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Desarrollo de maquina paradecoracion personalizada de pastelera

Primer Informe

Sergio Agudelo Bernal

Juan Pablo Cardenas Nino

Oscar Daniel Cardenas Pulido

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniera

Bogota, Colombia

2016

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iii

Resumen

El mercado de la gastronoma es cambiante, y en buena medida debido a la rapida trans-

formacion de la sociedad actual. La repostera, aunque es solo un campo de la cocina, es

uno de los mas importantes; en el se explotan en mayor medida las sensaciones y emociones

de una persona, ademas de ser una experiencia mas personal. Algunos representantes de

esta disciplina tienen un potencial, que hasta ahora estan empezando a reconocer y llevar a

la practica. Adicionalmente, las herramientas tecnologicas especializadas en personalizacion,

por ser un negocio que apenas esta apenas en estado de maduracion, no cuentan con una ase-

quibilidad a la par de otros instrumentos disponibles. Los anteriores son algunas sugerencias

que resaltan lo importante que constituye ahora que el profesional en repostera ample su

oferta, pero aun mas importante, que este en capacidad de hacerlo plenamente. Es as que el

equipo planteo disenar una maquina que complemente la labor del repostero, cuyo objetivo

es que facilite la manufactura de productos de mayor valor, pero ademas ayude a aquella per-

sona a actualizarse al mercado en el que hoy debe entrar a competir. Este documento reune

todo el proceso documentado del diseno, desde su concepcion como proyecto, delimitacion de

objetivos y alcance, diseno conceptual y de detalle, hasta su construccion fsica. Todo junto

constituyo una muy amplia y enriquecedora experiencia aprendida de diseno ingenieril.

Palabras clave: Inyeccion, Temperatura, Ajuste Mecanico, Control.

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Contenido

Resumen III

Lista de smbolos V

1. Introduccion 1

2. Estado actual de la maquina 2

2.1. Porcentaje de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2. Diagnostico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2.1. Contenedor - Interfaz Contenedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2.2. Resistencia Calefactora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2.3. Soporte de Fijacion a Robot - Carcasa . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2.4. Motor - Tornillo de Potencia - Gua Tornillo . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2.5. Embolo - Oring - Sensor de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.6. Ajustes Mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.7. Alimentacion y Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3. Fallas ocurridas durante el proceso 8

3.1. Sistema de alimentacion no definido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2. Acondicionamiento deficiente de sensor termico . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3. Estrategia de control no apropiada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.4. Deformacion del contenedor en algunas areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5. Ajuste no uniforme del embolo con las paredes del contenedor . . . . . . . . 10

3.6. Gua del tornillo no alineada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.7. Montaje del sistema electrico no finalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.8. Diseno de interfaz robot/inyector incompleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4. Conclusiones y recomendaciones 13

4.1. Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

A. Anexo: Nombrar el anexo A de acuerdo con su contenido 14

Bibliografa 15

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Lista de smbolos

Smbolos con letras latinas

Smbolo Termino Unidad SI Definicion

Tg Temperatura de Transicion Vtrea C Citar BibliografaGPIO General Purpose Input/Output

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1. Introduccion

En la actualidad, es muy comun encontrar aplicaciones de culinaria orientadas al usuario fi-

nal, en las que la gastronoma y la tecnologa estan ntimamente relacionadas. Absolutamente

todas de ellas fueron desarrolladas en otros pases, hecho que afecta la economa colombiana

en varios ambitos: las aplicaciones que son tradas tienen mediana acogida, posiblemente por

los sobrecostos de importacion y porque el publico objetivo original no es el mismo que el

que se halla aqu, o porque existe pero en menor medida; ademas esta poblacion de interes

esta acostumbrada a metodos manuales o apenas ayudados por maquinaria especializada,

de gama baja o alta. Una solucion acorde a las necesidades del publico colombiano esta

siendo demandada sin que se note a primera vista, y constituye una buena oportunidad para

abordar este nuevo mercado. Una propuesta de valor con alto impacto podra traer consigo

otras, incluso cambiar parte de las costumbres de la sociedad local.

Estas y algunas otras consideraciones han servido como motivacion para desarrollar en la

asignatura de Proyecto Aplicado de Ingeniera un proyecto de este corte, se vio buena opor-

tunidad en generar el diseno de un inyector de cremas de repostera, orientado a inicialmente

al publico en general, con un enfasis mayor en pasteleros aficionados y medianos productoresde pasteles. Tras varias entrevistas y encuestas dirigidas a un grupo elegido de personas,

estos interesados fueron cambiando, terminando por seleccionar solo a los ultimos. Varios

supuestos iniciales cambiaron a lo largo del ciclo de vida del proyecto; las tecnicas obtenidas

del contenido de la asignatura orientaron al grupo de diseno a destilarlas ideas que se haban

concebido en la presentacion de la propuesta. Tras meses de desarrollo, metodologas de di-

seno y procesos iterativos, todos documentados y presentados de forma sintetica, finalmente

concluyeron en la forma fsica que se describe en el presente documento.

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2. Estado actual de la maquina

2.1. Porcentaje de Funcionamiento

Las pruebas de funcionamiento realizadas en Diciembre de 2015 tuvieron como resultados la

inyeccion de Cremas semilquidas a temperatura ambiente con diametro de boquillas superior

a 3mmy velocidad de inyeccion graduable desde computador; el sistema de calentamiento sepuso a prueba pero genero incovenientes pues la temperatura superficial origino contracciones

importantes en el contenedor.

Figura 2-1.: Maquina inyectora de cremas para repostera

2.2. Diagnostico

A continuacion se listan las partes de la maquina y se hace una breve descripcion de su

desempeno.

2.2.1. Contenedor - Interfaz Contenedor

Los filetes dispuestos en la rosca de sujecion entre contenedor e interfaz soportaron la tension

aplicada durante la inyeccion, as mismo la interfaz no sufrio desgarres y/o grietas cerca a

los agujeros pasantes que se le realizaron. Por otro lado se presento una contracci on en una

seccion del contenedor debido al calentamiento excesivo del material sobrepasando el lmite

teorico permitido (Tg).

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2.2 Diagnostico 3

Tabla de Partes

Parte Material

Contenedor PET

Interfaz Contenedor PET

Resistencia Calefactora N.A

Soporte de Fijacion a Robot Acero Inoxidable

Carcasa Aluminio

Motor N.A

Tornillo de Potencia Acero Inoxidable

Gua de tornillo de potencia Empack

Embolo Empack

Oring Viton

Sensor de Temperatura N.A

Contacto electrico de Interfaz Contenedor Aluminio

Contacto electrico y termico del Contenedor Aluminio

Tornilleria Acero Inoxidable

Tabla 2-1.: Caption

Figura 2-2.: SubConjunto Contenedor-Interfaz Contenedor

2.2.2. Resistencia Calefactora

Resistencia calefactora accionada mediante control ON-OFF indirecto usando PWM, este

control no tuvo en cuenta la temperatura que se podra presentar en la superficie exterior del

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4 2 Estado actual de la maquina

contenedor causando afectaciones en la pieza. La resistencia cuenta con aislante en fibra de

vidrio sin embargo no es suficiente para asegurar una temperatura exterior adecuada para

el ser humano.

Figura 2-3.: Resistencia Calefactora

2.2.3. Soporte de Fijacion a Robot - Carcasa

Soporte de fijacion fabricado correctamente con orificios bien alineados y doblado adecuado,

lo mismo sucede con la carcasa. Queda pendiente el embellecimiento de las dos piezas.

Figura 2-4.: SubConjunto Soporte de Fijacion a Robot-Carcasa

2.2.4. Motor - Tornillo de Potencia - Gua Tornillo

El conjunto Motor - Tornillo de Potencia Funciona de la manera esperada aunque se induce

un calentamiento en algunos de los transistores de potencia as no haya carga aplicada;

La gua tiene como funcion restringir el giro del tornillo para as obligarlo a desplazarse

axialmente, esta no trabajo bien pues se fijo a la carcasa provocando que el eje no quedara

alineado con el tornillo. La restriccion de giro se obtuvo gracias a la rigidez del cable del

sensor de temperatura.

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2.2 Diagnostico 5

Figura 2-5.: SubConjunto Motor-Tornillo de Potencia-Gua Tornillo

2.2.5. Embolo - Oring - Sensor de Temperatura

Debido a la contraccion ocurrida en el contenedor, las dimensiones establecidas para el

embolo y el oring dejaron de ser validas por lo cual se retiro el Oring y se redujo el di ametro

del embolo a una medida que permitiera un ajuste optimo en la seccion circular mas pequena

del contenedor.

Figura 2-6.: SubConjuntoEmbolo-Oring-Sensor de Temperatura

2.2.6. Ajustes Mecanicos

La maquina tiene varios puntos criticos en cuando a ajuste, a continuacion se da una breve

descripcion del funcionamiento de cada uno.

Rosca Interfaz-Contenedor: El ajuste es el ideal, es facil el enroscado, no hay que hacer

fuerza para lograr el empalme y no hay juego despues de finalizar el roscado.

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6 2 Estado actual de la maquina

Figura 2-7.: Ajuste Rosca Interfaz-Contenedor

Rosca Contenedor-Acople: La envolvente y perfil de las roscas son correctos y aptospara la colocacion del acople, el angulo de conicidad vara ligeramente del ideal.

Figura 2-8.: Ajuste Rosca Contenedor-Acople

Embolo-Contenedor: El ajuste ha fallado debido a la contraccion inesperada del con-

tenedor.

Figura 2-9.: Ajuste Embolo-Contenedor

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2.2 Diagnostico 7

2.2.7. Alimentacion y Control

La maquina se alimento de dos fuentes de energa distintas, la primera de ellas fue la red

domestica de 110V AC y la segunda, una batera de 12V DCcon capacidad para entregar

hasta 6A esto debido a la gran cantidad de corriente que necesita el motor para su funcio-

namiento.

Figura 2-10.: Alimentacion del Sistema

El motor se acciona mediante el uso de un puente H, conformado por 4 pares de transistoresmosfet de potencia que pueden manejar hasta 6A, cada par esta protegido por un optoaco-

plador que hace la vez de fusible en el circuito; la senal de entrada es un bus de 4 bits con

la secuencia establecida para un motor paso a paso bipolar.

El hardware usado para el control de la resistencia calefactora se presenta en la figura 2-

11, el cual consiste en una etapa de regulacion que asegura 3,3V como entrada al sistema

microcontrolado, este a su vez esta programado para entregar una tension PWM cuyo ciclo

util depende de la temperatura de la resistencia; por ultimo se encuentra un optoacoplador

encargado de ser la interfaz entre la salida del micro y el gate de un triac quien actua como

compuerta para permitir o no, el paso de energa haca la resistencia calefactora (RL)

Figura 2-11.: Circuito Control Temperatura

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3. Fallas ocurridas durante el proceso

3.1. Sistema de alimentacion no definido

Durante el desarrollo de la metodologa de diseno uno de los problemas mas importantes

fue la puesta en marcha del motor paso a paso debido a falta de informacion por parte del

fabricante, pues el elemento era usado y la compania desaparecio para formar parte de lamultinacional Schneider-Electric, por tanto las hojas tecnicas mas cercanas al modelo conse-

guido incluyen el conjunto motor-driver limitando la informacion especfica del motor por lo

menos en cuanto a caractersticas electricas. Se realizaron diversas pruebas usando circuitos

integrados para manejo de motores y diferentes fuentes de energa sin obtener resultados

positivos, la ultima alternativa trabajada fue el diseno y montaje de un puente H de poten-

cia con capacidad de manejo de hasta 5Asin disipador de calor alimentado por una batera

de vehculo. Las pruebas finales resultaron satisfactorias pero quedo la interrogante sobre el

reemplazo para la batera en el diseno final el producto.

Las pruebas realizadas para determinar la corriente del motor consistieron en la generacionde una secuencia de pulsos idoneos para el movimiento del motor pap bipolar a una baja

frecuencia (fpulso 2Hz) aplicando como carga la batera tal como se ilustra en la figura 3-1,

la medicion de corriente se hizo con el uso de un multimetro, este arrojo valores pico justo

en el cambio de secuencia muy dispares lo cual es entendible pues el instrumento apropiado

para este tipo de medicion es el osciloscopio.

Figura 3-1.: Esquema prueba de corriente necesaria

Ademas de la senal requerida para el motor, se debe alimentar el circuito controlador del

sistema termico con 110V AC, esto implica la necesidad de un sistema de alimentacion com-

pacto, que maneje las dos senales requeridas, sea seguro y facil de conectar.

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3.2 Acondicionamiento deficiente de sensor termico 9

3.2. Acondicionamiento deficiente de sensor termico

El sensor utilizado es una RTD PT100, es decir, un resistor cuyo valor depende linealmentede la temperatura; existen tablas de referencia que indican esta correspondencia e incluso el

fabricante proporciona el valor del coeficiente de resistencia por temperatura cuyo valor es

0,00385 /C

, estos datos fueron utilizados como base para el acondicionamiento de senal sin

la realizacion de una calibracion para el sensor en especfico con el que se estaba trabajando,

lo cual induce a errores principalmente por dos razones:

1. Cada sensor fabricado tiene un error respecto a los valores nominales que debe ser

medido y tenido en cuenta para la caracterizacion del sensor.

2. En ocasiones se puede perturbar la medida del sensor por el lugar o la forma en

la que este se instala, es recomendable en ese caso hacer la prueba de calibracion y

caracterizacion del sensor in situ.

Por otro lado se cometieron errores que fueron sumando incertidumbre a la medida como

el no acondicionar correctamente el sensor ya que se dispuso de un circuito en serie para

su medida dejando de lado la verificacion de parametros importantes como la sensibilidad,

linealidad y rango. No se utilizo amplificador de instrumentacion, esto representa un rango

de salida menor a 1V para diferencias de temperatura de 25C a 30C y falta el calculo de

parametros importantes como el error por el calor disipado por el sensor.

Figura 3-2.: sensor termico

3.3. Estrategia de control no apropiada

La estrategia de control adoptada consistio en la variacion del ciclo util de una senal PWM

proveniente del microcontroladorfreescale QG8en funcion de la temperatura sensada por laPT100. Un sistemaON-OFFse empleo para lograr este proposito fijando como temperatura

de referencia 35C, el control no fue funcional y segun el equipo de trabajo estas fueron las

dos posibles causas:

La realimentacion recibida por el sensor era bastante deficiente.

En la estratega de control no se tuvieron en cuenta algunas variables que terminaron

jugando un papel muy importante hasta el punto de generar danos en la maquina.

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10 3 Fallas ocurridas durante el proceso

En definitiva el control se realizo sin la previa recoleccion de informacion importante como la

constante de tiempo termica, acompanada de una grafica representativa del comportamiento

del sistema en el tiempo, adicionalmente no se hicieron pruebas para determinar problemasoriginados en la maquina a partir de la estrategia de control como la contracci on del con-

tenedor debido a la alta temperatura en su superficie. Se sugiere incluir en el control una

restriccion que asegure alcanzar la temperatura deseada (35C) sin llevar al contenedor a

temperaturas superficiales superiores a las soportadas por el material.

3.4. Deformacion del contenedor en algunas areas

Este problema fue muy ligado a la estrategia de control empleada para el funcionamiento

de la resistencia termica (PWM). La senal entregada por el microcontrolador contaba conuna frecuencia de 24,4 Hzy un ciclo util de 15 %. Debido a la falta de realimentacion que

provee el sensor termico, esta senal significo mas energa que la que realmente necesitaba la

resistencia, de forma que elevo su temperatura al punto en que el contenedor se contrajo.

Esto llevo a que ocurrieran desalineaciones en el eje de movimiento, tambien le quito simetra

radial al contenedor, impidiendo el movimiento correcto del embolo.

foto

Figura 3-3.: Foto

3.5. Ajuste no uniforme del embolo con las paredes del

contenedor

Como fue mencionado anteriormente, el contenedor sufrio deformaciones durante las pruebas.

La medida tomada para solucionar este problema fue remover manualmente material en la

superficie de contacto del embolo, de forma que pudiera pasar libremente en las paredes del

contenedor. Debido a que la deformacion del contenedor se situo en solo una seccion de este,

el embolo tena mayor oposicion al movimiento en ciertos intervalos de su desplazamiento.

Luego de remover el material necesario para el desplazamiento del embolo hasta el fondo

del contenedor, se observo que el O-Ring no ajustaba correctamente, hasta el punto de ser

facilmente retirable de su canal. Adicionalmente, se noto que en el ingreso del embolo al

contenedor exista un espacio libre considerable. Esto significo, luego en la prueba con el

fluido, la aparicion de escapes hacia la parte superior del contenedor, cuando se ejecutaba la

operacion de inyeccion.

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3.6 Gua del tornillo no alineada 11

foto

Figura 3-4.: Foto

3.6. Gua del tornillo no alineada

La gua mostrada en la Figura, tuvo el proposito es el de impedir el giro del tornillo de

potencia, para que as pueda desplazarse axialmente. La fabricacion de esta pieza se realizoen un taladro de arbol, cuyo montaje no ofreca buena alineacion. Al realizar pruebas de

inyeccion con la maquina totalmente ensamblada, se noto que la gua desviaba al tornillo,

ocasionando momentos flectores que frenaban el movimiento del motor, en mayor medida

cuando el tornillo llegaba al fin de su recorrido.

Figura 3-5.: Foto

3.7. Montaje del sistema electrico no finalizado

El sistema electrico se compone de los siguientes bloques:

Circuito de potencia para control del motor.

Circuito de potencia para control de resistencia termica.

Circuitos de Regulacion y distribucion de energa.

Circuito logico.

El conjunto de circuitos se ha disenado y puesto en funcionamiento en placas de prueba,

donde por restricciones de espacio se han usado dos microcontroladores, uno para cada placa

y aunque por el momento es beneficioso se requiere la integraci on de la logica en un solo

microcontrolador as como la unificacion de los circuitos para seguir con la fabricaci on de

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12 3 Fallas ocurridas durante el proceso

la placa impresa y colocacion del sistema dentro del compartimiento dispuesto dentro de la

maquina.

Por otro lado es necesario cambiar los disipadores de calor de los transistores por unos

que presenten un mayor coeficiente de transferencia de calor, as como el cambio de varios

transistores por una referencia que maneje mas corriente.

3.8. Diseno de interfaz robot/inyector incompleto

Como se menciono en la anterior seccion el software no ha sido unificado en un solo mi-

crocontroador por dos razones, la primera de ellas era la dificultad para su implementaci on

en las placas de prueba y la segunda era la falta de existencias de microcontroladores conreferencia MC9S08SE8, adecuados por el numero de pines GPIO por lo cual se opto por

usar una solucion economica temporal, dos microcontroladores MS9S08QG8.

No se han definido el o las figuras geometricas que se usaran como ejemplo para la prueba

de funcionamiento de la maquina en el robot y hace falta una rutina en robotstudio con

las respectivas senales de entrada y salida del robot para su correcta sincronizacion con el

inyector. En el diseno mecanico hay algunas variantes que pueden determinar el numero de

senales necesarios para la comunicacion robot maquina.

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4. Conclusiones y recomendaciones

4.1. Conclusiones

4.2. Recomendaciones

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A. Anexo: Nombrar el anexo A de

acuerdo con su contenido

Los Anexos son documentos o elementos que complementan el cuerpo de la tesis o trabajo de

investigacion y que se relacionan, directa o indirectamente, con la investigacion, tales como

acetatos, cd, normas, etc.

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Bibliografa