Universidad Tecnológica de Querétaro

Universidad
Tecnológica
de Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnológica de
Querétaro, o=UTEQ, ou=UTEQ,
email=admin@uteq.edu.mx, c=MX
Fecha: 2014.05.21 21:49:33 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del Proyecto:
“Detector de Corona Incompleta en Envases de Vidrio”
Empresa:
Vidriera Monterrey S.A. de C.V. (Planta Querétaro)
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
Ingeniero en Tecnologías de Automatización
Presenta:
José Antonio Rosales De Jesús
Asesor de la UTEQ
Ing. José Felipe Aguilar Pereyra
Asesor de Organización
Ing. Roberto Vivanco Rivera
Santiago de Querétaro, Qro. Mayo del 2014
RESUMEN
La realización de este proyecto se llevó a cabo dentro de las instalaciones de
Vidriera Querétaro, el cual tiene como objetivo principal la detección de envases
con defecto
de corona incompleta. Para evitar que este defecto llegue al
cliente, los equipos de inspección automática que actualmente están trabajando
en las líneas de producción están quedando obsoletos, debido que estos tienen
más de 20 años trabajando sin interrupción y sin ser actualizados. Por lo
anterior, se decidió realizar un nuevo detector con tecnología actual y de fácil
ajuste. A continuación se describe a detalle el desarrollo y realización del
detector de corona incompleta, con el cual se busca que sea eficiente y
económico, para poder ser implantado en todas las líneas de producción de
Vidriera Querétaro, también en un futuro se busca ser implementado en las
demás plantas del grupo Vitro.
2
SUMMARY
During my internship I carried out a project in order to implement a
detector of incomplete crown in glass bottles. I learned many things and one of
the most important was the detector design, making the electrical circuit with the
software livewire and PCB wizard. Another of the things that I learned was to
administrate the materials resources used in the project, completing it in the
established time. In the staff, I was able to develop my skills and knowledge that
I acquired at college. It was a great satisfaction to finish the project and to full fill
the objectives to fully satisfy the customers with the results obtained. My
internship was a great opportunity to develop myself at a professional level and
interacting with other people. It helped me to gain experience in the industry by
putting into practice the knowledge acquired in class.
3
DEDICATORIAS
Dedico esta memoria a toda mi familia, por el apoyo recibido para la
culminación de mis estudios. Principalmente a mi esposa y a mis hijos que me
dieron el valor para continuar con mi formación profesional. A mis padres por
inculcarme los valores necesarios para ser una mejor persona en la sociedad y
valorar todas las cosas que se encuentran a nuestro alrededor
4
AGRADECIMIENTOS
Agradezco principalmente a Dios por permitirme culminar mi carrera
profesional. A mi familia que sin su apoyo no hubiera sido posible concluir con
mis estudios, a todos mis compañeros que me brindaron su apoyo durante mi
estancia en la Universidad. A mis profesores por todas las enseñanzas
recibidas. A la Universidad Tecnológica de Querétaro, por mi formación
profesional. A la empresa Vidriera Querétaro por brindarme la oportunidad de
realizar mi proyecto de ingeniería dentro de sus instalaciones. A todo el
departamento de Equipos Especiales Codificación y Prueba, al Ing. Roberto
Vivanco, por el apoyo que me brindaron en mi estancia en Vidriera Querétaro.
5
ÍNDICE
Resumen…………………………………………………………………...................2
Summary……………………………………………………………………………...3
Dedicatorias…………………………………………………………………………..4
Agradecimientos……………………………….…………………………………….5
Índice………………………………………………………………………………….6
I.
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………….7
II.
ANTECEDENTES……………………………………………………………8
III.
JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………..9
IV.
OBJETIVOS………………………………………………………………….10
V.
ALCANCES……………………………………………………….…………10
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS……………………………………………….......11
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA…………………………………………..12
VIII.
PLAN DE ACTIVIDADES.......................................................................32
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS………………………………33
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO……………………………………......36
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS……………………………………………...51
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………...52
XIII.
ANEXOS
XIV. BIBLIOGRÁFIA
6
I. INTRODUCCIÓN
Hoy en día la competencia en el mercado de la industria del vidrio es cada vez
más intensa y la exigencia por parte de los clientes que consumen estos
productos es cada vez más alta. En Vidriera Querétaro la calidad de los
envases que se fabrican es la principal prioridad y su objetivo es posicionarse
en el mercado como líder en productos de vidrio. Por lo anterior, se ha hecho
importantes inversiones en tecnología para garantizar la calidad de los envases.
Como consecuencia, se decidió desarrollar un detector de corona incompleta, el
cual garantice que los envases que presenten este defecto sean rechazados
por el detector, el cual servirá como complemento de los equipos de inspección
automática. El detector de corona incompleta está basado en los principios de
la óptica, ya que tiene un emisor y dos receptores. Con la implementación de
este proyecto se busca reducir a cero los rechazos internos dentro de la línea
de producción y garantizar que este defecto no llegue al cliente.
7
II. ANTECEDENTES
Vitro, S.A.B. de C.V. Es la Compañía líder en la fabricación de vidrio en México
y una de las más importantes en el mundo. La empresa fue fundada en 1909,
en Monterrey, México. Ofrece productos de calidad y servicios confiables para
satisfacer las necesidades de dos distintos tipos de negocios: envases de vidrio
y vidrio plano.
La compañía cuenta actualmente con empresas subsidiarias en América y
Europa. Produce, procesa, distribuye y comercializa una amplia gama de
artículos de vidrio que forman parte de la vida cotidiana de miles de personas.
Vitro brinda soluciones a múltiples mercados que incluyen los alimenticios,
bebidas, vinos, licores, cervezas, cosméticos, fragancias y farmacéuticos, así
como el automotriz y arquitectónico. La compañía es también proveedora de
materias
primas,
maquinaria
y
equipo
para
uso
(http://www.vitro.com/vitro_corporativo/espanol/abus.htm, 2014)
Figura 1.1 Vidriera Querétaro y principales productos.
8
industrial.
III. JUSTIFICACIÓN
Debido a la alta competencia en la fabricación de envases de vidrio y a los
altos estándares de calidad que exigen los clientes, Vidriera Querétaro se ha
visto en la necesidad de mejorar sus procesos de producción para asegurar la
confiabilidad de sus productos.
A pesar que en la línea de producción se cuenta con el equipo para detectar
defectos en la corona, este no es suficiente para asegurar al 100% que los
envases que se fabrican estén libres de defecto. A consecuencia de lo anterior,
se realizan rechazos internos, los cuales ocasionan reproceso en el mejor de
los casos. Si este defecto llega al cliente, genera una reclamación, lo cual causa
una perdida para la empresa de miles o millones de pesos.
La implementación del detector de corona incompleta será de gran utilidad para
la empresa y son muchos los beneficios que este proporcionará, ya que de esta
manera se evitará que haya rechazos o reclamaciones por parte del cliente por
el defecto mencionado.
9
IV. OBJETIVO
Diseñar, desarrollar e implementar un dispositivo electrónico, el cual será capaz
de detectar el cien por ciento de envases con corona incompleta y separar los
envases defectuosos de la línea de producción.
V. ALCANCE
El alcance de este proyecto contempla las siguientes etapas:
1. Análisis del problema.
a) Una de las causas que originaron la realización de este proyecto es la falta
de refacciones, ya que el proveedor y la empresa rompieron el acuerdo de
colaboración.
b) Detección de defectos en la corona del envase.
c) Descripción actual del sistema.
2. Rediseño del sistema de detección de corona incompleta
a) Al detector se agregará una nueva función, el cual tendrá un indicador de
lámpara fundida.
3. Fabricación del detector de corona incompleta en envases de vidrio.
4. Pruebas fuera de la línea de producción.
5. Instalación del detector y pruebas en la línea de producción.
10
VI. ANÁLISIS DE RIESGO
Una de las causas por la cual no se pueda cumplir el objetivo del proyecto, es la
falta de presupuesto, debido a que la empresa se encuentra en una recesión
económica y no está dispuesta a gastar más del presupuesto que se tenía
contemplado para todo el año.
Otro de los factores que influye en alcanzar el objetivo del proyecto, es el
tiempo. Ya que el proyecto es muy amplio y abarca muchas etapas, como son:
el diseño, investigación, análisis, elaboración, etc.
11
VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Celdas Fotovoltaicas
Las celdas fotovoltaicas, son sistemas que convierten directamente parte de la
luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida
como efecto fotoeléctrico en su forma más simple, estos materiales se
componen de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La
luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo,
de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad
de la radiación, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones.
Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente
eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se
fabrican principalmente de silicio (el segundo elemento más abundante en la
corteza terrestre). Actualmente, existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en
nuestras calculadoras solares, así como en los cohetes espaciales. (Héctor M.
Poggi-Varaldo, 2009). En la figura 6.1 se muestra una celda fotovoltaica
utilizada en la industria.
Principio de Funcionamiento
La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación
fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto
fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones.
12
Figura 6.1 Celda fotovoltaica
Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una
corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar
circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas también celdas solares, están
compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en
la industria microelectrónica, como por ejemplo el silicio. En la figura 6.2 se
muestra el flujo de electrones y corriente en una celda fotovoltaica. (Héctor M.
Poggi-Varaldo, 2009).
13
Figura 6.2 Flujo de electrones y corriente en una celda fotovoltaica.
Una delgada lámina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo
eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energía
luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extraídos de los átomos del
material semiconductor. Como se han dispuesto conductores eléctricos en
forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones
circulan para formar una corriente eléctrica que aporta energía. Cuando la luz
pega en una celda fotovoltaica, esta puede ser: reflejada, absorbida o pasar
limpiamente a través de ésta. No obstante, solo aquella luz absorbida es la que
va a generar electricidad. La energía de la luz es transferida a electrones en los
átomos de la celda fotovoltaica. Con su nueva energía, los electrones escapan
de sus posiciones normales en los átomos del material semiconductor foto
voltaicos y se convierten en parte del flujo eléctrico. (Héctor M. Poggi-Varaldo,
2009).
14
El silicio es el material semiconductor más común en la naturaleza. Se emplea
en toda la microelectrónica con el cuál se fabrican los circuitos integrados y se
ha logrado un gran progreso en la producción casi perfecta de estos cristales.
Cuando un electrón de valencia rompe su enlace y pasa a la banda de
conducción deja atrás un enlace suelto que puede ser ocupado por otro electrón
que se encuentra en la banda de valencia. Este movimiento es equivalente al
movimiento de una carga positiva a través del cristal. Es mucho más
conveniente analizar este espacio vacío, al cual se le llama hueco, que el
conjunto total de los electrones restantes. El hueco es así similar al electrón
pero con carga positiva. La Figura 6.3 muestra esquemáticamente el
movimiento de electrones y huecos libres bajo la acción de un campo eléctrico
externo. Nótese que el electrón se mueve hacia el potencial positivo en tanto el
hueco lo hace hacia el potencial negativo.
Figura 6.3 Representación esquemática del movimiento de electrones y huecos
libres bajo la acción de un potencial aplicado.
15
Debido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se comportan
como una batería, creando un campo eléctrico en la superficie dónde ellos se
juntan en la unión p-n. El campo eléctrico obliga a los electrones a trasladarse
desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan
disponibles para ser ocupados por algún circuito eléctrico o acumulación. Al
mismo tiempo los huecos se mueven en dirección contraria hacia la superficie
positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en dirección
contraria. En la figura 6.4 se muestra el efecto de absorción de una celda
fotovoltaica.
Figura 6.4 Efecto de absorción en una celda fotovoltaica.
16
El Amplificador Operacional.
Uno de los dispositivos electrónicos de mayor uso y versatilidad en aplicaciones
lineales es el amplificador operacional. Al cual se le llama, especialmente en
libros en idioma inglés “op amp”. El amplificador operacional goza de gran
popularidad porque su costo es bajo, es fácil de utilizar y divertido trabajar con
él. Permite construir circuitos útiles sin necesidad de conocer la complejidad de
la circuitería interna. Los posibles errores de cableado no tienen consecuencias
pues están provistos de circuitos internos para autoprotección.
Un amplificador operacional es un amplificador diferencial desde el punto de
vista de una señal eléctrica. El Amplificador Operacional tiene tres terminales:
dos terminales de entrada y una terminal de salida. La figura 6.5 muestra el
símbolo que se utiliza para representarlo. Los terminales 1 y 2 son las
terminales de entrada, y la terminal 3 es la de salida.
Terminal de entrada
no inversora
V+ Terminal de alimentación
positiva
4
1
3
Terminal de entrada
inversora
741C
Terminal de salida
2
Número de identificación de parte
5
V- Terminal de alimentación
negativa
Figura 6.5 Símbolo eléctrico y terminales de un amplificador operacional de
propósito general.
17
Como el amplificador operacional es un dispositivo activo (está formado por
transistores, resistencias y algún capacitor), requiere una potencia de continua
para funcionar. La mayoría de amplificadores operacionales de circuito
integrado requieren dos fuentes de corriente continua, como se muestra en la
figura 6.4 Las terminales 4 y 5 del operacional se conectan a una tensión
eléctrica positiva VCC, y a una negativa, -VEE, respectivamente, siendo
habitual que su amplitud sea igual en valor absoluto. (Robert F. Coughlin, 1993)
Las dos fuentes de alimentación de corriente continua presentan una tierra
común. Es interesante observar que el punto tierra de referencia en los
amplificadores operacionales es precisamente el terminal común de las dos
fuentes de alimentación; esto es, ningún terminal del amplificador operacional
se conecta físicamente a tierra. Es importante indicar que también existen
operacionales que se alimentan entre tensión y tierra (operacionales Norton).
En adición a los tres terminales de la señal y los dos terminales de la
alimentación de corriente continua, un amplificador operacional puede tener
otros terminales para propósitos específicos.
La ecuación ideal que gobierna el comportamiento del amplificador operacional
es la siguiente:
Vo = A (+V - -V)
Donde:
18
(1)
Vo es la tensión de salida,
A la ganancia en lazo abierto,
+V es la señal de la entrada no inversora,
-V es la señal de la entrada inversora.
Encapsulado
El amplificador operacional se fabrica en un diminuto chip de silicio y se
encapsula en una caja adecuada. Alambres finos conectan al chip con
terminales externas que salen de la cápsula de metal, plástico o cerámica. La
figura 6.6 (a), (b) y (c) muestra los encapsulados comunes de los amplificadores
operacionales. El encapsulado de caja metálica de la figura 6.5(a) viene con 3,
5, 8, 10 y 12 terminales. El chip de silicio está unido a la placa metálica del
fondo para facilitar la disipación de calor. La lengüeta identifica la terminal 8 y
las terminales están numeradas en sentido contrario al de las manecillas del
reloj cuando la caja metálica se ve desde arriba.
19
Figura 6.6 los tres encapsulados más comunes de amplificadores operacionales
son: (a) las cajas metálicas. Los encapsulados dobles en línea, de 8 y 14
terminales (b) y (c). Respecto a los circuitos integrados de gran densidad, se
muestra en (d), un encapsulado con tecnología de montaje de superficie.
El amplificador operacional tiene distintas funciones que depende de su
configuración, por ejemplo: comparador, amplificador inversor, amplificador no
inversor, sumador, etc. A continuación mencionaremos sólo una de las
configuraciones que utilizaremos.
20
Comparador
La manera más sencilla de construir un comparador consiste en conectar un
amplificador operacional sin resistencias de realimentación. Tal y como se
muestra en la figura 6.7
Figura 6.7 Amplificador operacional en modo de comparador.
Un amplificador operacional "lee" la tensión en la entrada +, le resta la tensión
de la entrada - y el resultado lo multiplica por un número muy grande, para
sacarlo después en forma de tensión por la salida. Existe una tensión máxima
de salida del operacional de la que nunca pasará. A esta tensión se le llama
"tensión de saturación" (Vsat).
Esta tensión de saturación vendrá determina por la tensión de alimentación y
por el tipo de amplificador operacional que se utilice. En el caso del 741
alimentado a ±12V el Vsat es de unos 10V. Por lo tanto, cuando Vin sea mayor
21
que cero la salida se disparará a +Vsat, y cuando sea inferior a cero la salida se
disparará a -Vsat: Estamos comparando Vin con una señal de referencia que,
en este caso, es cero.
Ahora vamos alimentar el circuito anterior con tensión simple de 15V y vamos a
poner unas resistencias para poder variar la tensión de referencia (Vref): como
se muestra en la figura 6.8
Figura 6.8 Tensión de referencia
Como la corriente que entra al operacional es 0, el Vref vendrá dado por la
siguiente expresión:
(2)
Dónde:
= Voltaje de referencia.
22
Cuando la tensión de entrada Vin sea mayor que la de referencia => Vin - Vref
dará un número positivo y por lo tanto la tensión de salida estará a nivel alto,
(cercano a 12 voltios).
Cuando la tensión de entrada Vin sea menor que la de referencia => Vin - Vref
dará un número negativo y por lo tanto la salida estará a nivel bajo, (cercano a
cero voltios).
23
OPTOACOPLADOR
Un opto-acoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un foto-receptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la
luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un
Funciona
de
tal
en capsulado.
manera que la señal de control viaja través de las
terminales del foto emisor. Provocando así disparar una luz hacia el receptor y
dicha señal será absorbida por el foto receptor. Los opto acopladores son
capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y
volver a convertirla en una señal eléctrica.
La gran ventaja de un opto
acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los
circuitos de entrada y salida. Los foto emisores que se emplean en los opto
acopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los
foto receptores pueden ser tiristores o transistores en la figura 6.9 se muestran
algunos de los opto acopladores más comunes y utilizados. (Gomez, 2007)
24
Figura 6.9 Principales diagramas de opto acopladores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un
haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de
plástico o cristal hacia el foto receptor. La energía luminosa que incide sobre el
foto receptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este
responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión. En la
figura 6.10 se muestra el diagrama eléctrico del opto acoplador. Existen varios
tipos de opto acopladores, a continuación se mencionan los más comunes:
Fototransistor: Se compone de un opto acoplador con una etapa de salida
formada
por
un
transistor
BJT
25
(transistor
de
unión
bipolar).
Fototriac: Se compone de un opto acoplador con una etapa de salida formada
por un triac (tríodo para Corriente Alterna).
Fototriac de paso por cero: Opto acoplador en cuya etapa de salida se
encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero
conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.
Figura 6.10 circuito típico y encapsulado de un opto acoplador.
26
Tarjeta de circuito impreso (PCB)
En electrónica, un circuito impreso o PCB (printed circuit board), es un medio
para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes
electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados en
hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor, comúnmente
baquelita o fibra de vidrio.
Historia
El inventor del circuito impreso es probablemente el ingeniero Paul Eisler (19071995) quien, mientras trabajaba en Inglaterra, hizo uno alrededor de 1936,
como parte de una radio. Alrededor de 1943, los Estados Unidos comenzaron a
usar esta tecnología en gran escala para fabricar radios que fuesen robustas,
para la Segunda Guerra Mundial después de la guerra en 1948, EE.UU. libero
la invención para el uso comercial. Los circuitos impresos no se volvieron
populares en la electrónica de consumo hasta mediados de1950, cuando el
proceso de Auto-Ensamblaje fue desarrollado por la Armada de los Estados
Unidos.
Antes que los circuitos impresos (y por un tiempo después de su invención), la
conexión punto a punto era la más usada. Para prototipos, o producciones no
mayores, el método “wire-wrap” puede considerarse más eficiente.
27
Originalmente, cada componente electrónico tenia pad’s de alambre, y el
circuito impreso tenia orificios taladrados para cada pad del componente los
Pad’s de los componentes atravesaban los orificios y eran soldadas a las pistas
del circuito impreso. Este método de embalaje es llamado (“a través del
orificio”). En 1949, Moe Abramson y Stanius F.Danko, de la United States Army
Signal Corps desarrollaron el proceso de auto ensamblaje, en donde las patas
de los componentes eran insertadas en la lámina de cobre con el patrón de
interconexión, y luego eran soldadas. Con el desarrollo de la laminación de
tarjetas y técnicas de grabado, este concepto evolucionó en el proceso estándar
de fabricación de circuitos impresos usando en la actualidad. La soldadura se
puede hacer automáticamente pasando la tarjeta sobre un flujo de soldadura
derretida, en una máquina de soldadura por ola.
Sin embargo, los pines y orificios son desperdicio, es costoso perforarlos
orificios, y el largo adicional de las patas es eliminado. En vez de utilizar partes
through-hole, a menudo se utilizan dispositivos de montaje superficial.
Sustratos
Los sustratos de los circuitos impresos utilizados en la electrónica de consumo
de bajo costo, se hacen de papel impregnados de resina fonolita, a menudo
llamados por su nombre comercial Pertinax. Usan designaciones como XXXP,
XXXPC, y FR-2. El material es de bajo costo, fácil de mecanizar y causa menos
desgaste de las herramientas que los sustratos de fibra de vidrio reforzados.
28
Las letras FR en la designación del material indican “retardante de llama” (flame
retardant).
Los sustratos para los circuitos impresos utilizados en la electrónica industrial y
de consumo de alto costo, estos hechos típicamente de un material designado
FR-4. Estos consisten de un material de fibra de vidrio, impregnados de una
resina epoxica resistente a las llamas. Pueden ser mecanizados, pero debido al
contenido de vidrio abrasivo, requiere de herramientas hechas de carburo de
tungsteno en la producción de altos volúmenes. Debido al reforzamiento de la
fibra de vidrio, exhibe una resistencia a la fricción y a las rizaduras, alrededor de
5 veces más alta que el pertinax, aunque a un costo más alto.
No todas las tarjetas son de materiales rígidos. Algunas son usadas para ser
muy o ligeramente flexibles, usando DuPont’s Kapton film de poliamida y otros.
Esta clase de tarjetas a veces llamadas circuitos flexibles, o circuitos rígidoflexibles, respectivamente, son difíciles de crear, pero tienen muchas
aplicaciones. A veces son flexibles para ahorrar espacio (los circuitos impresos
dentro de las cámaras y audífonos son casi siempre circuitos flexibles de tal
forma que puedan doblarse en el espacio disponible limitado. En ocasiones, la
parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia
otra tarjeta o dispositivo. Un ejemplo de esta última aplicación es el cable que
conecta el cabezal en una impresora de inyección de tinta. Las características
básicas del sustrato son:
29
Mecánicas
Suficientemente rígidos para mantener los componentes
Fácil de taladrar
Si problemas de laminado
Metalizado de los taladros
Retardante de llamas
No absorbe demasiada humedad
Técnicas
Disipa bien el calor
Coeficiente de expansión térmica bajo para que no se rompa
Capaz de soportar el calor en la soldadura
Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura
Eléctricas
Constante dieléctrica baja para tener pocas perdidas
Punto de ruptura dieléctrica alto.
Diseño
Usualmente un ingeniero eléctrico o electrónico diseña el circuito y un
especialista diseña el circuito impreso. El diseñador debe obedecer normas
para diseñar un circuito impreso que funcione correctamente y que al mismo
30
tiempo sea accesible de fabricar. Sin embargo para evitar errores humanos y
desperdicio al momento de la fabricación ha sido posible emplear procesos
automáticos para el diseño de PCB.
Los diseñadores de circuitos impresos a menudo utilizan programas de diseño
electrónico automatizado (EDA por sus siglas en ingles), para distribuir e
interconectar los componentes. Estos programas almacenan información
relacionada con el diseño facilita la edición, y puede también automatizar tareas
repetitivas.
La primera etapa es convertir el esquemático en una lista de nodos (o net list en
inglés) la lista de nodos es una lista de las patas y nodos del circuito a los que
se
conectan
las
terminales
de
wizard.software.informer.com/).
31
los
componentes.
(http://pcb-
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES
Las actividades principales se muestran a continuación en la gráfica de Gantt, figura 7.1, son las de mayor
prioridad para alcanzar los objetivos.
Figura 7.1 Grafica de Gantt
32
IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
En la tabla 8.1 se hace una descripción de las herramientas utilizadas para la
realización del proyecto.
Partida
1
2
3
4
Descripción
Hardware
Software (Livewire)
Set de herramientas
Cautin
Cantidad Precio unitario Importe
1
$6,000.00 $6,000.00
1
$1,000.00 $1,000.00
1
$1,000.00 $1,000.00
1
$300.00
$300.00
Total
8,300.00
Tabla 8.1 Herramientas utilizadas en el proyecto.
En la tabla 8.2 se hace una descripción de los recursos materiales utilizados
para la realización del proyecto.
33
Partida
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Descripción
Cantidad Precio unitario
Soldadura de estaño
Placa fenólica
Transistor MPSA13
Amplificador operacional TL084
Puerta lógica 74LS04
Capacitor 2200 µF
Regulador 7805
Regulador 7824
Puente de diodos a 1A
Resistencia
Fotocelda
Led de alta intensidad
H11C1
QTC4N33
Diodo 1N4004
Portafusible
Swich
Cloruro ferrico
Transformador
Potenciometro
1
1
3
1
2
1
1
1
1
15
1
1
8
1
1
1
1
1
1
2
$200.00
$100.00
$12.00
$20.00
$14.00
$5.00
$5.00
$9.00
$9.00
$5.00
$50.00
$100.00
$10.00
$18.00
$3.00
$20.00
$20.00
$30.00
$200.00
$30.00
TOTAL
Importe
$200.00
$100.00
$36.00
$20.00
$14.00
$5.00
$5.00
$9.00
$9.00
$75.00
$50.00
$100.00
$80.00
$18.00
$3.00
$20.00
$20.00
$30.00
$200.00
$60.00
$1,054.00
Tabla 8.2 Recursos materiales.
En la tabla 8.3 se muestran los recursos humanos utilizados para la realización
del proyecto.
Partida
1
2
3
Descripción
Ing. En Tecnologías de la Automatización
Ing. Electrónico
Técnico en electrónica
Horas
$/horas
Importe
640
48
56
87.5
150
50
total
$56,000.00
$7,200.00
$2,800.00
$66,000.00
Tabla 8.3 Recursos humanos.
34
Total de recursos utilizados.
En la tabla 8.4 se representa la suma de los recursos humanos y materiales,
utilizados para el desarrollo del detector de corona incompleta en envases de
vidrio.
Partida
1
2
Total de gastos
HUMANOS
MATERIALES
TOTAL
$66,000.00
$1,054.00
$67,054.00
Tabla 8.4 suma total de recursos utilizados.
35
X. DESARROLLO DEL PROYECTO
El Detector de Corona Incompleta en Envases de Vidrio se realizó dentro de
las instalaciones de Vidriera Monterrey, planta Querétaro; ubicada en Av.
Coahuila
# 5, parque industrial Benito Juárez.
El equipo de detección de corona incompleta que actualmente está trabajando
en la línea de producción es ya obsoleto y por lo mismo ya no hay refacciones
en el mercado. Por lo anterior, se decidió realizar un detector nuevo con
tecnología actual, que cuente con un fácil ajuste y que sea capaz de
inspeccionar los envases de vidrio al 100%.
Detector de corona incompleta
Su principio de funcionamiento se basa en las propiedades ópticas de la luz.
Este detector cuenta con un emisor y un receptor; el emisor es un led de alta
intensidad, en conjunto con un lente cóncavo, que sirve para enfocar el haz de
luz a la corona del envase, este sustituyó a la lámpara de halógeno que
originalmente tenía el sistema. El receptor, se compone de una celda
fotovoltaica y un lente cóncavo.
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En la figura 10.1 se muestra el detector de corona incompleta en envases de
vidrio actual, que será remplazado por el nuevo detector.
Figura 10.1 Detector de corona incompleta actual.
(http://www.vitro.com/vitro_corporativo/espanol/abus.htm, 2014)
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Para lograr el objetivo establecido del proyecto se decidió por realizar el
detector de corona incompleta en envases de vidrio con amplificadores
operacionales y se seleccionó el circuito TL084. Se eligió este amplificador
operacional ya que es de los más comerciales y de un precio accesible en el
mercado. En la figura 10.2 se muestra el diagrama esquemático del
amplificador de corona incompleta en envases de vidrio.
Vf
Va
Vr
Vz
VR2
Figura 10.2 Diagrama esquemático del amplificador de corona
incompleta.
Cuando la celda fotovoltaica percibe una variación en la intensidad de la luz
reflejada en la corona del envase, una señal eléctrica (Vf) proporcional a la
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variación de la luz es enviada al amplificador (IC3). Este está configurado como
amplificador inversor, debido a que la señal de entrada está conectada a la
terminal inversora del amplificador, a consecuencia de esto la señal de salida
será opuesta a la señal de entrada. El circuito IC5 actúa como un filtro activo,
debido a que utiliza como elemento de retroalimentación un capacitor y una
resistencia, este nos sirve para disminuir el ruido del circuito.
Después el amplificador (IC2) recibe la señal enviada por el amplificador (IC3)
(Va), este la compara con respecto a la referencia (set point) (Vr), este se ajusta
con la resistencia variable VR2, para determinar o enviar la señal de rechazo al
circuito de potencia. El diodo zener es utilizado para estabilizar la tensión de
referencia de IC3 y mediante VR1 se puede hacer ajustable.
La función del circuito de potencia es aislar las señales de control con respecto
a la señal de rechazo de la máquina, debido a que la señal de rechazo es de
120 VAC. En este circuito también se encuentra la fuente de poder que
alimentará al amplificador y al led de alta intensidad. En la figura 10.3 se
muestra el diagrama electrónico del circuito de potencia, del detector de corona
incompleta en envases de vidrio.
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Figura 10.3 Diagrama esquemático del circuito de potencia del detector
de corona incompleta.
Una vez realizado el diseño eléctrico del detector de corona incompleta, se
realizaron pruebas para evaluar su funcionamiento, analizar posibles mejoras y
conocer las condiciones de operación en la máquina de inspección automática.
Al realizar las pruebas propuestas para el detector de corona incompleta, el
siguiente paso fue realizar el circuito PCB. Para la realización del prototipo se
diseñó en el programa PCB Wizard®. El diseño de la tarjeta se muestra en la
figura 10.4.
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Figura 10.4 Tarjeta del amplificador diseñada en PCB Wizard.
En la figura 10.5 se muestra el diseño normal de los componentes electrónicos
del detector de corona incompleta.
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Figura 10.5 Diseño normal del amplificador en PCB Wizard.
Para hacer cualquier diseño en PCB, es necesario conocer las características
eléctricas de los componentes electrónicos que vamos a utilizar en el proyecto.
Por lo que es muy útil apoyarse con la hoja de datos de los compontes, de esta
manera sabremos con exactitud como diseñar las pistas del circuito en PCB.
Una vez terminado el diseño en PCB se imprime en hoja transfer, para pasarlo
a la placa fenólica, en este caso el circuito se imprimió como se muestra en la
figura 10.6
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Figura 10.6 Diagrama eléctrico del amplificador en PCB para imprimir.
Una vez que el diseño del circuito se transfirió a la placa fenólica, se procedió a
ponerla en cloruro férrico para remover el exceso de cobre, para que solo
quedaran las pistas del circuito. En la figura 10.7 se muestra el circuito impreso
en la placa fenólica, listo para perforar y soldar los componentes.
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Figura 10.7 Circuito impreso en la placa fenólica.
A continuación se procedió a perforar y soldar los componentes electrónicos, en
la figura 10.8 se muestra el amplificador ya terminado.
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Figura 10.8 tarjeta del amplificador ya terminado.
Después de terminar la tarjeta del amplificador, se procedió a conectarlo a la
tarjeta del circuito de potencia. La función de esta última es enviar la señal de
rechazo al control de inspección de la máquina, que a su vez activará al cilindro
de rechazo cuando se detecte un envase con el defecto de corona incompleta.
En la figura 10.9 se muestra la tarjeta de potencia.
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Figura 10.9 Tarjeta del circuito de potencia.
En la figura 10.10 se muestra la tarjeta del amplificador ya conectada con la
tarjeta de potencia.
Figura 10.10 Tarjeta del amplificador conectada a la tarjeta de potencia.
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Una vez conectadas las dos tarjetas, se procedió a instalar el ensamble
mecánico, donde va acoplado el emisor (led) y el receptor (fotocelda). En la
figura 10.11 se muestra el ensamble mecánico del detector de corona
incompleta. Estos deben de ir ajustados a 30º con respecto a la horizontal,
debido a que el ángulo de incidencia debe igual al ángulo de reflexión.
Receptor
Emisor
Figura 10.11 Ensamble mecánico del detector de corona incompleta.
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En la figura 10.12 se muestra el receptor y el emisor del detector de corona
incompleta.
A)
B)
Figura 10.12 A) Receptor y B) Emisor
Posteriormente se realizaron varias pruebas al detector, para evaluar su
efectividad. Después de dichas pruebas se llegó a la conclusión de que el
detector estaba muy sensible, para resolver este problema se ajustó el
potenciómetro VR1 del amplificador. Una vez hechas las correcciones
necesarias se realizaron más pruebas, las cuales fueron satisfactorias. Cuando
el equipo detecta un envase con el defecto de corona incompleta, la señal es
enviada al control de inspección de la máquina, éste último se encarga de
procesar las señales de todos los detectores instalados y determinar en qué
estación de inspección ocurrió el rechazo y a su vez mandar la señal de
rechazo al actuador, para que sea separada de la línea de producción. En la
figura 10.13 se muestra
la señal de rechazo que es enviada al control de
inspección.
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Señal de rechazo
Señal de rechazo
Figura 10.13 señal de rechazo del
detector de corona incompleta.
Figura 10.14 indicadores de
rechazo.
También la señal de rechazo es enviada al tablero de indicadores, este es sólo
para que el operador pueda visualizar la causa del rechazo del envase. En la
figura 10.14 se muestra los indicadores.
El detector de corona incompleta quedó instalado en la máquina de inspección
automática, como se muestra en la figura 10.15
Una vez instalado el detector de corona incompleta, se dio por terminado con el
proyecto, de acuerdo a los requerimientos establecidos por el cliente. Se
cumplió con los objetivos propuestos al inicio del proyecto.
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Figura 10.15 Detector de corona incompleta instalado en la máquina.
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XI. RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados que se obtuvieron fueron los esperados, ya que el detector de
Corona Incompleta en Envases de Vidrio, cumple con los requerimientos que el
cliente pidió, tanto en el diseño y elaboración del circuito eléctrico.
El cliente Vidriera Querétaro, queda satisfecho con los resultados obtenidos, ya
que
al
contar
con
un
detector
de
Corona
Incompleta,
aumenta
considerablemente su calidad en la inspección de los envases, por lo que la
calidad de sus productos es de mayor competitividad en el mercado de envases
de vidrio.
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XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En una segunda etapa del proyecto se pretende instalar el detector de corona
incompleta, en todas las líneas de producción de Vidriera Querétaro, para
mejorar los procesos de producción y asegurar la calidad de los envases. A
largo plazo se pretende ser instalado el detector de corona incompleta, en las
demás plantas de envases del grupo Vitro.
.
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XIII. ANEXOS
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XIV. BIBLIOGRÁFIA
Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales
Robert F. Coughlin
Frederick F. Driscoll
Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A.
1993
Electrónica General
Manuel Gómez Gómez.
Alfaomega Grupo editor
2007
Libro de Ciencia y Tecnología Nº 2.
Héctor M. Poggy-Varaldo
Editorial Tecnológico de Estudios Superiores Ecatepec
2009
http://pcb-wizard.software.informer.com/
(http://www.vitro.com/vitro_corporativo/espanol/abus.htm, 2014)
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