores requiere un ambiente
libre de contaminación además de temperatura y humedad relativa controladas.
Debido a lo anterior, trabajé en conjunto con los responsables de servicios generales
para asegurar la continuidad en los servicios de agua deionizada, extracción de
vapores, etc.
Para el proceso de electroformado se utilizó una unidad manejadora de aire
independiente, con humidificadores y controles electrónicos, además de un conjunto
de filtros absolutos para la implementación de un cuarto limpio clase 1000, con
temperatura y humedad controladas.
Un problema muy común en esta área fue el rechazo de discos maestros y
estampadores por valores de errores ( BLER ) extremadamente altos y fuera de
especificación. El problema fue generado por contaminación a causa de polímeros y
filtros defectuosos. Su servidor fue responsable de la solución de este problema y
para ello se añadieron etapas adicionales de filtrado y procedimientos específicos
para eliminar los contaminantes de los consumibles utilizados en el proceso
(reemplazo de reactivos, centrifugación y filtrado de polímeros, aislamiento de áreas
críticas, etc.)
59
2.1.4 Moldeo por Inyección del CD.
Para la replicación masiva del CD, los estampadores o moldes resultado del proceso de
electroformado se colocan en máquinas de inyección especializadas en las cuales se
inyecta policarbonato en forma líquida, por elevación de temperatura, en la cavidad del
molde que contiene el estampador y se aplica una gran presión para imprimir en el disco
la estructura microscópica de pits y lands contenida en la superficie del estampador.
Este proceso produce un disco transparente ya que se utiliza policarbonato, debido su
estabilidad dimensional, mínima absorción de agua, su capacidad para reproducir la forma
del molde, excelente resistencia a los impactos, pureza, etc.
Los Discos Compactos inyectados deben ser totalmente planos, ópticamente puros y
deben contener una reproducción exacta de la estructura de pits y lands contenida en el
estampador. Para la producción de los discos, se utilizan máquinas de inyección de
plástico, modificadas y optimizadas para el manejo de policarbonato. Estas máquinas
tienen ciclos de plastificación, inyección y presión de cierre ( Clamping ) muy rápidos
para evitar la degradación del material y formación de burbujas por exceso de
temperatura. Además, al utilizar tiempos de llenado de molde relativamente cortos se
consigue un llenado más uniforme del molde para evitar deformación por esfuerzos,
enfriado no uniforme o encogimiento.
Figura 2.20 Máquina de inyección para CD
60
Antes de utilizarse en el proceso de inyección, el policarbonato es deshidratado
para eliminar la humedad contenida. Posteriormente el policarbonato en forma de
gránulos ( Pellets ) es introducido a la unidad de plastificado o “cañón”, por medio de un
alimentador ( Hopper ).
El corazón de la máquina de inyección es la unidad de plastificación
La unidad de inyección está formada por un husillo (Injection Screw), contenido en una
estructura denominada barril de calentamiento (Heating Barrel). La longitud del barril
se divide en varias zonas donde se colocan resistencias en forma de anillo.
Figura 2.21 Unidad de inyección de una máquina de inyección para CD
Para la plastificación de los gránulos de policarbonato, el husillo gira a una velocidad de
aprox. 300 rpm para desplazar los gránulos a las diferentes zonas a lo largo del barril de
calentamiento, donde las resistencias calientan el plástico de manera rápida y uniforme a
una temperatura de aproximadamente 350 grados centígrados para asegurar un flujo suave
del plástico derretido hacia el molde.
61
Cuando el plástico fundido es inyectado en la cavidad del molde a alta presión, forma un
substrato con una reproducción fiel de la estructura de pits y lands del estampador. El
molde es mantenido a una temperatura de aproximadamente 110 grados centígrados y el
ciclo de moldeo es de 3 a 6 segundos según el equipo.
Figura 2.22 Estructura de una máquina de inyección para CD
En el proceso de moldeo del CD se requiere un cuarto limpio clase 1000, implementado
por medio de cabinas independientes para cada etapa del proceso.
Los movimientos de apertura y cierre del molde, avance y retroceso de la unidad de
inyección y giro del husillo de inyección están controlados por válvulas hidráulicas 5/2.
La presión final del molde o “clamping pressure” está controlada por medio de un
multiplicador de presión hidráulico o “booster” y una servo-válvula hidráulica.
Los movimientos de avance y retroceso del pistón de inyección son controlados también
por servo-válvulas hidráulicas.
62
Para el control del equipo de inyección se utiliza un sistema electrónico modular formado
por los siguientes elementos:
Módulo de CPU con un microprocesador y memoria ROM para el programa
maestro, flash RAM para los ajustes de operación.
Módulo de entradas digitales a 24 volts
Módulo de salidas digitales a 24 volts
Módulo de entradas analógicas para señales tales como la presión general del
sistema, la presión de cierre del molde, la posición y desplazamiento de la unidad
de inyección y la temperatura de las diferentes zonas, medida por termopares
Módulo de salidas analógicas para el control de servo-válvulas hidráulicas para el
cierre de molde y el desplazamiento de la unidad de inyección
Para el moldeo adecuado de los discos, se requiere controlar la temperatura de
deshidratado del policarbonato, la regulación de las temperaturas de las diferentes
zonas de inyección, particularmente la nariz (nozzle), la temperatura de ambas
partes del molde, la cantidad de plástico a inyectar por medio del desplazamiento de
la unidad de inyección, además de la calidad de los estampadores.
Una de las actividades más importantes realizadas en esta área fue la optimización
de los equipos de inyección. Para lograr lo anterior fue necesario determinar los
ajustes de operación más apropiados para el funcionamiento óptimo de los equipos,
así como la realización de los ajustes mecánicos y electrónicos necesarios para
optimizar los ciclos de inyección, asegurando la calidad de los discos producidos.
Los ciclos de inyección originales eran de 5.6 a 5.8 segundos y se establecieron en 5.2
segundos por disco.
63
La optimización de los ciclos de inyección requirió la reparación de los
acumuladores hidráulicos de cada equipo, el reemplazo de sellos y engranes en los
motores hidráulicos para el giro de los husillos de inyección, el reemplazo de bombas
hidráulicas en algunos equipos y el reemplazo de sellos en unidades de cierre y
multiplicadores de presión.
Adicionalmente se realizó la alineación de la unidad de inyección de cada equipo, el
reemplazo de los conjuntos Nariz - Boquilla de inyección (Cold Runner, Nozzle),
además de la calibración de referencias analógicas de posición y presión,
y el
servicio a las servo-válvulas hidráulicas.
Una vez finalizado el proceso de moldeo por inyección del disco, se aplica un
recubrimiento muy fino de aluminio a la superficie del mismo. Este proceso se denomina
metalizado. Para la aplicación de este recubrimiento, el disco recién moldeado se retira
de la máquina de inyección y se coloca en el interior de una cámara de vacío por medio de
un brazo robot manipulador.
Figura 2.23 Brazo robot manipulador de una máquina de inyección para CD
64
El proceso de metalizado se realiza por descarga de chispas ( Sputtering ), donde una
fuente de alto voltaje desprende partículas de un disco ( Target ) de aluminio contenido
en una cámara de vacío llena con gas argón.
Para el depositado del aluminio se utilizan magnetos de gran intensidad para dirigir la
descarga de moléculas de aluminio y el disco a metalizar se coloca entre el cátodo o
“target” y el ánodo del sistema de metalizado y se utiliza un preforma o máscara para
depositar el aluminio sobre áreas especificas del disco únicamente.
Para eliminar el aire en la cámara de vacío se utilizan bombas de vacío de paletas y turbobombas moleculares para obtener el nivel de vacío requerido
Una vez aplicado el recubrimiento de aluminio al disco, este es removido de la cámara de
vacío por medio de otro brazo robot y es depositado en una estación donde se le aplica
una capa de barniz protector. Este barniz es necesario para evitar la oxidación de la capa
de aluminio y para proteger la superficie del disco de daño físico.
El barniz es aplicado por medio de una válvula dosificadora de precisión y es repartido
sobre la superficie del disco por centrifugado.
Para conseguir lo anterior, el CD es sujetado por vacío y girado por medio de un servo
con un programa de diferentes velocidades y rampas de aceleración para la aplicación,
distribución y pre-secado del barniz.
Para el secado final o curado, un brazo robot retira el disco de la unidad de recubrimiento
o “Spin Bowl” y lo coloca en un carrusel donde el barniz es secado por exposición a una
luz ultravioleta.
65
Figura 2.24 Esquema de fabricación del Disco Compacto.
Una vez seco el recubrimiento, el disco es retirado de esta estación por medio de otro
brazo robot manipulador y es depositado en un módulo de inspección óptica automático
donde se verifica que no tenga defectos físicos evidentes con esfuerzos por moldeo, partes
sin metalizar, contaminación, baja reflectividad por un metalizado deficiente, rayones,
golpes, defectos de planicidad, etc.
Los procesos de metalizado, recubrimiento e inspección son controlados por medio de
tres PLC’s independientes, encargados de sincronizar todas las operaciones a través de
numerosos sensores ópticos, inductivos y de vacío. El sistema también se encarga de
enviar las señales de control necesarias a los servos de control de desplazamiento para el
posicionamiento adecuado de los discos durante todos los procesos.
Los servos de posición son motores de inducción asíncronos y la retroalimentación de
posición y velocidad es obtenida por medio de codificadores.
66
Figura 2.25 Sistema en línea para la fabricación del Disco Compacto.
Otra de las actividades más relevantes desarrolladas en esta área, fue la instalación
y puesta en marcha de dos líneas de inyección, metalizado, recubrimiento e
inspección para la fabricación de CD’s. Los equipos, propiedad de una de las
plantas de producción en el extranjero se retiraron de producción después de
muchos años de operación y estuvieron almacenados varios meses antes de su
traslado a las instalaciones en México. Durante la instalación fue necesario su reacondicionamiento y el reemplazo de una gran cantidad de partes.
La instalación requirió
la preparación de servicios de aire comprimido, vacío,
extracción de vapores y agua para enfriamiento, además de alimentación trifásica
en 440 y 220 volts para fuerza y alimentación de 110 volts para control.
Adicionalmente, su servidor fue responsable del ajuste, calibración y reparación de
los módulos electrónicos de los sistemas de moldeo. Las reparaciones se efectuaron
reemplazando los módulos afectados (válvulas, relevadores, acondicionadores de
señal, sensores, módulos de memoria, módulos I/O, etc.).
67
Frecuentemente fue necesaria la modificación y restauración de los programas de los
PLC’s
( Omron serie 200H ),
de los diferentes servos encargados de los
movimientos de los brazos robot (Parker Compumotor, Dynaserv, Fineserv) y de las
computadoras que sirven como interface de usuario para la configuración y
operación de los sistemas. En cada sistema se utilizan 4 computadoras, 19 servos y
9 PLC’s diferentes por lo que fue necesario realizar respaldos para cada uno de los
programas de las computadoras, servos y PLC’s.
La calibración de los servos de posición fue una actividad crítica para la operación
de los sistemas de moldeo. El desplazamiento de la unidad de inyección, el
posicionamiento de los discos en la cámara de vacío, en la unidad de curado UV y en
la unidad de inspección se realiza por medio de servos y su servidor estuvo a cargo
del ajuste de las referencias de posición y los valores de desplazamiento finales.
La inspección final de los discos producidos es un proceso crítico por lo que como
parte de las actividades realizadas en esta área, se optimizaron las unidades
de inspección óptica, reemplazando
los componentes fuera de especificación
( lámparas, fibras ópticas, unidades de enfriamiento, cámaras y generadores de
pulsos de referencia) y se establecieron criterios inspección (reflectividad, tamaño
máximo para cada tipo de defecto, márgenes y áreas de inspección, umbrales, etc.)
apropiados dentro de los estándares de calidad de la compañía.
Al igual que en los sistemas del área de Masterizado, las reparaciones se efectuaron
en base a la documentación disponible y en la mayoría de los casos tuvo que hacerse
Ingeniería inversa ya que el equipo presentaba múltiples modificaciones y
actualizaciones no documentadas.
Adicionalmente, ajustes y procedimientos
específicos, así como el principio de funcionamiento de partes críticas fueron
añadidos a la documentación del equipo para efectos de capacitación del personal
técnico y como guía para localización de fallas en reparaciones posteriores.
68
2.1.5 - Impresión y Empaque del CD.
Una vez terminado el proceso de moldeo, se imprime una imagen o etiqueta sobre el
barniz aplicado a la superficie metalizada del CD. Se utiliza el método de serigrafía ya
que permite imprimir en varios colores y con gran detalle cualquier tipo de imagen,
además de ser muy versátil ya que permite cambiar rápidamente a nuevos diseños de
impresión.
La imagen impresa en la superficie del disco corresponde al arte asociado a la producción
del CD y por lo regular, es una indicación del contenido del mismo como el titulo de las
canciones, una imagen descriptiva, etc.
En el proceso de impresión por serigrafía, una malla recubierta por una emulsión
fotosensible
es expuesta a una
luz muy potente
para transferir la imagen
correspondiente al arte del CD a la misma. Una vez procesada, la pantalla es colocada en
un sistema automático de impresión y es utilizada como stencil para transferir tinta a la
superficie del disco. La tinta utilizada es de secado UV por lo que se pueden obtener
velocidades de impresión de hasta 75 piezas por minuto.
Para el proceso de impresión en serie del CD, el arte a imprimir se separa en cuatro
colores y se construyen cuatro pantallas. El equipo de impresión cuenta con 5 estaciones
de impresión y se coloca una de las mallas o pantallas en cada estación según el orden en
que se desea sean impresas.
Un sistema manipulador toma los discos y los coloca en una mesa indexadora, en una
posición muy precisa, mediante un mecanismo de registro de posición con sujeción por
vacío. La mesa gira y coloca los discos bajo la primera estación de impresión, donde un
mecanismo neumático desliza un rasero sobre la malla impregnada de tinta y la transfiere
a la superficie del CD.
69
Posteriormente, la mesa gira para colocar el disco bajo una estación de secado donde la
tinta seca o “cura” debido al efecto de la radiación ultravioleta proveniente de una
lámpara UV.
Figura 2.26 Estaciones de impresión de una máquina automática de impresión por serigrafía.
Una vez completada la impresión de todos los colores, el sistema manipulador retira los
discos de la mesa indexadora.
Figura 2.27 Brazo manipulador de una máquina automática de impresión por serigrafía.
70
Para el control de esta máquina se utiliza un PLC y sensores inductivos, además de servos
para controlar el desplazamiento de las estaciones de impresión.
El indexado de la mesa es crítico ya que de otro modo la impresión se vería fuera de
registro y se realiza de manera mecánica
por medio de una gran leva y múltiples
seguidores de leva para asegurar un posicionamiento preciso del disco en cada estación de
impresión
Figura 2.28 Máquina automática de impresión por serigrafía.
Una vez impresos los discos, se trasladan en contenedores llamados “spindles” a las
máquinas de ensamble automático.
La máquinas de ensamble automático se encargan de colocar los discos en los estuches,
así como los demás elementos asociados: charola ( CD tray ), portada ( Booklet ) y
contraportada ( Back Cover ).
El proceso de ensamble comienza con el suministro de los materiales a las diferentes
estaciones de la máquina por parte del operador. Un brazo manipulador toma un estuche
( Jewel Box ) y lo coloca sobre una banda principal, donde un mecanismo de indexado
avanza la banda una posición a la vez.
71
La banda principal se desplaza hacia las diferentes estaciones donde un manipulador
apropiado toma la parte correspondiente a cada estación y la coloca en el estuche para
completar el ensamble del disco.
Una máquina de ensamble automático para Discos Compactos está formada por las
siguientes estaciones:
Estuche
Charola
Disco
Portada
Contraportada
Cierre
Figura 2.29 Flujo de operación de una máquina de ensamble automático de CD.
72
Figura 2.30 Máquina de ensamble automático de CD.
Una vez ensamblados, los discos pasan por una línea donde se envuelven en plástico
transparente y se les colocan las etiquetas requeridas. Posteriormente son empacados y
enviados al almacén para su distribución.
Las máquinas de ensamble automático son sistemas mecánicos muy complejos. El control
de la máquina está constituido por un PLC, múltiples sensores inductivos y fotoeléctricos
y la retroalimentación de la posición de la banda principal se obtiene por medio de un
codificador. Las diferentes estaciones de manipulación están formadas por elementos
neumáticos y de vacío.
Entre las actividades más relevantes desarrolladas en esta área destaca la instalación
y puesta en marcha de 3 sistemas de impresión y 3 líneas de ensamble y empaque
nuevas. La instalación requirió la preparación de servicios de aire comprimido y
extracción de vapores, además de alimentación trifásica en 440 y 220 volts para
fuerza y alimentación de 110 volts para control.
73
Otra de las actividades más importantes realizadas en esta área fue la optimización
de los equipos de ensamble y empaque automáticos. Para lograr lo anterior fue
necesario determinar los ajustes de operación más apropiados para el
funcionamiento óptimo de los equipos, así como la realización de los ajustes
mecánicos y electrónicos necesarios. La optimización de los equipos requirió la
actualización de los mecanismos de manejo de gráficos, modificación de elementos
mecánicos críticos, re-acondicionamiento de válvulas y bombas de vacío además de
la reprogramación de los PLC’s.
Como se mencionó anteriormente, las máquinas de ensamble y empaque automático
son sistemas mecánicos muy complejos. La mayoría de los problemas presentados
por estos equipos fueron de tipo mecánico, originados por el desgaste natural de las
piezas en movimiento, ya que los ciclos finales conseguidos fueron de 70 piezas por
minuto y de 180 piezas por minuto en los equipos de mayor productividad.
Adicionalmente, su servidor fue responsable del ajuste, calibración y reparación de
los módulos electrónicos de los equipos. Las reparaciones se efectuaron
reemplazando los módulos afectados (válvulas, relevadores, acondicionadores de
señal, sensores, módulos I/O, etc.). Al igual que en las otras áreas mencionadas,
ajustes y procedimientos específicos, así como el principio de funcionamiento de
partes críticas fueron añadidos a la documentación del equipo para efectos de
capacitación del personal técnico y como guía para localización de fallas en
reparaciones posteriores.
Además de las actividades mencionadas en los diferentes procesos, su servidor
desarrolló e implementó un sistema automatizado (Software) para la administración
y control del área de mantenimiento para conseguir un sistema de mantenimiento
eficiente, con costos y paros innecesarios mínimos, dentro de los estándares de
calidad de la compañía.
74
Figura 2.31 Sistema de Administración del Mantenimiento.
El sistema de mantenimiento se diseñó para controlar las actividades de
mantenimiento por medio de órdenes de trabajo, además de crear un registro de
eventos para el control de cada uno de los equipos de la planta, así como un módulo
para el control de gastos y refacciones.
Figura 2.32 Sistema de Administración del Mantenimiento: Módulo de Captura.
75
Con la información obtenida del sistema, se generaron los siguientes indicadores
para evaluar el desempeño del área de mantenimiento, así como para detectar
problemas potenciales y ofrecer alternativas de solución:
% de Tiempo Muerto
Comparativo Mantenimientos Preventivos/Correctivos
Confiabilidad de los equipos
Costos por mantenimiento
% de utilización de mano de obra
Como resultado de la utilización del sistema de mantenimiento, se implementaron
rutinas sencillas y eficaces de mantenimiento preventivo programadas para los
equipos de la planta, se generaron registros electrónicos con procedimientos para
reparación de fallas, además de registros electrónicos
de información sobre el
estado actual y anterior de los equipos para analizar tendencias y evitar paros no
programados.
Figura 2.33 Sistema de Administración del Mantenimiento: Módulo de Refacciones.
76
Adicionalmente, la información obtenida del sistema permitió el balanceo de la
carga de trabajo del personal operativo del área de mantenimiento además de
proporcionar los elementos para la elaboración de presupuestos de gastos de
operación y mantenimiento más acertados.
Como consecuencia se habilitó un stock de refacciones mínimo, pero suficiente para
garantizar el continuo funcionamiento de los equipos.
Como resultado de la operación del sistema de mantenimiento, al finalizar el primer
año, el tiempo muerto no programado se redujo del 14% al 1.4% y se consiguieron
ahorros por más del 30% del presupuesto de mantenimiento para todas las áreas,
además de mejorar el perfil de los técnicos de cada área por medio de capacitación
en temas específicos de electrónica y control.
Adicionalmente, se definieron los perfiles para cada posición en el área de
mantenimiento y se desarrollaron los procedimientos para realización de
mantenimientos preventivos y correctivos, instrucciones para manejo de almacén de
refacciones y envío de equipos a reparación con proveedores externos para efectos
de certificación ISO 9000.
Es necesario mencionar, que sin un sistema adecuado de administración y personal
técnico capacitado, la operación del área de mantenimiento no puede ser eficiente y
ello deriva en desgaste de equipos por falta de mantenimiento, paros excesivos y
desperdicio de recursos.
77
Figura 2.34 Sistema de Administración del Mantenimiento: Orden de Trabajo.
78
Figura 2.35 Diagrama de Pareto con información de fallas en el área de Electroformado de CD.
79
3 - Análisis y Discusión.
Como se mencionó al inicio de esta memoria, El Disco Compacto ha sido uno de los
productos electrónicos más exitosos de nuestro tiempo y está presente en nuestros hogares
y en numerosos aspectos de nuestra vida diaria. Su desempeño y versatilidad lo colocan
por encima de otros medios de almacenamiento de audio y datos, justificando con ello su
producción en masa que tan solo en esta planta de manufactura ascendía a casi 30
millones de CD’s por año.
El proceso de fabricación en serie del CD es muy complejo y demandante. Para cumplir
con una expectativa de producción tan alta, se utilizan equipos muy complejos, altamente
automatizados y al ser la producción del CD un proceso “justo a tiempo” JIT [ Just In
Time (JIT) ] los equipos de producción y procesos asociados deben funcionar de
manera óptima para evitar incumplimientos de producción y problemas de calidad.
Como responsable técnico tuve que hacer frente a una gran cantidad de proyectos,
problemas y oportunidades de mejora, lo cual
demandó el uso de todos mis
conocimientos y experiencia acumulados, además de obligarme a estar en constante
preparación para poder enfrentar los retos de esta tecnología y cumplir con las
expectativas de las diferentes áreas.
Como muchas de las empresas existentes en el país, esta planta de manufactura de CD’s
depende en gran medida de la tecnología extranjera y uno de sus problemas principales
fue la falta de personal técnico capacitado en el uso de esta.
Como comenté durante la descripción de las diferentes etapas de la fabricación del CD,
los problemas más relevantes, en cuanto al funcionamiento de los equipos se refiere,
fueron causados por fallas en controladores de proceso, PLC’s, servos y equipo
electrónico de potencia.
80
Si consideramos que en los procesos de grabación y reproducción de la información en el
disco compacto, así como en los diferentes procesos de su producción en masa los
servos y sistemas de control tienen un papel determinante y que sin estos sistemas no
sería posible realizar ninguna de las funciones requeridas por estos procesos, podemos
imaginar el impacto en la productividad originado por una falla en estos equipos.
Las actividades más relevantes durante mi desempeño profesional en esta planta
estuvieron enfocadas
a asegurar e incrementar la productividad por medio de un
mantenimiento adecuado y la optimización de los equipos de producción de las diferentes
áreas. Es aquí donde termina la separación entre la teoría y la práctica, y la Ingeniería se
subordina a los procesos de producción y su objetivo primordial: La utilidad.
Para lograr lo anterior el primer paso fue establecer una estructura adecuada para poder
satisfacer las demandas de las diferentes áreas. Este tipo de procesos tan especializados
justificó la creación de una estructura jerárquica, basada en el perfil de cada posición,
haciendo énfasis en la capacidad técnica y las habilidades administrativas requeridas.
Uno de los problemas más importantes que afectan a esta y a todas las empresas es el
factor humano.
Es extremadamente difícil cubrir al 100 % el perfil de cada posición, sin embargo con un
plan de entrenamiento y capacitación apropiado, además de objetivos razonables dentro
de un periodo de tiempo adecuado pueden obtenerse resultados satisfactorios.
La clave
para el funcionamiento óptimo de cualquier área consiste en
hacer una
evaluación objetiva del personal y asignar las tareas y responsabilidades en base a su
capacidad, actitud y expectativa de crecimiento.
81
Figura 3.1 Organigrama base del Área de Mantenimiento.
La capacitación continua del personal técnico y operativo, la especialización de
actividades, métodos apropiados para el análisis de problemas y la documentación de
ajustes y procedimientos específicos, así como el principio de funcionamiento de partes
críticas fueron determinantes para elevar los niveles de productividad.
82
Existen hoy en día múltiples enfoques respecto a la organización de las áreas de
mantenimiento y producción, en particular TPM [ Total Productive Maintenace (TPM) ]
y Manufactura Esbelta ( Lean Manufacturing ), todas ellas enfocadas a incrementar la
productividad y reducir las pérdidas y tiempos de proceso sin embargo, es necesario
mencionar que estos esquemas no son una solución mágica a los problemas operativos de
las empresas. Por el contrario, una implementación arbitraria puede ocasionar el colapso
de toda la organización ya que el funcionamiento de estos esquemas productivos tiene
como base la existencia de equipos de trabajo maduros, con especialización de tareas y un
profundo conocimiento de los procesos asociados, además de aspectos culturales que no
son consistentes con nuestra realidad económica e histórica.
La mayoría de los problemas de la planta que justificaron actividades adicionales
realizadas por su servidor, se debieron a la falta de una estructura adecuada y a la
intervención de personal no apto para realizar tareas críticas. Estas omisiones mantenían
los
procesos
productivos
por
debajo
de
estándares
razonables
ocasionando
incumplimientos, desperdicios y tiempos muertos excesivos generando pugnas internas
entre las áreas de producción y mantenimiento.
El corazón de toda operación lo forman las áreas de producción y mantenimiento, con lo
cual no quiero restar importancia a las áreas administrativas y comerciales sin embargo,
dada la diversidad y la complejidad de las actividades y las cargas de trabajo asociadas,
las áreas de producción y mantenimiento se complementan entre sí y una vez superadas
las dificultades técnicas la producción se vuelve un fenómeno social.
Las expectativas técnicas de la participación de su servidor en los procesos productivos,
se vieron satisfechas con la estructuración del área de mantenimiento y la capacitación del
personal, por lo que mi intervención en cuestiones técnicas se limitó a eventos críticos
esporádicos.
83
El paso siguiente, fue mejorar la administración de los recursos, lo que llevo al desarrollo
del Sistema de Administración del Mantenimiento para contar con información relevante
y oportuna para una operación más eficiente del área, de acuerdo a la siguiente premisa
que considero es la base de la mejora continua:
“Lo que está en desorden no se puede medir. Lo que no se mide no se puede
controlar. Lo que no se controla no se puede mejorar”.
84
4 - Recomendaciones.
Para poder manejar y concluir con éxito un proyecto, es necesario tener una buena
formación académica, una experiencia razonable y estar familiarizado con todos los
procesos involucrados.
Es necesario además, documentarse extensivamente con fuentes de información
actualizadas y con las bases necesarias para afrontar cada una de las etapas que
constituyen el proyecto o sistema en cuestión.
Para cumplir con las expectativas de nuestra posición como ingenieros, la utilización de
herramientas administrativas y de manejo de personal es imprescindible. Es recomendable
tomar cursos en temas específicos como: el trabajo en equipo, la administración del
tiempo, manejo de conflictos y el desarrollo de habilidades gerenciales.
Dentro de cualquier organización, es de vital importancia supervisar las actividades del
personal operativo. Si dejamos a su cargo actividades críticas sin supervisión ponemos en
juego la integridad física del personal y ello puede derivar en pérdidas, afectando los
resultados, la seguridad de todo el personal y la estabilidad de la organización.
Como resultado de la práctica, su servidor puede afirmar que la ingeniería Mecánica
Eléctrica tiene un campo de aplicación muy extenso y no está limitado a la industria
únicamente. En lo particular, la diversidad del plan de estudios 80 me ha permitido
incursionar como Ingeniero en la mayoría de los procesos industriales.
La formación recibida en la Facultad y las asignaturas del mapa curricular de este plan de
estudios fueron fundamentales para mi desempeño en el entorno de fabricación del Disco
Compacto.
85
Como todo plan de estudios, el plan 80 es susceptible de revisión y mejoras debido a que
los
procesos de producción cada vez más automatizados y eficientes requieren la
formación de ingenieros preparados en todas las ramas de la Ingeniería, desde la
Mecánica, Química, Electricidad y Electrónica hasta la Calidad y Administración de la
Producción.
La práctica y el acercamiento de los estudiantes a la Industria desde los primeros
semestres de la carrera, así como el estudio formal del idioma Inglés son fundamentales
para la formación de Ingenieros y Técnicos mejor preparados.
Es muy importante fomentar el desarrollo, la innovación y la inversión en tecnología para
generar crecimiento económico y dejar de depender de la tecnología y capital extranjeros.
Lo anterior nos permitirá enfrentar los retos generados por un mercado cada vez más
competitivo y globalizado, marcado por una tendencia general al alza en el costo de las
materias primas y la reducción de los costos de los productos terminados.
86
5 - Conclusiones.
El Disco Compacto ha sido uno de los productos electrónicos más exitosos de nuestro
tiempo y está presente en nuestros hogares y en numerosos aspectos de nuestra vida
diaria. El CD ha influenciado muchos aspectos de nuestra cultura convirtiéndose en un
icono de lo que podríamos llamar la “Era Digital”.
El CD está diseñado para tener un mejor desempeño y ser más robusto que otros medios
de grabación. Sus dimensiones son menores, su capacidad de almacenamiento es mayor y
puede almacenar cualquier tipo de información digital. Su respuesta en frecuencia es
plana, su relación señal ruido es mayor y los mecanismos asociados a su reproducción son
más estables, menos complejos y tienen una vida útil mayor. Su desempeño y versatilidad
lo colocan por encima de otros medios de almacenamiento de audio y datos, justificando
con ello su producción en masa.
En los procesos de grabación y reproducción de la información en el disco compacto,
así como en los diferentes procesos de su producción en masa, los servos y sistemas de
control tienen un papel determinante. Sin sistemas de control sofisticados, no sería
posible realizar ninguna de las funciones requeridas por estos procesos. La sintonización
óptima de estos sistemas fue una actividad necesaria y determinante para asegurar e
incrementar la productividad.
El proceso de fabricación en serie del CD es muy complejo y demandante. Para cumplir
con una expectativa de producción tan alta, se utilizan equipos muy complejos, altamente
automatizados y al ser la producción del CD un proceso “justo a tiempo” JIT [ Just In
Time (JIT) ] los equipos de producción y procesos asociados deben funcionar de
manera óptima para evitar incumplimientos de producción y problemas de calidad.
87
Como responsable técnico tuve que hacer frente a una gran cantidad de proyectos,
problemas y oportunidades de mejora, lo cual
demandó el uso de todos mis
conocimientos y experiencia acumulados, además de obligarme a estar en constante
preparación para poder enfrentar los retos de esta tecnología y cumplir con las
expectativas de mi posición.
Lo anterior me permitió darme cuenta de la importancia que tienen cada una de las
asignaturas que conforman el plan curricular de la carrera de IME. La formación recibida
y la capacidad de análisis que me proporcionó la Facultad de Estudios Superiores
Cuautitlán me permitieron coordinar y desarrollar los proyectos hasta su culminación y
puesta en marcha con los resultados esperados.
Es importante mencionar, que debido a problemas tales como las dificultades propias de
cada proceso, la intervención de sindicatos y la dependencia tecnológica en algunas
ocasiones se vieron comprometidos de manera temporal los resultados de algunas áreas.
Las asignaturas del mapa curricular mantienen una relación muy estrecha con la Industria
y el ejercicio de nuestra profesión en campo. Sin embargo, las asignaturas asociadas a la
teoría que estudiamos en el tronco común, particularmente las más complejas, son
fundamentales para entender todos los procesos y forman la base de cada etapa del
proceso de fabricación del CD.
Los problemas más complejos encontrados por su servidor durante el ejercicio de su
práctica profesional fueron resueltos regresando al corazón de la teoría y aunque durante
los primeros años de estudio cuestioné profundamente la razón del estudio de toda esa
teoría, ahora muchos años después, no puedo más que agradecer la paciencia y entrega
desinteresada de todos los profesores de la Facultad.
88
Mi participación en dichos proyectos fue una experiencia de aprendizaje invaluable, ya
que me permitió poner en práctica los conceptos aprendidos durante mi formación en la
Facultad, además de mi experiencia previa en la Industria.
Como resultado de la realización de dichos proyectos, adquirí una gran cantidad de
conocimiento y experiencia
en procesos tecnológicos automatizados, procesos
productivos, administración de proyectos,
costos y administración de recursos,
administración y manejo de personal, calidad y control estadístico de procesos, entre
otros.
A lo largo de esta memoria, su servidor hizo énfasis en conceptos fundamentales, no
documentados sobre la operación del CD y los diferentes procesos y equipos que
intervienen en su fabricación, sin embargo, múltiples actividades adicionales que exceden
el alcance de este reporte fueron realizadas durante la práctica profesional de su servidor
en el entorno industrial de fabricación del CD.
Por último, es necesario mencionar que sin un sistema adecuado de administración y
personal capacitado, la operación de una planta o el desarrollo de un proyecto en general
no pueden ser eficientes y ello deriva en pérdidas económicas, problemas de calidad, falta
de competitividad y desperdicio de recursos.
Lo anterior motivó el desarrollo del Sistema de Administración del Mantenimiento, para
una operación más eficiente del área y una mejor administración de los recursos al contar
con información relevante y oportuna.
89
6 - Referencias Bibliográficas.
[1]
The Compact Disc Handbook
Ken Pohlmann
A-R Editions Inc.
1992
[2]
Ingeniería de Control Moderna
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
2004
[3]
Modern Electronic Communication
Gary C. Miller
Prentice Hall
1993
[4]
NPR LBR User Manual
Optical Disc Corporation
1990
[5]
NTI 1000 Electroplating System User Manual
Trace Optical
1995
[6]
MD100 Injection Molding System User Manual
Toolex- Alpha
1990
90
[7]
MSI 1000 CD Replication Line User Manual
Nobler
1995
[8]
K15-R Screen Printing Machine User manual
Werner Kammann Maschinenfabrik GMBH & CO. KG
1996
[9]
CD 811 PICCOLA Packaging Machine User Manual
GIMA S.P.A.
2000
91
Apéndice I. Especificaciones del Disco Compacto.
Disco
Tiempo de Reproducción:
74 minutos, 33 segundos. 80 minutos máximo
Rotación:
Sentido contrario a las manecillas del reloj visto desde la superficie de
lectura
Velocidad de Rotación:
1.2 – 1.4 m/s
Separación entre pistas:
1.6 µm
Diámetro:
120 mm
Espesor:
1.2 mm
Diámetro del Orificio Central:
15 mm
Área de Grabación:
46 mm – 117 mm
Área de Señal:
50 mm – 116 mm
Material:
Cualquier material transparente con un índice de refracción de 1.55
como el Policarbonato
Longitud de Pit Mínima:
0.833 µm ( 1.2 m/s ) a 0.972 µm ( 1.4 m/s )
Longitud de Pit Máxima:
3.05 µm ( 1.2 m/s ) a 3.56 µm ( 1.4 m/s )
Profundidad del Pit:
0.11 µm aprox.
Ancho del Pit:
0.5 µm aprox.
Sistema Óptico
Longitud de Onda Estándar:
λ = 780 nm (7,800 Å)
Profundidad Focal:
= 2 µm
( λ / NA <= 1.75 µm. NA: Apertura Numérica [ Numerical Aperture (NA) ] )
Formato de la Señal
Número de Canales:
2 Canales ( Grabación en 4 Canales Posible)
Cuantización:
Cuantización Lineal de 16 bits
Frecuencia de Muestreo:
44.1 Khz
Razón de bits de canal:
4.3218 Mb/s
Razón de bits de Datos:
2.0338 Mb/s
Razón de bits de datos a bits de canal:
8:17
Código de Corrección de Errores:
CIRC (con 25% de redundancia)
Sistema de Modulación:
EFM
92