“La técnica al servicio de la patria”

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO ESPECIFICO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LASER.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO EN CONTROL AUTOMATIZACION PRESENTAN LOS ALUMNOS: GALICIA GONZALEZ FAUSTO GETSEMANI LOPEZ GONZALEZ HECTOR HUGO

ASESORES DE TESIS: Dr. MICHTCHENKO ALEXANDRE M. en C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZALEZ

MEXICO D.F. 2011

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Resumen

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Este proyecto trata de la aplicación de la tecnología laser a procesos de manufactura los cuales se pueden encontrar en la industria en diferentes formas ya sea en brazos mecánicos automatizados, bandas transportadoras, procesos de empaquetado, sellado, llenado, por mencionar algunos. Este proyecto está enfocado hacia las bandas transportadoras y trata de la propuesta de varios sensores laser que sean capaces de realizar las mediciones de las variables de proceso necesarias, con la finalidad de separar y ubicar estos productos según su peso y tamaño, entregando el producto empacado para su ubicación dentro de un almacén o posterior transporte. El haz de luz laser se transportara a través de fibra óptica, y se aprovechara la misma para la utilización de diversos sensores, como lo es el sensor de peso que se basa en una fibra óptica emisora en la que llega el haz de luz, una fibra óptica receptora que recibirá la luz por medio de un fotodiodo y en un espejo flexible que detectara micro movimientos causados por el cambio de presión (peso) en la fibra óptica. Otro de los sensores constara de dos columnas verticales y una horizontal en forma de un pórtico a través del cual pasaran los empaques en proceso, en dicho pórtico se montara un laser de 665 nm de longitud de onda con una potencia de salida de 100 mW, que se dividirá en 10 pues son las salidas requeridas para nuestro sistema, más específicamente cada salida tendrá un potencia alrededor de 10 mW, este se colimara por medio de una lente biconvexa para hacer que el haz sea paralelo después por medio de una lente plano convexo(convergente fija) encontrando el foco de la salida del laser para obtener un diámetro especifico para cada sensor por medio de otra lente plano cóncava(divergente móvil). Los sensores funcionaran a base de un Controlador Lógico Programable (PLC) SLC 500 de AB (Allen Bradley) siendo estos sensores considerados las

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variables de entrada, para que al cumplir diversas condiciones este haga la toma de decisión y así divida el producto terminado según tamaños y pesos.

Otros tipos de sensores utilizados dentro del proceso se montaran y utilizaran de diferentes maneras pero basándose en el mismo principio de interrupción del haz de luz, para ya sea movimiento o de proximidad. El prototipo que se tiene, cuenta con dos tamaños de cajas ya que el haz solo se refleja dos veces, si el haz se reflejara n veces eso significaría n número de cajas, este sensor se tiene configurado para que geométricamente mida cada 6 cm, aunque se puede configurar para la medida que se requiera.

INDICE

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Capitulo 1. Antecedentes y Estado del arte. 1.1 Antecedentes de los láseres 1.2 Antecedentes de las bandas transportadoras 1.3 ¿Qué es la ingeniería de manufactura? 1.3.1 Procesos de manufactura convencionales 1.4 Antecedentes de la automatización 1.5 Automatización en la actualidad 1.5.1 Tipos de Automatización 1.6 Láseres en el procesamiento de materiales y manufactura industrial 1.7 Control de calidad 1.8 ¿Qué es una CMM? 1.8.1 Aplicaciones de las máquinas de medir por coordenadas 1.9 ¿Qué es un dispositivo de seguimiento? 1.10 ¿Qué es el escaneado láser? 1.10.1 Escáner laser 1.11 ¿Que son las fibras ópticas? 1.11.1 ¿Cómo transmite luz una fibra óptica? 1.11.2 Sistema de fibra óptica 1.11.3 Dispositivo de acoplamiento óptico de laser a una fibra óptica 1.11.4 Ventajas de la fibra óptica

1 3 4 4 5 9 11 12 14 15 17 17 18 18 19 21 21 22 23

2. Capitulo 2. Tecnología laser. 2.1 Introducción 2.2 Principio de funcionamiento general del laser 2.3 Tipos de láseres y características 2.3.1 Laser de diodos 2.3.2 Láseres de He-Ne 2.3.2.1 Requisitos de potencia de bombeo para un láser de He-Ne 2.3.3 Láseres de Dióxido de Carbono CO2 2.4 Seguridad en láseres

25 27 31 31 32 34 37 38

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Capitulo 3. Láseres de diodos.

3.1 Introducción 3.2 Diferencias entre los LED's y los diodos láser 3.3 Comparación de diferentes tipos de láseres 3.4 Seguridad en el uso de diodos láser 3.5 Diodos láser 3.6 Construcción de un diodo láser 3.7 Diodos de alta potencia en el espectro visible 3.8 Diodos láser de alta potencia 3.9 Diodos láser pulsados de alta potencia 3.10 Diodos láser de emisión por la cavidad superficial vertical 3.11 Características del haz de un diodo láser 3.12 Coherencia espacial de los diodos láser 3.13 Coherencia temporal en los diodos láser 3.14 Luz colimada 3.15 Colimación de un haz láser 3.16 ¿Que es un modulo laser? 3.16.1 Módulos Laser

40 44 45 45 46 47 49 49 50 50 52 54 54 55 55 57 57

Capitulo 4 Automatización.

4.1 Introducción. 4.2 Aplicaciones de la Neumática a la manufactura industrial. 4.3 Los cuatro elementos de un sistema neumático. 4.4 Válvulas neumáticas 4.4.1 Válvulas direccionales. 4.4.2 Válvulas reguladoras de caudal. 4.5 Aplicaciones de Electrónica a la manufactura industrial. 4.5.1 Componentes electrónicos. 4.5.2 Circuitos electrónicos de uso frecuente. 4.5.3 Circuitos amplificadores de señal. 4.6 Aplicaciones de la mecánica a la manufactura industrial. 4.6.1 Introducción. 4.6.2 Bandas trasportadoras. 4.6.2.1 Funcionamiento. 4.6.3 Reductores de velocidad (motorreductores). 4.6.3.1 Características del reductor de velocidad. 4.7 Controladores. 4.7.1 Introducción a los controladores. 4.7.1.1 Antecedentes de los PLC’S (Controladores Lógicos Programables).

62 63 65 70 71 73 73 74 74 75 76 76 76 76 77 78 80 80 80

“La técnica al servicio de la patria” 4.7.1.2 4.7.1.3 4.7.1.4

4.7.2

4.7.3

4.7.4 4.7.5

4.7.6

Clases de control industrial. Tecnologías. Características generales de un sistema de control. Partes fundamentales de un sistema Control Logix. 4.7.2.1 Chasis. 4.7.2.2 Controlador. 4.7.2.3 Módulos de entrada salida. 4.7.2.4 Fuentes de alimentación. Introducción a RSlinx, red Ethernet y control Net. 4.7.3.1 Redes de comunicaciones. 4.7.3.2 RSlinx Classic 4.7.3.3 Red Ethernet / IP. Introducción a Rslogix 500. Edición de un programa e instrucciones a nivel BIT 4.7.5.1 Lenguaje diagrama d escalera 4.7.5.2 Instrucciones a nivel BIT Instrucciones tipo temporizador y contador 4.7.6.1 Temporizadores 4.7.6.2 Contadores

83 84 85 86 87 87 88 90 90 90 93 96 101 104 104 105 108 110 114

Capitulo 5. Diseño. 5.1 Banda transportadora 5.2 Modulo laser 5.2.1 Driver 5.2.2 Gabinete 5.3 Pórtico laser 5.4 Sensor de peso 5.5 Paletizadora

116 123 124 125 130 131 133

Capitulo 6. Costos. 6.1 Análisis de costo de materiales 6.2 Análisis de costos hora-hombre. 6.3 costo total del proyecto 6.4 planes de financiamiento

136 139 140 140

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Capitulo 7. Anexos.

6.1 Hoja de datos de seguridad en láseres (HDSL) 6.2 Programa en RS Logix 500 6.3 Conclusiones Referencias

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Índice de figuras

Capitulo 1 Antecedentes y Estado del arte.

Figura 1. Cinta transportadora Figura 2. Proceso de manufactura Figura 3. Micro chip Figura 4. Proceso automatizado Figura 5. Interface Figura 6. Laser en grabado de materiales Figura 7. Control numérico computarizado (CNC) Figura 8. Dispositivo de seguimiento Faro ® Laser Tracke Figura 9. Escáner Laser; Allen-Bradley Adapta Scan ® 2755-SN5 Fixed Mount Figura 10. Escáner laser FARO® Laser Scanner Figura 11. Partes de de la fibra óptica Figura 12. Camisa de fibra óptica Figura 13. Diagrama de reflexión total interna en una fibra óptica Figura 14. Acoplamiento de laser- fibra óptica

3 4 8 10 12 13 16 18 18 19 20 20 21 23

Capitulo 2 Tecnología laser. Figura 15. Medio excitable en su estado basal Figura 16. Inversion de poblacion Figura 17. Emisión espontanea, principios de la emisión estimulada Figura 18. Construcción de la emisión estimulada Figura 19. Emisión estimulada completa; Salida de haz laser coherente Figura 20. Laser de diodos, con diferentes longitudes de onda Figura 21. Diagrama de energía del He-Ne Figura 22. Suministro de potencia típica para el láser de He-Ne Figura 23. Característica voltaje-corriente típica para el láser de He-Ne Figura 24. Esquema de construcción de un laser de Helio-Neón Figura 25. Láser de Helio-Neón Figura 26.Láser de Dióxido de Carbono CO2.

28 28 29 30 31 32 34 35 36 36 37 37

Capitulo 3 Láseres de diodos.

Figura 27. Apuntador laser Figura 28. Diodo láser de homo estructura. Figura 29. Diodo láser de hetero estructura.

41 41 42

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Figura 30. Diodo laser Vs diodo Led Figura 31. Dispositivo de diodo láser Figura 32. Composición de un diodo láser Figura 33. Arreglo de lentes para colimación Figura 34. Modulo laser con apertura ajustable Figura 35. Especificaciones y dimensiones de modulo laser con apertura ajustable Figura 36. Módulo Láser Enfocable Figura 37. Especificaciones del módulo Láser Enfocable Figura 38. Módulo Láser Rojo Enfocable Figura 39. Especificaciones de Módulo Láser Rojo Enfocable Figura 40. Módulo láser enfocable, generador de línea roja Figura 41. Especificaciones de un módulo láser enfocable, generador de línea roja

44 47 47 56 57 58 58 59 59 60 60 61

Capitulo 4. Automatización. Figura 42. Elementos Generadores de energía Figura 43. Elementos de tratamiento de aire Figura 44. Elementos de mando y control Figura 45. Elementos actuadores Figura 46. Cilindro de simple efecto y esquema Figura 47. Cilindro de doble efecto Figura 48. Válvula distribuidora 2/2 Figura 49. Válvula distribuidora 4/2 Figura 50. Válvula distribuidora 4/3 Figura 51. Válvulas reguladoras de caudal Figura 52. Diagrama típico de escalera Figura 53. Representación esquemática de un procesador Figura 54. Partes fundamentales de un sistema ControlLogix. Figura 55. Controladores configurados; muestra controladores. Figura 56. Recolección de datos Figura 57. Topologías de red Figura 58. Cable de fibra óptica Figura 59. Vista principal de Rslogix 500 Figura 60. Barras de estado de RSlogix 500 Figura 61. Árbol de proyecto/ controler; RSlogix 500 Figura 62. Rutinas Escalera. Figura 63. Simbología de un diagrama de escalera. Figura 64. Propiedades del controlador Figura 65. Instrucciones del programa Figura 66. Simbología de Contacto Normalmente abierto Figura 67. Simbología de Contacto Normalmente cerrado Figura 68. Simbología de Activación de la variable OTE Figura 69. Simbología de Activación de la variable OTL Figura 70. Simbología de desactivación de la variable OTU

65 66 66 68 69 70 71 72 72 73 81 83 87 94 95 99 100 101 102 103 103 105 106 106 106 107 107 108 108

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Figura 71. Simbología de Flanco ascendente ONS Figura 72. Simbología de temporizador TON Figura 73. Representación de un contador (TON) en diagrama de escalera Figura 74. Simbología de un contador ascendente Figura 75 Representación de instrucción RES en un diagrama de escalera Figura 76. Simbología de la instrucción reset Figura 77. Simbología de TON Figura 78. Simbología de TOF Figura 79. Instrucciones contador.

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108 109 109 110 110 110 111 113 115

Capitulo 5. Diseño. Figura 80. Diagrama de flujo de proceso Figura 81. Sensor de peso y posicionador Figura 82. Sensor de tamaño y de proximidad Figura 83. Divisor Figura 84. Paletizadora Figura 85. Banda transportadora completa Figura 86. Diodo laser utilizado en la elaboración de modulo laser. Figura 87. Componentes electrónicos utilizados en la elaboración del driver de alimentación para el diodo laser. Figura 88. Driver de alimentación Figura 89. Driver físico Figura 90. Dimensiones del gabinete Figura 91. Interruptor de apagado-encendido de modulo laser Figura 92. Tapa posterior del modulo laser con conector para eliminador de 7 V de CD Figura 93. Gabinete patra modulo laser. Figura 94. Accesorios para colimacion. Figura 95. Pieza de montaje de los lentes para colimacion. Figura 96. Modulo colimador . Figura 97. Disipador de calor y montaje en modulo. Figura 98. Estructura interna (arreglo de espejos para colimación) Figura 99. Modulo laser terminado. Figura 100. Dimensiones de sensor de pórtico Figura 101. Calculo de ángulo de reflexión del haz de luz laser Figura 102. Sensor de peso vista posterior Figura 103. Sensor de peso vista lateral Figura 104. Paletizadora Figura 105. Representación en 3ds Max Figura 106. Actuadores (Motorreductores y pistones)

117 118 119 120 121 122 123 123 124 125 125 126 126 127 127 128 128 128 129 130 130 131 131 132 133 134 135

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Capitulo 6. Costos.

Tabla 1. Costos sensor de peso. Tabla 2. Costos sensor de pórtico. Tabla 3. Costo banda transportadora. Tabla 4. Costos Controlador Lógico Programable. Tabla 5. Costos paletizadoras. Tabla 6. Costo total del material. Tabla 7. Tiempos y actividades Tabla 8. Análisis Hora-Hombre

136 136 137 137 138 138 139 139

Capitulo 7. Anexos

Figura 107. Etiqueta de seguridad de un laser de diodos

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Objetivo

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Realizar la representación de un sistema capaz de seleccionar y ubicar un producto final empacado, dentro de un proceso de manufactura con la ayuda de Tecnología Laser, con la finalidad que este sistema controle el proceso deseado de forma totalmente automatizada, y así de mejores resultados en la reducción de tiempos y movimientos, y por tanto de los costos de mano de obra, procurando la seguridad del Operador y del proceso, sin dejar a un lado la economía y eficacia del sistema.

Justificación

Podemos considerar que la actividad de separación de pedidos es aquella que concentra el mayor volumen de recursos humanos, equipamientos y tecnológica en un almacén y por esto, representan de 50% a 60% de su costo operativo. Cuando nos vemos obligados a tratar con problemas en la productividad de un almacén, el primer impulso que se tiene es el de invertir en nuevas soluciones tecnológicas y en nuevos equipos. Es por esto que este sistema será capaz de dar solución a este tipo de problemas de una manera eficiente y sobre todo ahorrando recursos aplicando tecnología laser, y demás ciencia implicadas, esto con el fin de reducir los desplazamientos, aumentando así la productividad dentro de cualquier empresa. Para reducir los desplazamientos se tiene que buscar reducir los tiempos de viaje, pues los operadores gastan cerca del 60% a 80% de su tiempo trasladándose de un sitio a otro. Para poder separar el producto de una banda trasportadora sin detener el proceso existen varias maneras de forma convencional para hacerlo, lo que se

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pretende con este trabajo es demostrar la gran aplicación de la tecnología laser y las ventajas que esta tiene a comparación de otras técnicas, por medio de sensores laser lineales que no estarán en contacto mecánico con las piezas y por lo tanto aumentaran el tiempo de vida de varias de las partes de la misma banda además de la eficiencia que estos tendrán dentro de la etapa separación y ubicación de cajas por medio de la medición de variables como lo son el peso, y las dimensiones, todo esto dentro de una parte especifica de un proceso de manufactura industrial.

Introducción

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Teniendo en cuenta que hasta hoy la tecnología ha avanzado lo suficiente para que en algunos casos esta, sustituya la mano del hombre. Sin embargo no es del todo reemplazable, pues necesita de nuestro raciocinio, análisis e inteligencia para poder controlar tan avanzada tecnología, como lo es nuestro caso. En este trabajo, se trataran algunas aplicaciones de la tecnología laser a la manufactura industrial, por medio de diseño de sensores laser, también conoceremos a muy grandes rasgos como poder manipular un aparentemente simple rayo de luz que en realidad no es tan simple de producir ni de manipular, que transporta demasiados electrones y pocos protones, llamado laser y que se encuentra en el espectro visible con aproximadamente 660 nm (rojo) de longitud de onda. Al conocer las necesidades que hoy en día nos invaden, como lo pueden ser falta de personal, falla continua de elementos mecánicos como finales de carrera por mencionar algunos, nos hemos dado a la tarea de poder innovar, un sistema en donde con el más minucioso cuidado podamos sustituir estos elementos que hasta hoy pueden ser ineficientes e inseguros. Es por esta razón que se decidió implementar un sistema automático que permita hacer tareas antes realizadas por el hombre de la forma más segura y eficiente que se pueda, pues la base principal de este proyecto es la tecnología laser, en donde aplicaremos, seguridad, control de tiempos y movimientos, entre otros factores que se verán involucrados en el mismo. Demostrando así la gran aplicación que esta tecnología tiene dentro de la manufactura industrial y dentro de otros rubros, ya que los posibles usos de los láseres son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.

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Centrándonos en lo que es la industria podríamos mencionar que es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una

enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

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Capitulo1. Antecedentes y Estado del Arte. 1.1

Antecedentes de los láseres

El láser es un dispositivo electrónico que recibe su nombre de las palabras inglesas “Light Amplified of Stimulated Emisión by Radiation” (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), y este tiene múltiples aplicaciones en la Industria, la Biología, la Medicina, la manufactura industrial entre otras. En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación. En 1928 Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, después de la Segunda Guerra Mundial, fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford. En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser: un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas. El máser de Townes era incapaz de funcionar en continuo. Nikolái Básov y Aleksander Prójorov de la Unión Soviética trabajaron independientemente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de obtener un máser de salida de luz continua, utilizando sistemas con más de dos niveles de energía. Townes, Básov y Prójorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por "los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica", los cuales condujeron a la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios del máser-láser.

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Los primeros láseres con amplia utilización en el campo de la medicina fueron los láseres de He-Ne (Helio-Neón) de baja potencia, que por su efecto de foto estimulación en profundidad se aplicaron en rehabilitación y en medicina estética en el tratamiento del dolor musculo esquelético y en la celulitis. Al principio de la década de los 80 surgen 3 equipos con un valor más específico. El láser de CO2, (Dióxido de Carbono) el de Nd-YAG (Neodimio YAG) y el de colorante pulsado, muy conocido en nuestro país con el nombre de láser Candela®. Los dos primeros eran eficaces en corte y coagulación y sus aplicaciones

iníciales

fueron

en

el

campo

de

la

otorrinolaringología

(uvulopalotoplastia o cirugía del ronquido, en las tunelizaciones de cuello uterino en ginecología y en el tratamiento de angiomas faciales y corporales infantiles. En el mundo industrial se han producido avances sustanciales en el desarrollo e implantación de tecnologías láser en todo tipo de materiales, dentro del procesado de materiales, el láser es utilizado en las ramas de corte, soldadura, censado entre otras aplicaciones, al poder ser empleados en casi todos los materiales y tener una muy buena respuesta en el mecanizado. Los láseres se utilizan para: 

Realizar Soldaduras.



Tratamientos superficiales como: •

Endurecimiento o temple.

•

Aleación superficial.

•

Recubrimiento superficial.

•

Fusión superficial.



Corte mediante el láser.



Taladrado y punzonado.

Marcado mediante láser. 

Y en nuestro caso el censado

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1.2

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Antecedentes de las bandas trasportadoras

Las primeras cintas transportadoras que se conocieron fueron empleadas para el transporte de carbón y materiales de la industria minera. El transporte de material mediante cintas transportadoras, data de aproximadamente el año 1795. La mayoría de estas tempranas instalaciones se realizaban sobre terrenos relativamente planos, así como en cortas distancias. El primer sistema de cinta transportadora era muy primitivo y consistía en una cinta de cuero, lona, o cinta de goma que se deslizaba por una tabla de madera plana o cóncava. Este tipo de sistema no fue calificado como exitoso, pero proporciono un incentivo a los ingenieros para considerar los transportadores como un rápido, económico y seguro método para mover grandes volúmenes de material de un lugar a otro. Durante la Segunda Guerra Mundial, los componentes naturales de los transportadores se volvieron muy escasos, permitiendo que la industria de goma se volcara en crear materiales sintéticos que reemplazaran a los naturales. Desde entonces se han desarrollado muchos materiales para aplicaciones muy concretas dentro de la industria, como las bandas con aditivos antimicrobianos para la industria de la alimentación o las bandas con características resistentes para altas temperaturas. En la actualidad podemos observar cintas transportadoras como en la observada en la Figura 1. Esto demuestra claramente que el modo en que se realiza el transporte de los materiales cada vez se actualiza y va aumentando la tecnología utilizada para llevar a cabo este tipo de tareas.

Figura 1. Cinta transportadora SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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1.3 ¿Qué es la ingeniería de manufactura? "Es la ciencia que estudia los procesos de conformado y fabricación de componentes mecánicos con la adecuada precisión dimensional, así como de la maquinaria, herramientas y demás equipos necesarios para llevar a cabo la realización física de tales procesos, su automatización, planificación y verificación. La Ingeniería de Manufactura es una función que lleva acabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. El ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Como por ejemplo un proceso de manufactura para la verificación de la calidad de los empaques de un producto “X” como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Proceso de manufactura

1.3.1 Procesos de manufactura convencionales. De acuerdo con esta definición y a la vista de las tendencias y estado actual de la fabricación mecánica y de las posibles actividades que pueden desarrollar, los contenidos de la disciplina podrían agruparse en las siguientes áreas temáticas:

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Procesos de conformación sin eliminación de material

•

Por fundición

•

Por deformación

•

Procesos de conformación con eliminación de material

•

Por arranque de material en forma de viruta

•

Por abrasión

•

Por otros procedimientos

•

Procesos de conformado de polímeros y derivados

•

Plásticos

•

Materiales compuestos

•

Procesos de conformación por unión de partes

•

Por sinterización

•

Por soldadura

•

Procesos de medición y verificación dimensional

•

Tolerancias y ajustes

•

Automatización de los procesos de fabricación y verificación

•

Control numérico

•

Robots industriales

•

Sistemas de fabricación flexible.

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1.4 Antecedentes de la Automatización La primera calculadora mecánica, fue un sistema de barras y de bolas móviles llamado ábaco, fue ideada en Babilonia alrededor de 500 a.C. El ábaco proporcionó el método más rápido de calcular hasta 1642, cuando el científico francés Pascal Blaise inventó una calculadora hecha de ruedas y de dientes. Cuando la rueda de las unidades se movía una revolución (más allá de diez muescas), se movía la muesca de la rueda de las decenas; cuando la rueda de las decenas se movía una revolución, se movía la muesca de la rueda de los centenares; etcétera.

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Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imiten las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidráulicas, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos.

En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ‘el programa’ para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Compton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801), y otros.

Las ideas y las invenciones de muchos matemáticos, científicos, e ingenieros allanaron el camino para el desarrollo de la computadora moderna. En un sentido, la computadora tiene realmente tres fechas una como calculadora mecánica, cerca de 500 a.c., otra como concepto (1833), y la tercera del nacimiento como la computadora digital moderna (1946).

El concepto de la computadora moderna primero fue contorneado en 1833 por el matemático británico Charles Babbage. Su diseño de un "motor analítico" contuvo todos los elementos necesarios de una computadora moderna: dispositivos de entrada de información, un almacén (memoria), un molino (unidad de cómputo), una unidad de control, y dispositivos de salida.

El diseño llevó más de 50,000 piezas móviles en una máquina de vapor tan grande como una locomotora. La mayoría de las acciones del motor analítico eran realizadas utilizando tarjetas perforadas, una adaptación al método que ya era usado para controlar máquinas de cosido automático de seda. Aunque Babbage

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trabajó en el motor analítico por casi 40 años, él nunca construyó realmente una máquina de trabajo.

En los últimos 20 y 30 años, varios nuevos tipos de calculadoras fueron construidos. Vannevar Bush, ingeniero americano, desarrolló el analizador diferenciado, la primera calculadora capaz de solucionar ecuaciones diferenciales. Su máquina calculaba con números decimales y por lo tanto requirió centenares de engranajes y ejes para representar los varios movimientos y lazos de los diez dígitos.

Un matemático de Harvard nombrado Howard Aiken dirigió el desarrollo de la Calculadora Controlada de Secuencia Automática de Harvard-IBM, conocida más adelante como la Marca IBM una computadora electrónica que utilizó 3,304 relés electromecánicos como interruptores encendido-apagado. Terminada en 1944, su función primaria era crear las tablas balísticas para hacer la artillería de la marina más exacta.

La primera computadora completamente electrónica, que utilizó los tubos de vacío o bulbos en vez de los relés mecánicos, era tan secreta que su existencia no fue revelada hasta décadas después de que fuera construida. Inventada por el matemático inglés Alan Turing y puesta en operación antes de 1943, el Colossus era la computadora con que los criptógrafos británicos rompían los códigos secretos militares de los alemanes.

El descubrimiento en la miniaturización de la computadora vino en 1958, cuando Jack Kilby, ingeniero americano, diseñó el primer circuito integrado verdadero. Su prototipo consistió en una oblea del germanio que incluyó los transistores, las resistencias y los condensadores, los componentes principales del trazado de circuito electrónico. Usando chips de silicio menos costosos, los ingenieros tuvieron éxito en poner más y más componentes electrónicos en cada chip.

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El desarrollo de la integración en gran escala (LSI) permitió abarrotar centenares de componentes en un chip; la integración a muy gran escala (VLSI) hizo crecer ese número a los centenares de millares; y los ingenieros proyectan que las técnicas de integración ultra grande (ULSI) permitirán ser colocados alrededor de 10 millones de componentes en un microchip el tamaño de una uña como se observa en la Figura 3.

A mediados de los años setenta, los microchips y los microprocesadores habían reducido drásticamente el costo de los millares de componentes electrónicos requeridos en una computadora. La primera computadora de escritorio accesible diseñada específicamente para el uso personal fue llamada la Altaír 8800 y vendida por Micro Instrumentation Telemetry Systems en 1974.

En 1977 Tandy Corporation se convirtió en la primera firma principal del elemento electrónico para producir una computadora personal. Agregaron un teclado y un tubo de rayos catódicos (CRT por sus siglas en ingles Cathode Ray Tube) a su computadora y ofrecieron medios de guardar programas en una grabadora. Pronto, una compañía pequeña llamada Apple Computer, fundado por el ingeniero Stephen Wozniak y los trabajos de Steven Jobs, comenzó a producir una computadora superior.

Figura 3. Micro chip

En la rápida sucesión de computadoras se ha contraído del modelo de escritorio a la computadora portátil y finalmente a la del tamaño de la palma. Con algunas computadoras personales la gente puede incluso escribir directamente en SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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una pantalla de cristal líquido usando una aguja electrónica pequeña y las palabras aparecerán en la pantalla en mecanografiado limpio.

La investigación en inteligencia artificial está procurando diseñar una computadora que pueda imitar los procesos y las habilidades propias del pensamiento del ser humano como el razonamiento, solucionar problemas, toma de decisiones y aprender. Se cree que la inteligencia humana tiene tres componentes principales: sentido, capacidad de clasificar y de conservar conocimiento, y capacidad de hacer elecciones basadas en la experiencia acumulada.

1.5 Automatización en la actualidad. La historia de la automatización industrial está caracterizada por períodos de constantes innovaciones tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas de automatización están muy ligadas a los sucesos económicos mundiales.

El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia y luego se cargaban en el robot Estas tecnologías conducen a la automatización industrial a otra transición, de alcances aún desconocidos.

Aunque el crecimiento del mercado de la industria Robótica ha sido lento en comparación con los primeros años de la década de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la industria de la robótica está en su infancia. Ya sea que éstas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria robótica, en una forma o en otra, permanecerá. En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisión.

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Se refleja el hecho de que en los 80´s las tareas relativamente simples como las máquinas de inspección, transferencia de materiales, pintado automotriz, y soldadura son económicamente viables para ser robotizadas. Los análisis de mercado en cuanto a fabricación predicen que en ésta década y en las posteriores los robots industriales (Figura 4) incrementaran su campo de aplicación, esto debido a los avances tecnológicos en sensoria, los cuales permitirán tareas más sofisticadas como el ensamble de materiales.

Figura 4. Proceso automatizado con robots industriales

Como se ha observado la automatización y la robótica son dos tecnologías estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la automatización como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos-eléctricos basados en computadoras para la operación y control de la producción. En consecuencia la robótica es una forma de automatización industrial.

Hay tres clases muy amplias de automatización industrial: automatización fija, automatización programable, y automatización flexible. La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Además de esto, otro inconveniente de la automatización fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado.

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La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto; ésta adaptación se realiza por medio de un programa (Software). Por su parte la automatización flexible es más adecuada para un rango de producción medio. Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre sí por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.

De los tres tipos de automatización, la robótica coincide más estrechamente con la automatización programable.

1.5.1 Tipos de Automatización.

Existen cinco formas de automatizar en la industria moderna, de modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más adecuado.

Los tipos de automatización son: •

Control Automático de Procesos

•

El Procesamiento Electrónico de Datos

•

La Automatización Fija

•

El Control Numérico Computarizado

•

La Automatización Flexible.

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El Control Automático de Procesos, se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios (generalmente químicos y físicos); un ejemplo de esto lo podría ser el proceso de refinación de petróleo.

El Proceso Electrónico de Datos frecuentemente es relacionado con los sistemas de información, centros de cómputo, etc. Sin embargo en la actualidad también se considera dentro de esto la obtención, análisis y registros de datos a través de interfaces (Figura 5) y computadores.

Figura 5. Interface

1.6 Láseres en el procesamiento de materiales y manufactura industrial. Sobre el paso de dos décadas los láseres han tenido un desarrollo confiable, productiva y extensamente usados como herramientas en manufactura industrial. Aún más el uso sería hacer de los láseres si el costo, tamaño y peso de los sistemas láser pudieran reducirse. Esto puede pasar con el uso de los diodos láser. Un diodo láser de alto poder es compacto, ligero y tiene el potencial para un bajo costo.

Esto puede abrir nuevos mercados y aplicaciones para láseres en el procesamiento de materiales. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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En este contexto el término “láser” es usado para fuentes de haz láser. “sistema láser” refiere a un sistema integrado envolviendo el láser, el manejo del haz y la pieza de trabajo tratada.

El procesamiento de materiales ha sido una de las primeras aplicaciones de los láseres en el ámbito industrial. Son bien conocidas las ventajas de la utilización del láser frente al uso de otras herramientas más convencionales por ejemplo comparando un sistema de grabado en madera con un sistema de grabado laser como el que se muestra en la Figura 6 se tienen grandes ventajas como lo es la velocidad, exactitud, etc. Entre otras podemos señalar las siguientes: •

No ejerce acciones mecánicas sobre la pieza en elaboración.

•

No presenta inercia y puede ser movido fácilmente.

•

No se produce desgaste ni corrosión en la herramienta.

•

Se pueden realizar procesamientos típicos de los métodos mecánicos tales como la remoción de material (corte, taladrado).

•

Se pueden realizar procesos típicos de los métodos térmicos tales como el endurecimiento superficial o el aleado superficial.

•

Se puede adaptar para realizar, con el mismo equipo, diferentes tipos de procesamiento cambiando la focalización del haz sobre la pieza (cambio de la densidad de energía sobre la misma).

•

Tiene unas posibilidades muy amplias de automatización e integración.

Figura 6. Láser en grabado de materiales SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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1.7 Control de calidad. En prácticamente todos los sectores industriales, el control de calidad forma parte de los procesos de desarrollo, ingeniería o fabricación que aseguran que los productos diseñados y fabricados satisfacen las expectativas de los clientes o se mantienen dentro de las tolerancias definidas inicialmente. El control de calidad es una parte de la Gestión total de la calidad. Una de las áreas de la actividad humana en la que la aplicación de técnicas estadísticas ha tenido gran difusión y al mismo tiempo un enorme éxito, es en la de aquellos aspectos que se relacionan con el control de calidad de producción de bienes y suministro de servicios. En los años 80 la aplicación de la filosofía y técnicas del control de calidad en la producción supuso un enfoque revolucionario y tremendamente competitivo, que fue aprovechado sobre todo por la industria japonesa para colocarse a la cabeza del mercado mundial, lo que resulta curioso, siendo americanos los "padres" del control de calidad, puesto que la industria americana sólo se subió al carro del control de calidad una vez que la presión ejercida en el mercado por la superioridad de los productos japoneses les obligó a considerar las bondades de la nueva filosofía, en la que la calidad constituye un concepto global que no sólo se aplica al producto sino a todo el proceso de fabricación, incluyendo el control de costes, precios y beneficios, gestión de los suministros y plazos de entrega. Aunque inicialmente el control de calidad se aplicó solo a la fabricación industrial, enseguida se extendió su radio de acción a la prestación de servicios, donde también podemos incluir el área de salud, aunque dentro del entorno médico hay sectores que por sus características, más asimilables a la industria, tienen una mayor tradición en el empleo del control de calidad; como son los laboratorios de análisis clínicos (hematología, bioquímica o microbiología), o los bancos de sangre.

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Sin embargo las técnicas han sido utilizadas también en otros entornos, como puede ser por ejemplo en la monitorización de fallos en operaciones quirúrgicas, y su campo de aplicación está limitado tan sólo por nuestra imaginación, ya que cualquier actividad humana es susceptible de ser cuantificada y por tanto monitorizada para mejorar su calidad, desde el tiempo de espera de un paciente que acude a consulta, hasta el porcentaje de pacientes que cumplen adecuadamente el tratamiento prescrito, o el mismo registro de datos en la historia clínica del paciente.

1.8 ¿Qué es una CMM? Una máquina de medición por coordenadas - CMM como se muestra en la Figura 7 (coordínate measuring machine) captura datos tridimensionales de objetos para dar su posición en forma de XYZ, vectores, etc. del objeto analizado. Las CMM se utilizan en empresas de fabricación para garantizar que las piezas o los componentes están dentro de unos niveles establecidos de tolerancia en cuanto a calidad, además de capturar datos estadísticos sobre la capacidad que tienen para los procesos. La Máquina de Medición por Coordenadas (CMM) puede ser definida como "una máquina que emplea tres componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de las coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma con un palpador de contacto o sin él y sistema de medición del desplazamiento, que se encuentran en cada uno de los ejes". Como las mediciones están representadas en el sistema tridimensional, la CMM puede efectuar diferentes tipos de medición como: dimensional, posicional, desviaciones geométricas y mediciones de contorno.

Los procedimientos de medición y procesamiento de datos de las CMM, poseen una serie de características que se describen a continuación: Primeramente se tiene un sistema de posicionamiento que provoca que el palpador alcance cualquier posición en X, Y o Z; este sistema de posicionamiento

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puede ser accionado a través de unos motores, que a su vez, poseen unos codificadores ópticos rotatorios, los que producirán una señal adecuada para activar un contador que incrementar su número en relación a la posición del eje con respecto de su origen.

En este sistema como en otros es de primordial importancia la existencia de un origen para poder determinar la posición.

Figura 7. Maquina de medición por coordenadas (CMM)

El sistema dispondrá además de un palpador que al ser accionado, hará que los datos del contador del sistema de posicionamiento sean trabajados por la unidad principal de la CMM y sean transformados en coordenadas X, Y y Z y además se apliquen las fórmulas programadas para después desplegar los datos en una pantalla de cristal líquido.

El sistema también posee una palanca de control que accionar directamente los servomotores provocando un desplazamiento manual de cada uno de los ejes. Este sistema CMM en particular poseer teclado para introducción de datos, un monitor que proporcionar la visualización de ellos ya sea que se introduzcan o se generen por la CMM.

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Como se mencionó anteriormente el palpador que se encuentra en el extremo inferior del eje Z, se acciona al toque de la pieza que se desea medir. La particularidad de este sistema CMM (Figura 7) es su configuración a base de un micro controlador de Motorola, el MC68HC711E9, que proporcionar el control y desarrollo del manejo de dicho sistema.

1.8.1 Aplicaciones de las máquinas de medir por coordenadas. Las máquinas de medir por coordenadas (Figura7) se utilizan para las siguientes aplicaciones:

• Control de la correspondencia entre un objeto físico con sus especificaciones teóricas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemático) en términos de dimensiones, forma, posición y actitud. • Definición de características geométricas dimensionales (dimensiones, forma, posición y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas características teóricas son desconocidas.

1.9 ¿Qué es un dispositivo de seguimiento? Un dispositivo de seguimiento como el que se muestra en la Figura 8 es un aparato de medición que incorpora codificadores giratorios y un medidor de distancias láser en un sistema de control de bucle cerrado, para seguir y medir la posición espacial de un cubo y unas esferas de esquina retroreflectiva. Los seguidores láser son muy adecuados para grandes piezas o piezas de difícil acceso o, simplemente, demasiado grandes como para seguirlas de ninguna otra manera exacta. Los seguidores se emplean ampliamente en industrias como

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la aeroespacial, la construcción de barcos y submarinos, edificios, petróleo, sector nuclear, instalaciones.

Figura 8. Dispositivo de seguimiento FARO® Láser Tracker.

1.10 ¿Qué es el escaneado láser?

En el escaneado láser se hace pasar un patrón horizontal o de cuadrícula con un haz láser sobre las superficies o las formas tridimensionales para medirlas, procesarlas, o para generar una imagen 3D. Los datos del escaneado pueden guardarse en diferentes formatos de archivo para su manipulación y análisis frente a modelos patrón.

Figura 9. Escáner Láser; Allen-Bradley Adapta Scan ® 2755-SN5 Fixed Mount.

1.10.1 Escáner láser. Un aparato que emite un haz láser se denomina escáner láser (Figura 9 y 10). Hay cabezales de escáner láser que pueden conectarse a brazos de medición o a CMM (Figura 7) tradicionales para la documentación de pequeños objetos, y

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escáneres láser, capaces de capturar, por ejemplo, edificios completos. El escaneado láser es especialmente adecuado para la ingeniería inversa y para las situaciones en las que no se disponga de las especificaciones o los planos originales.

Figura10. Escáner láser FARO® Láser Scanner

1.11 ¿Que son las fibras ópticas?

Las fibras ópticas son grandes y delgadas tiras de hilo de vidrio puro de un diámetro similar al de un cabello humano. Estos se arreglan en manojos llamados cables ópticos y se usan para transmitir señales de luz sobre grandes distancias. Si se mira de cerca de una fibra óptica simple como en la Figura 11, se verá que se compone de las siguientes partes: •

Núcleo – El Delgado centro de vidrio de la fibra donde viaja la luz.

•

Cubierta o Funda – material óptico exterior que rodea al núcleo y que refleja la luz hacia el interior del núcleo.

•

Cubierta protectora – cubierta de plástico que protege de daños y humedad.

Todas las partes mocionadas se muestran en la Figura 13.

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Figura 11. Partes de una fibra óptica

Cientos de miles de estas fibras ópticas se arreglan en manojos en cables ópticos. Los manojos se protegen por una cubierta exterior llamada chaqueta o camisa (jacket). Figura 12.

Figura12. Camisa

Existen dos tipos de fibras ópticas: Las fibras monomodo tienen pequeños núcleos alrededor de 3.5x10-4 pulgadas o 9 micrones de diámetro y transmiten luz infrarroja láser (longitud de onda de 1300 a 1550 nanómetros).

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Las fibras multimodo tienen pequeños núcleos alrededor de 2.5x10-3 pulgadas o 62 micrones de diámetro y transmiten luz infrarroja (longitud de onda de 850 a 1300 nanómetros) de diodos emisores infrarrojos. Algunas fibras ópticas se pueden fabricar de plástico. Estas fibras tiene un núcleo grande 0.04 pulgadas o 1 mm de diámetro y transmiten luz visible roja (longitud de onda de 650 nm) proveniente de láser o led’s.

1.11.1 ¿Cómo transmite luz una fibra óptica? La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo, rebotando continuamente con el revestimiento, lo que se llama reflexión interna total (Figura 13). El revestimiento no absorbe nada de luz del núcleo, la luz puede viajar por distancias largas. Sin embargo, algunas de las señales de luz pueden degradarse dentro de la fibra, principalmente por las impurezas del vidrio. La extensión de esta degradación depende de la pureza del vidrio y la longitud de onda de la luz transmitida.

Figura 13. Diagrama de reflexión interna total en una fibra óptica.

1.11.2 Sistema de fibra óptica Básicamente el sistema de fibra óptica se compone de un transmisor, la fibra óptica en si, un regenerador óptico y un receptor óptico. Transmisor: Está físicamente cerca de la fibra óptica y puede incluso tener lentes para enfocar la luz en la fibra. El transmisor está físicamente cerca de la fibra óptica y más aun tiene un lente para enfocar la luz en la fibra. Los láseres SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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tienen más potencia que los led’s. Las longitudes de onda más comunes de las señales de luz son 660nm y1550 nm (luz roja e infrarroja, respectivamente). Regenerador óptico: Como se ha comentado, se pueden perder señales cuando se transmite la luz dentro de la fibra, especialmente en distancias largas. Por ello, uno o más regeneradores ópticos son puestos a lo largo del cable para aumentar la señal de luz degradada. Consiste de fibras ópticas con una cubierta especial dopado. La porción dopada se “bombea” con un láser. Cuando la señal degradada llega a la cubierta dopada, la energía del láser permite a las moléculas dopadas volverse láser por sí misma. Las moléculas dopadas emiten entonces una nueva y amplificada señal con las mismas características que la débil señal entrante. Básicamente el regenerador es un amplificador láser para la débil señal entrante. Receptor óptico: Recibe la señal de luz digital entrante, la decodifica y envía la señal eléctrica a los otros usuarios, que pueden ser computadoras, televisión o sistema de teléfonos. El receptor usa una foto célula o foto diodo para detectar la luz.

1.11.3 Dispositivo de acoplamiento óptico de un láser a una fibra óptica. El sistema de acoplamiento de luz en una fibra óptica (Figura 14) en realidad son dos sistemas distintos.

En un caso, tenemos el sistema de

acoplamiento en las fibras multimodo, y en el otro caso, el acoplamiento en fibras monomodo. El dispositivo para acoplamiento de un láser de estado sólido con una guía de ondas óptica, para ello, se coloca un sistema de lentes anamorfoticas entre la superficie de salida del láser de estado sólido y la superficie de entrada de la guía de ondas óptica.

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Este sistema de lentes transforma las distintas aberturas practicadas en la sección principal del láser de estado sólido en aberturas prácticamente iguales en la superficie de entrada de la guía de ondas óptica. El sistema de lentes consiste en unas lentes anamorfoticas montadas en la superficie de salida y una lente adicional montada en la superficie de entrada.

Figura 14. Acoplamiento de láser- fibra óptica.

1.11.4 Ventajas de la fibra óptica Comparándolo con los cables convencionales de cobre, podemos considerar estas ventajas: •

Menos caro – Varios kilómetros de cable óptico puede ser más baratos que su equivalente en cable de cobre. Esto ahorra dinero a los proveedores de servicios y a sus usuarios.

•

Mas fino – Las fibras ópticas usan diámetros más pequeños que otros cables, no ocupando tanto espacio.

•

Mayor capacidad para transportar datos – Al ser cables más finos, se pueden agrupar mayor cantidad de fibras en un solo cable óptico. Esto permite mas cantidad de líneas telefónicas o de canales en un solo cable, aumentando así su capacidad.

•

Menor degradación de la señal – La degradación de la señal es menor que en los cables de cobre.

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Señales de luz – A diferencia de las señales eléctricas en los cables de cobre, las señales de luz de una fibra, no interfieren con las otras fibras en el mismo cable.

•

Señales digitales – Las fibras ópticas son ideales para llevar información digital, lo cual es muy útil en redes de computadoras.

•

Uso más flexible – Al poder transmitir y recibir luz de una forma flexible, se le pueden dar muchos usos con elementos totalmente distintos, como cámaras digitales, medicina ingeniería mecánica, seguridad, por mencionar algunos. Por todo esto, en muchos casos la fibra óptica está desplazando a otro tipo

de cables en muchas industrias, principalmente en las comunicaciones industriales y en las redes de computadoras.

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Capitulo 2. Tecnología láser. 2.1 Introducción.

La palabra láser es un acrónimo de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación“. En lo que respecta a la salida de un láser esta puede ser un haz pulsado o continúo estos también pueden tener diferente longitud de onda; con potencias que van desde menos de 1 mW (miliwatt) hasta potencias que alcanzan los MW (Mega Watts) a pesar de estas diferencias los láseres también presentan características en común: 1) Un medio excitable. Este puede ser un sólido, líquido, gas o algún material semiconductor que pueda ser bombeado a un estado de energía más alto. a) Debe ser posible llevar a la mayor parte del medio excitable a un nivel de energía superior, esto es llamado inversión de población. b) Debe de existir una transición descendente activada por una emisión estimulada. c) La mayoría de los láseres están basados en sistemas de 3 o 4 niveles de energía. Estos niveles se determina a través del medio excitable. i.

Sistema de 3 niveles: aquí existe un bombeo del nivel 1 que es el estado base hacia el nivel 3 el cual decaerá rápidamente al nivel 2. Existe una emisión estimulada cuando hay un decaimiento del nivel 2 al 1. Este tipo de sistemas de 3 niveles se utilizan para láseres a pulsos debido a que estos absorben su longitud de onda cuando están en su estado basal. Este comportamiento de absorción de su longitud de onda los hace virtualmente imposibles para mantener una inversión de población que

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permita una operación en forma continua, un ejemplo de este tipo de láser seria un láser de rubí. ii.

Sistema de 4 niveles: este tipo de sistemas láser hacen un bombeo de nivel 1 que es nuestro nivel base hasta el nivel 4, del cual se producirá un decaimiento rápido al nivel 3. Existe una emisión estimulada cuando hay un decaimiento del nivel 3 al nivel 2 que a su vez decaerá al nivel 1. Este tipo de sistemas de 4 niveles pueden ser utilizados para trabajar en modo continuo siempre y cuando el tiempo de vida de permanencia en el nivel 2 sea lo suficientemente corto para evitar una interrupción en la emisión. El láser de He-Ne es un ejemplo de un sistema de 4 niveles.

2) Un medio que permita bombear energía en el medio excitable. Este medio puede ser óptico, químico, eléctrico, etc. a) Los láseres de gas utilizan una descarga eléctrica de corriente alterna o de corriente directa a través del gas, pueden utilizar también excitación externa de radio frecuencia (RF), un bombardeo de un haz de electrones así como una reacción química. Es posible realizar un bombeo con otros medios. b) Los láseres de estado sólido pueden utilizar un bombeo óptico de una lámpara destellante de xenón de alta energía, de un láser bombeado de un arreglo de diodos láser. c) Los láseres semiconductores normalmente se bombean a través de fuentes de de corriente directa aunque también pueden ser bombeados de forma óptica o a través de un haz de electrones. d) Los láseres líquidos se suelen bombear de forma óptica aunque existen otros medios. e) Los láseres de rayos X se bombean utilizando pequeños dispositivos nucleares. Aunque se han elaborado ensayos de estos dispositivos hay duda de si estos han sido exitosos o no. Actualmente existen SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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láseres de rayos X que se producen a partir de diferentes medios de bombeo y los cuales no se destruyen con cada disparo. f) Los láseres de electrones libres son bombeados por aceleradores de partículas, este tipo de láseres tienen un costo de millones de dólares y no se construyen sobre la misma línea. 3) Un resonador. En la mayoría de los casos la cavidad de resonancia es de tipo Fabry-Perot, un par de espejos, uno a cada lado del láser, los cuales permiten que la luz estimulada rebote de un lado a otro a través del medio excitable. Generalmente uno de los espejos es reflexivo mientras que el otro es parcialmente transparente, lo que permite que el haz del láser escape. Los espejos pueden ser totalmente planos o uno de ellos puede tener una leve curvatura. a) Algunos láseres tienen un solo espejo de uno de sus lados como los láseres de Nitrógeno y otros no tienen ningún espejo debido a que es casi imposible reflejar la radiación electromagnética a la longitud de onda de los rayos X. b) Es posible encontrar elementos ópticos adicionales como prismas, cavidades con un factor de calidad alto y otras presentes dentro del resonador.

2.2 Principio de funcionamiento general del láser. En las Figuras siguientes se muestra el principio de funcionamiento del láser. Estos pasos se ven esquemáticamente a continuación:

Resonador láser consistente de un medio excitable como ya se menciono anteriormente puede ser un gas, un líquido o un sólido ubicado entre los dos espejos.

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1.- En su estado base los átomos, moléculas y los iones del medio excitable se encuentran en su nivel más bajo de energía, conocido como su estado basal; mostrado en la Figura 15.

Figura 15. Medio excitable en su estado basal.

2.- A continuación se lleva a cabo un bombeo de energía en el material excitable de forma tal que sus átomos, moléculas o iones se ubican en un nivel mayor de energía creando así una inversión de población, de esta forma participaran en la emisión estimulada, teniendo más importancia aquellos que se ubican en el nivel 2 Energía de bombeo (eléctrica, óptica, química, por mencionar algunos.); mostrado en la Figura 16.

Figura 16. Inversion de poblacion.

3.- De forma aleatoria, estos átomos, iones o moléculas excitados caen a un nivel de energía más bajo de energía por sí mismos, en este proceso cada uno emitirá un solo fotón de luz de forma aleatoria. A esto se le conoce como emisión espontanea y por si mismo no es de mucha utilidad para algún proceso. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Durante este proceso Einstein mostro que si uno de estos fotones encontraba en su camino a un átomo a una molécula o a un ion excitado, este fotón lograría que el átomo, molécula o ion respectivamente decayera en su nivel de energía produciendo de esta forma un fotón, el cual presentara las mismas características que el primero las cuales son:

a) El nuevo fotón tendrá la misma longitud de onda. b) El nuevo fotón tendrá exactamente la misma fase. c) El nuevo fotón tendrá exactamente la misma dirección que el primero. d) En la mayoría de los casos el fotón tendrá la misma polarización que el primero. Sin embargo es posible que el resonador proporcione una orientación diferente al haz láser lo que hará que este se polarice.

Los fotones producidos se moverán en direcciones aleatorias, unos se escaparan por alguno de los lados del tubo de resonancia mientras que otros rebotaran en los espejos y se escaparan al chocar con los contornos del tubo; lo mencionado anteriormente se muestra en la Figura 17.

Figura17. Emisión espontanea, principios de la emisión estimulada.

3, 4.- De forma ocasional existen algunos fotones que se mueven de forma paralela en dirección longitudinal del tubo de resonancia. En este caso estos fotones cruzaran el tubo de resonancia hasta chocar con algún espejo, lo que hará que estos viajen en dirección contraria, este proceso se repetirá varias veces, los fotones al ir viajando de un lado a otro del tubo de resonancia irán encontrando

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diversos átomos, moléculas o iones excitados que producirán de esta forma fotones nuevos con las mismas características que los que están cruzando el tubo.

Así los fotones producidos reforzaran la producción de más fotones, teniendo así una avalancha de estos a través del proceso de emisión estimulada; mostrado en la Figura 18.

Figura 18. Construcción de la emisión estimulada

5.-El haz producido será altamente monocromático y coherente. De igual forma el haz estará colimado lo cual quiere decir que los fotones viajan de forma paralela y estos se encontraran concentrados como se muestra en la Figura 19. Ya obtenido el haz colimado este se puede manipular de diferentes formas, mismas que no se pueden realizar con la luz proveniente de una fuente convencional de luz.

Si la fuente de bombeo es adecuada y puede estar excitando de forma constante a los átomos, moléculas o iones del medio excitante para que estos se ubiquen en niveles de energía superiores, la emisión estimulada sucederá de forma continua e indefinida produciendo así un láser que va a operar de forma continua

amenos

que

se

presenten

perturbaciones

por

problemas

de

calentamiento o altas y bajas de corriente que interfieran con dicha operación. Si el bombeo no puede ser mantenido de forma constante o los niveles de energía no pueden ser mantenidos el resultado que se tendrá será un láser pulsado.

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Figura 19. Emisión estimulada completa; Salida de haz láser coherente.

2.3 Tipos de láseres y características. 2.3.1 Láser de diodos. Es un chip de material semiconductor controlado por una fuente de alimentación de bajo voltaje. Este tipo de láser tiene una retroalimentación óptica a través de un fotodiodo. El objetivo de tener este último es el de regular la corriente del diodo láser.

Las longitudes de onda de estos dispositivos son: el rojo (635 nm), el rojo profundo (670 nm), el IR (Infrarrojo) (780 nm, 800 nm, 900nm, 1500 nm, hasta varios µm). Actualmente se cuentan con láseres de diodo en la región UV (ultra violeta) cercano, violeta y azul, desde 380 nm hasta los 450 nm, teniendo estos últimos un precio muy elevado.

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Actualmente se han desarrollado láseres verdes en distintos laboratorios pero estos presentan la desventaja de que funcionan a temperaturas de nitrógeno líquido y a su vez su tiempo de vida es muy reducido. La calidad del haz láser para los diodos depende del diseño. El haz en forma pura presenta una forma elíptica o una forma de cuña siendo a su vez muy astigmático, su corrección requiere óptica adicional ya sea interna o externa.

La longitud de su coherencia va desde unos cuantos milímetros hasta algunos metros. Las potencias de salida más comunes en el mercado van de 0.1 mW a 5 mW. Existen láseres de diodos con potencias arriba de los 100 W. Para los láseres de diodos de muy altas potencias los sistemas no están hechos por un solo diodo si no por arreglos de diodos los cuales nos permiten alcanzar potencias de hasta 100 KW.

Es posible encontrar diodos láser desde $1 dólar, hasta cientos de dólares. En general los láseres de diodos como los de la Figura 20, son de bajo costo, de baja potencia a la entrada pero en la mayoría de los casos su controlador requiere de altas exigencias en su funcionamiento lo cual eleva su costo.

Figura 20. Láser de diodos, con diferentes longitudes de onda.

2.3.2 Láseres de He-Ne (Helio Neón) El láser He-Ne fue el primer láser gaseoso en funcionar y también fue el primero en producir un haz de salida continuo en 1961 por Ali Javan, funcionando

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en una longitud de onda de 1152,27 nm (cerca de infrarrojo [IR]). El láser Helio Neón era el láser más común hasta la extensión de los láseres de diodo en los últimos años.

Desde entonces se ha convertido en el caballo de batalla del mundo láser y es de uso común en; óptica general, holografía, topografía y procesamiento de imágenes.

El medio activo es una mezcla gaseosa de Helio (He) y Neón (Ne), en proporción aproximada de 10:1 respectivamente, contenida en un tubo de cuarzo cerrado. Se crea una descarga brillante en el gas mediante la aplicación de un alto voltaje de entre 1 y 10 000 volts entre un par de electrodos insertados en extremos opuestos del tubo. Una vez encendido, para mantener la descarga basta una corriente directa estable típicamente de entre 3 a 10 mA.

La corriente eléctrica que fluye produce excitación de los átomos de helio debido a colisiones con los electrones energizados. A su vez, los átomos excitados de He transfieren parte de esta energía, mediante colisiones atómicas, a los átomos de Ne, con lo que éstos son elevados a sus niveles de excitación superiores (ver diagrama de nivel de energía de la Figura 21). En este nivel se establece una inversión de población y puede llevarse a cabo el efecto láser a una longitud de onda de 632.8 nm (espectro Visible Rojo). Es importante observar que los átomos de He proporcionan el medio para excitar los átomos de Ne; el efecto láser se lleva a cabo en los niveles del Ne. El efecto láser continúa en tanto sea posible mantener la inversión de poblaciones y sea emitido un haz continuo con potencias en el intervalo de 0.5 a 50 mW. La ganancia del láser de He-Ne a esta longitud de onda es baja y sólo es posible permitir pequeñas pérdidas de cavidad, lo que implica el empleo de espejos de alta calidad con bajas perdidas por dispersión y absorción.

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Los anchos de banda en los láseres gaseosos son mucho más bajos que en cualquier otro tipo de sistema láser. En particular, para el láser He-Ne los anchos de banda suelen ser del orden de unos cuantos pico metros (Pm). . En los láseres de He-Ne de baja potencia, de aproximadamente 1mW, utilizan espejos están fijos directamente al tubo de descarga. En las versiones de alta potencia, los espejos son externos al tubo de descarga y este debe estar sellado con ventanas de ajuste.

Estas ventanas están inclinadas a un ángulo específico con respecto al eje óptico, el ángulo de Brewster como se muestra en la Figura 24. Cuando se hace incidir luz no polarizada sobre una pieza de cristal o cuarzo inclinada a su ángulo de Brewster, sólo son transmitidas componentes de luz polarizada en el plano de la ventana. Las demás componentes son reflejadas y la luz emerge plenamente polarizada.

Figura 21. Diagrama de energía del He-Ne.

2.3.2.1 Requisitos de potencia de bombeo para un láser de He-Ne Los láseres de baja potencia como los de He-Ne, suelen bombearse a partir de una fuente de CD (corriente Directa) de alta tensión a través de los extremos de un tubo lleno de gas. Por lo general, para obtener larga duración y rendimiento

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óptico hasta un circuito como el que se muestra en la Figura 22, suponiendo que se tiene cuidado en la elección de los parámetros de operación.

La consideración más importante es la relación negativa voltaje-corriente típica de tales láseres (Figura 23). La pendiente negativa de esta curva indica el empleo de una resistencia autoreguladora a fin de obtener una resistencia positiva y evitar la sobrecarga de la fuente de alimentación.

Inicialmente, para producir suficiente ionización del gas, de modo que empiece el efecto láser, se requiere un alto voltaje aproximadamente de 8 KV. La acción láser no puede sostenerse sino hasta se alcanza una corriente específica I, en la cual la resistencia positiva de la resistencia de compensación equilibra la resistencia negativa de la columna de gas.

La corriente a través del tubo es incrementada a partir de este punto hasta que se alcanza la corriente óptima de operación, a la cual la potencia de salida es máxima. El voltaje óptimo de operación (Vop) para el tubo que se muestra es aproximadamente igual a 18 KV. A una corriente óptima (Iop) igual a 7.5 mA.

Los fabricantes recomiendan valores idóneos para la resistencia de carga, de aproximadamente 50 000 a 100, 000Ω. Así como puntos de operación óptimos para el voltaje y la corriente.

Figura 22. Suministro de potencia típica para el láser de He-Ne. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Pot encia de salida (mW)

Pot encia máxima

Vop

Corrient e del t ubo (mA)

1

2

3

4

5

6

Iláser

7

8

9

10

11

Iop

Figura 23.Característica voltaje-corriente típica para el láser de He-Ne. Características más extraordinarias del láser He-Ne. 1. Emisión de un haz estrecho de luz centellante. 2. Alto grado de paralelismo. 3. Direccionalidad. 4. Monocromaticidad. 5. Su divergencia es mínima (0.5 mili Radianes). 6. Eficiencia de 0.1 a 0.1 %.

Figura 24. Esquema de construcción de un láser de Helio-Neón

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Figura 25. Láser de Helio-Neón

2.3.3 Láseres de Dióxido de Carbono CO2. Este tipo de láseres presenta un diseño que permite un flujo de gas. Su fuente de excitación es una fuente de alto voltaje en CD (corriente directa), una fuente de radio frecuencia, un haz de electrones u otra fuente que proporcione una alta energía. Las longitudes de onda que se manejan son de 9,600 nm a 10,600 nm, la calidad de haz es alta. La potencia de salida va desde unos cuantos Watts hasta la orden de 100 KW o más. El uso que se le da a estos láseres es el corte de metales, para soldar, para el tratamiento de superficies y el templado de materiales, el marcado de plásticos, madera, para el procesamiento de materiales, en medicina para cirugías. El costo de este tipo de sistemas va desde los cientos de dólares

hasta miles de dólares

dependiendo del tipo específico y de la potencia de salida. Figura 26.

Figura 26.Láser de Dióxido de Carbono CO2. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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2.4 Seguridad en láseres. Los

láseres en

general presentan medidas únicas de seguridad

especialmente para la visión. Mientras los peligros de las armas de fuego y de los explosivos son obvios para la mayoría de la gente, en los láseres es necesario enfatizar que cabe la posibilidad de que un haz de fotones sin masa impacten el ojo, al no ser manejados con cuidado, provocando así daños severos y aún irreversibles en la visión, generando de esta forma ceguera temporal o total. Para los láseres de alta potencia existen riesgos adicionales como lo es la producción de fuego a causa del alto contenido de energía del haz, así como riesgo de descarga por el uso de voltajes que son potencialmente letales. En general los láseres son dispositivos que llaman la atención de las personas, sin embargo a excepción de los dispositivos láseres de muy baja potencia, aquellos que presentan menos que una fracción de mW de potencia de salida en el haz, éstos poseen riegos únicos con respecto a los daños en la visión ya sean temporales o permanentes. Los receptores visuales que cubren la retina del ojo son parte del sistema nervioso central y no se regeneran por lo que hay que extremar las precauciones. La salida de muchos láseres corresponde a un haz altamente colimado, lo cual significa que la energía está concentrada en un área muy pequeña. Cuando la lente del ojo enfoca este haz lo proyecta en un punto microscópico, haciendo que el área del haz láser disminuya aumentando de esta su potencia, vaporizando instantáneamente el tejido del ojo. Un parpadeo no es suficiente para proteger al ojo ya que el tiempo para destruir el tejido es muy pequeño. Actualmente los apuntadores láser están muy de moda, pero es necesario considerar que si estos son enfocados cuidadosamente se puede obtener una potencia de salida de 5 o 6 mW lo cual es suficiente para quemar un pedazo de cinta eléctrica negra con vestigios de humo.

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Los láseres de los reproductores de CD o DVD, los diodos láser visibles, los láseres pequeños de He-Ne están catalogados como dispositivos de Clase II o Clase IIIa. •

Los láseres de Clase II

presentan un riesgo bajo aún si se toman

medidas mínimas de precaución. •

Los láseres de Clase IIIa se deben de tomarse con más responsabilidad y cuidado ya que estos presentan un haz bien colimado el cual puede producir fuertes daños en la visión. A esta clase pertenecen los apuntadores láser y los láseres de He-Ne.

•

Los láseres graduados con una categoría de Clase IIIb o mayor presentan peligros adicionales como daño instantáneo a la visión.

•

La Clase IV existe la posibilidad de producir quemaduras en la piel y sobre otros objetos. Los láseres más pequeños de CO2 están dentro de esta clasificación.

Actualmente los diodos láser de alta potencia se han vuelto más accesibles y es posible encontrarlos a precios razonables. Es muy común el suponer que debido a su tamaño tan pequeño este no presenta riesgos. Esto es algo equivocado. Un diodo láser de 100 mW alimentado con baterías tiene la potencia suficiente de perforar la retina de forma tan fácil como un láser de argón de 100 mW el cual es alimentado con fuentes de voltaje grandes. La mayor parte de los diodos láser trabajan dentro de la región IR (infrarroja) e invisible, y debido a esto son más peligrosos ya que la respuesta de aversión del ojo no funciona con estos dispositivos, por lo que uno no se percata que la visión está siendo destruida hasta que se hace presente el daño. Los láseres de gas presentan riesgos adicionales al de los daños en la visión. Este tipo de láseres requieren generalmente altos voltajes o fuentes de alimentación conectadas a la línea eléctrica por lo que existe un riesgo de choque eléctrico al tocar por accidente los cables no aislados.

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Capitulo 3. Láseres de diodos. 3.1 Introducción.

Los láseres de diodos son un tipo especial de láseres. Difieren de las fuentes láser convencional en dos cosas. 1) Para los láseres clásicos los átomos activos que participan en el proceso láser (átomos, moléculas o iones) son independientes de otros iguales y solo los que tienen el mismo nivel de energía se pueden utilizar para el proceso láser. 2) En el caso de los láseres de semiconductores sucede algo completamente diferente. Aquí un nivel de energía definido sólo puede ser ocupado por dos partículas activas (electrones, Principio de Pauli). En el caso de los semiconductores las funciones de onda de los átomos individuales se traslapan para formar una banda común de energía, y el grado de ocupación del nivel producido sigue los principios de la estadística de Fermi Dirac. Cuando se considera el proceso láser es necesario tomar en consideración las transiciones entre las dos distribuciones de poblaciones de las dos bandas de energía en vez de dos niveles de energía. Los diodos láser no presentan alguna longitud de onda en la emisión inherente a su naturaleza. Esto se debe a que no existen dos niveles discretos de energía que son los responsables del proceso láser, como sucede en los láseres convencionales, sino que el proceso láser se debe a la distribución de electrones en las bandas de energía. La aplicación más común de estos diodos laser son los apuntadores laser como los mostrados en la Figura 27 Una diferencia que presentan los láseres de diodos con respecto a los láseres convencionales es la propagación de la luz láser dentro de la región PN. La distribución espacial de la intensidad del haz láser está definida en mayor

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proporción por el medio láser y no por el resonador, como sucede en los láseres convencionales. Los diodos láser están formados por diversos materiales semiconductores, el más utilizado es el material de Arseniuro de Galio y es posible encontrar otras combinaciones de este material para producir luz coherente en un empaquetado pequeño. Como ya se mencionó anteriormente la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción es lo que produce el mecanismo de acción para la luz láser. El elemento activo es un dispositivo de estado sólido no muy diferente a un LED.

Figura 27 Apuntador láser Dentro de los diodos láser existen diversas configuraciones del material N y P. Existen diodos láser de homo estructura los cuales constan de una sola unión PN. En la Figura 28 se muestra la imagen de un diodo de homo estructura.

Figura 28. Diodo láser de homo estructura. Actualmente los diodos láser fabricados no presentan una sola unión PN sino varias uniones de material PN. Esto permite que entre los materiales PN se genere una barrera de potencial mayor comparada con los diodos de homo

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estructura, incrementando de esta forma la acumulación de cargas en esta barrera para la producción de una región de inversión que disminuirá la corriente de umbral para la operación del diodo láser (Figura 29).

Figura 29. Diodo láser de heteroestructura. Los láseres de diodos difieren de los demás tipos de láseres en las dimensiones del resonador y en las características de la propagación del haz. Para un láser de diodos el material activo representa al mismo tiempo el resonador. De forma muy general los diodos láser presentan sus espejos en las caras laterales del material semiconductor los cuales delimitan de esta forma la cavidad de resonancia. Comparando las características de un láser de diodos y de un láser de HeNe se tiene que para un diodo láser la razón de la longitud del resonador con respecto a la longitud de onda es igual a:

Para un láser de He-Ne tenemos que:

Donde: L = longitud del resonador [m]. λ = longitud de onda del láser [m].

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De los valores antes mostrados es posible observar que las características del haz de luz láser variarán significativamente entre un láser de He-Ne y un diodo láser. Dentro de la gama de diodos láser se cuenta con los diodos láser entonables, los cuales presentan una cavidad de resonancia externa que permite modificar un poco la longitud de onda del haz. De igual forma existen diodos láseres pulsados los cuales requieren una alta corriente para alcanzar su nivel de disparo y proveer a su salida una potencia en watts (W), pero esto solo será por un corto tiempo (microsegundos o menos). La potencia promedio alcanzará apenas unos cuantos miliWatts (mW). Este tipo de diodos no son muy comunes actualmente. La alimentación del diodo láser deberá ser proporcionada por una fuente de DC controlada por corriente o por un controlador, el cual proporcionará una modulación a muy altas frecuencias para el uso en fibras ópticas o para la comunicación en el espacio libre. En comparación con los LED, los diodos láser requieren de muchos cuidados en el uso de la electrónica asociada (controladores) ya que su deficiente manejo hará que el diodo láser se destruya. Un parámetro al que es sensible el diodo láser y el cual podría producir su destrucción es la corriente, esta no debe de ser excedida ni por un tiempo de 1 µs. Esta sensibilidad a la corriente dependerá a su vez de las características particulares del dispositivo así como de la temperatura de la unión. En general esta sensibilidad a la corriente se debe a la gran cantidad de retroalimentación positiva que está presente cuando el diodo láser está operando. Cualquier variación en la corriente hace que exista una mayor concentración de energía electromagnética en el haz luminoso, pudiendo dañar las caras laterales del dispositivo semiconductor de forma instantánea. Debido a esto, es necesario introducir lazos cerrados de retroalimentación óptica, los cuales sirven para estabilizar la potencia del haz láser cuando existan variaciones debidas a la temperatura o a otras causas.

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Algunas ventajas que presentan los diodos láser es que son compactos (su elemento activo es del tamaño de un grano de arena), consumen baja potencia y voltaje, presentan una eficiencia mayor que otros láseres, son robustos y presentan un tiempo de vida alto si son usados adecuadamente. Con respecto a sus desventajas tenemos los requisitos críticos en su controlador así como su desempeño óptico, el cual no se puede igualar con otro tipo de láseres. Los diodos láser presentan una coherencia y un nivel de monocromaticidad inferior a otros láseres. Esto se debe al tamaño de su cavidad de resonancia (una fracción de mm formada por la unión de semiconductores del grupo III y IV). Debido a esto los diodos láser no se recomiendan para aplicaciones en holografía e interferometría.

3.2 Diferencias entre los LED's y los diodos láser.

Es posible pensar en un LED como un láser sin una cavidad de retroalimentación. Los LED's emiten fotones a partir de la recombinación de electrones, presentando un espectro ancho (Figura 30). Cuando se agrega una cavidad de resonancia con una Q alta, la retroalimentación puede ser lo suficientemente alta como para activar la acción láser. La mayoría de los diodos láser tienen la cavidad de resonancia construida dentro del dispositivo, pero existen diodos láser con la cavidad de resonancia externa. La adición de una cavidad de resonancia con alta Q modifica drásticamente el número de modos de operación. En un LED no es posible hablar de modos de operación.

Figura 30. Diodo láser Vs diodo Led

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3.3 Comparación de diferentes tipos de láseres.

Es necesario aclarar que un diodo láser es un láser verdadero y no un LED mejorado. En la industria es más difícil hacer un diodo láser con una línea de emisión angosta que un láser de gas o algún otro tipo de láser de cristal. En general el agregar una cavidad de resonancia de mayor longitud a un láser, contribuirá a estrechar la línea de emisión. Es posible utilizar una cavidad externa de resonancia con muy alta Q para que de esta forma sea posible incrementar la coherencia de un diodo láser. En un láser de gas la línea de fluorescencia es angosta lo que genera una ganancia espectral limitada. Los diodos láser tienen mayor ancho en su fluorescencia espectral.

3.4 Seguridad en el uso de diodos láser. En general todos los láseres presentan un riesgo para la visión, especialmente cuando la salida del dispositivo está colimada y/o es invisible. De igual forma existe un riesgo cuando en su salida existe una potencia mayor a los 3 o 5 mW. [Clase II y IIIa] Los diodos láser de los reproductores de CD presentan una longitud de onda de 780 nm (IR cercano) y una potencia de salida menor o igual a 1 mW. Esta potencia de salida se debe al uso de la óptica asociada que hace que el haz diverja. Si se logra quitar esta óptica la salida será de 5 mW colimada. Esta potencia de salida tiene la capacidad de perforar la retina generando daños en esta sin que uno se percate. [Clase IIIa] Los diodos láser que funcionan en la región visible y los apuntadores láser presentan a su salida una potencia de 1 a 5 mW en diversas frecuencias (635 a los 670 nm). Cuando estos rayos se encuentran colimados tienen la capacidad de perforar la retina. [Clase II y IIIa] SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Actualmente hay que extremar precauciones con los apuntadores láser de color verde ya que estos tienen como base diodos láser IR de potencia y aunque no sea posible percibir una salida del haz, es posible que se esté produciendo una salida IR la cual no es visible por el ojo humano. [Clase IIIb] En el caso de los dispositivos quemadores de CD's estos utilizan diodos láser que producen potencias en múltiplos de 10 mW. Una unidad de escritura de CD's, en el momento de estar leyendo, presentará una potencia de entre 3 y 5 mW. En el momento de escribir, esta unidad tendrá una potencia a la salida de 25 a 30 mW. Este tipo de láseres aún si no están colimados presentan un riesgo para la visión. [Clase IIIb] Actualmente los diodos láser IR, para aplicaciones de potencia, se han vuelto de uso común sobre todo con el uso actual de diodos de estado sólido bombeados. Estos presentan un gran riesgo para la visión además de que su haz concentrado puede producir fuego o quemaduras debido a la potencia a la salida que estos manejan. El ojo por sus características detectará más intenso un láser con longitud de onda de 635 nm (5 veces más intenso) que un diodo con longitud de onda de 670 nm.

3.5 Diodos láser.

Los diodos láser más comunes son los usados en los reproductores de CD’s y en las unidades de CD de las computadores. Este tipo de diodos láser, como ya se mencionó, producen un haz invisible en la parte del espectro del infrarrojo cercano con una longitud de onda de 780 nm. Los láser de diodos visibles han ido remplazando a los láseres de He-Ne en diversas áreas como en los supermercados, en los apuntadores láser, en los dispositivos posicionadores usados en medicina (CT y MIR escáner) y en otras aplicaciones. El primer láser producido dentro de la región visible fue para una

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longitud de onda de 670 nm. Actualmente ya se cuenta con diodos láser con longitud de onda de 650 nm y 635 nm. Los diodos láser con longitud de onda de 635 y 650 nm se utilizan en la tecnología del DVD. La longitud de onda más corta (de 635 y 650 nm) en comparación con los diodos IR de 780 nm hacen que en un DVD quepa mayor cantidad de información, aproximadamente 8 veces o más, que en un disco normal. [Clase II] Al igual que los diodos infrarrojos estos presentan una potencia de salida máxima de 3 a 5 mW. Existen otros tipos de diodos láser de altas potencias pero su costo es de cientos de dólares por potencias de salida del orden de 20 mW. Para muy altas potencias se utilizan arreglos de diodos láser o barras de diodos láser, estas producen potencias del orden de watts, pero su desventaja es que sus precios alcanzan los miles de dólares.

3.6 Construcción de un diodo láser.

Figura 31. Dispositivo de diodo láser.

Figura 32. Composición de un diodo láser.

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El tamaño típico del empaque de un diodo láser es de 5 a 10 mm de tamaño (Figura 31), mientras que el tamaño del chip semiconductor es menor que 1 mm (Figura 32). Conforme el haz principal emerge del diodo láser este presentará una forma de V (cuña) siendo a su vez altamente divergente y con una apertura típica de 10º x 30º. Es necesaria una óptica externa para producir haces paralelos (colimados). Una lente convexa (esférica) sirve bien para este fin. En los módulos láser y en los apuntadores láser se usa una lente la cual, por lo menos una de sus caras, presenta una superficie sin curvaturas esféricas mientras que por el otro lado existe una superficie esférica. La longitud focal efectiva de una lente de este tipo es de 5mm. Debido a la naturaleza de la unión ésta produce un haz con forma de cuña y una divergencia no proporcional (10º x 30º), de igual forma se da la presencia de astigmatismo. La longitud focal efectiva para colimar el haz en X y en Y difiere ligeramente. Es necesario el uso de una lente cilíndrica o de una lente con una curvatura astigmática para compensar estas características. Sin embargo la cantidad de astigmatismo es pequeña por lo que en general es ignorada. En general la forma del haz es elíptica o rectangular, esto puede corregirse utilizando un par de prismas. La luz producida por la unión del diodo láser normalmente esta polarizada linealmente. El haz de la parte posterior del diodo láser golpea a un fotodiodo el cual es utilizado como un dispositivo opto-electrónico de lazo cerrado. Éste dispositivo tendrá la función de regular la corriente y a su vez la potencia del haz. El fotodiodo se monta con un ángulo tal que evita la aparición de reflexiones que interfieran con la operación del diodo láser.

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3.7 Diodos de alta potencia en el espectro visible.

Actualmente es posible encontrar láseres de diodos con potencias ópticas de salida en el orden de varios watts. Este tipo de dispositivos tienen un precio alto, pero comparando el costo de este sistema completo con un sistema láser de He-Ne de 25 mW, su costo será mucho menor. Como ya se mencionó con anterioridad este tipo de diodos láseres es muy sensible en su manejo, por lo que un control incorrecto de sus parámetros podrá destruirlo. De igual forma la calidad del haz no logra alcanzar a las características del sistema de He-Ne más barato. Los diodos láser de alta potencia en el espectro visible presentan un funcionamiento multimodo, un haz no circular y astigmatismo. El hecho de que sean multimodo significa que no pueden ser utilizados en aplicaciones de holografía e interferometría.

3.8 Diodos láser de alta potencia.

Este tipo de dispositivos van desde algunos watts hasta los cientos de watts. Estos láseres trabajan generalmente en el área IR cercana, comúnmente 808 nm. Con el advenimiento de los diodos láseres bombeados, las potencias de salida han logrado alcanzar salidas por arriba de los 1,000 watts. Una forma de obtener estas altas potencias es con la implementación de diodos láser en barras. Este tipo de barras están hechas con un chip de tamaño de 10 mm, con unos 16 a 24 emisores láseres de 150 micras de ancho y con potencias de emisión arriba de los 2 watts por emisor. Es muy importante tener en mente que el poseer el diodo láser es sólo una pequeña parte del problema. Uno de los puntos más importantes a resolver es el control del diodo láser dentro de sus especificaciones máximas de potencia, esto

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es, evitar que se sobrepase la corriente máxima permitida, así como la implementación de un adecuado enfriamiento.

3.9 Diodos láser pulsados de alta potencia.

La mayor parte de los diodos pulsados trabajan dentro del espectro IR. En las hojas de datos es posible encontrar especificaciones de potencia de salida de 9 o 14 W. Estas potencias son pico. Las potencias promedio son de unos cuantos mW teniendo un ciclo útil de 0.1% o menos con respecto al ciclo completo. Estos dispositivos utilizan longitudes de onda típicas de entre los 850 y los 910 nm, aunque existen otras longitudes de onda disponibles. Este tipo de diodos láser vienen en empaques de plástico, pareciéndose mucho a los LED's. Debido a esto, no es posible enfriarlos de forma adecuada por lo que la disipación de potencia se convierte en un factor limitante en su operación.

3.10 Diodos láser de emisión por la cavidad superficial vertical.

(Vertical Cavity Surface Emitting Láser Diodes -VCSEL) En algunos diodos láser el haz producido se emite a partir de una de las caras del semiconductor. Este tipo de semiconductores es conocido como diodo láser Fabry-Perot debido a que su cavidad funciona de forma similar que la de un láser convencional de gas o de estado sólido. Los diodos láser tienen construida su cavidad de resonancia dentro del material semiconductor. Los espejos pueden ser ambos lados del chip, uno, o en su caso ambos lados son anti reflejantes y de forma externa se anexan espejos.

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Los diodos VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Láser Diodes) emiten su haz a través de la superficie de la cara superior del material semiconductor. La cavidad está formada por un ciento o más de capas de espejos y por un láser semiconductor. Algunas de las características que presentan estos dispositivos son: Características del haz La mayor parte de las características de un láser VCSEL pueden ser controladas, o en su defecto afectado seleccionando el número y espesor de las capas de espejos y de otros parámetros del proceso de manufactura. Los diodos láser operan en modo simple y longitudinal, pero es posible encontrar algunos que funcionen en múltiples modos transversales.

Perfil y forma del haz De forma general los diodos de baja potencia del tipo de FP presentan un área de emisión de 1x3 µ m mientras que en los diodos VCSEL la región de emisión puede ser diseñada para producir diferentes formas (aún en forma de dona o de anillo), esto permite producir un acoplamiento óptico adecuado para una fibra óptica multimodo. Los diodos láser VCSEL tienen un haz en forma circular de 5 a 25 µ m de diámetro. La divergencia del haz es mucho menor que la que presentan los diodos con cavidad del tipo FP. Debido a esta forma circular del haz no es necesario hacer correcciones de asimetría ni de astigmatismo. Solo es necesaria una lente simple para poder producir una excelente colimación del haz. Baja corriente de disparo y baja corriente de operación: Los diodos láser del tipo de FP poseen una corriente de disparo promedio de 30 mA mientras que los diodos láser VCSEL poseen corrientes de disparo de 1 o 2 mA. Esto trae consecuencias positivas como bajos requisitos de potencia eléctrica, es posible alcanzar velocidades más altas de transferencia de datos,

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más velocidad de modulación, más simplicidad en la circuitería del controlador, menores emisiones radiadas. Para los diodos VCSEL es suficiente un control por corriente prescindiendo de la retroalimentación óptica que utiliza un fotodiodo, la cual en los diodos láser del tipo FP tiene la función de prevenir la destrucción del diodo láser por excesos de corriente. d) Pequeño tamaño: Mientras que los diodos láser del tipo FP presentan una longitud de 250 a 500 µm, los diodos VCSEL solo se limitan en tamaño por los contactos eléctricos. Estos dispositivos presentan un tamaño promedio de 100 µm pero este puede ser reducido hasta 50 µm o menos. e) Menores costos de manufactura: Durante la construcción de este tipo de dispositivos en posible hacer pruebas de umbral, de funcionamiento, forma del haz, calidad y estabilidad sin tener que separar los dispositivos de la oblea de semiconductor en donde se encuentran cientos de estos. En los diodos del tipo FP es necesario separa los diversos dispositivos de una oblea para que sean probados, lo que impide hacer modificaciones al dispositivo. f) Montaje y empaquetado simplificado: Los diodos VCSEL pueden utilizar empaquetados de plástico que no sean costosos, o combinarse con diversos componentes ópticos que en general tiendan a reducir costos. Las longitudes de onda disponibles para este tipo de diodos son de 780, 850 y 980 nm. Existen en el mercado diodos láser con longitudes de onda por arriba de los 1300 nm.

3.11 Características del haz de un diodo láser.

A diferencia de los láseres de He-Ne y de otro tipo de láseres de gas comunes, el haz puro obtenido a la salida, a partir de uno de los bordes del diodo láser, es altamente divergente y sufre de dos asimetrías: astigmatismo y el perfil del haz presenta forma elíptica. Al mismo tiempo el haz está polarizado SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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linealmente de forma inherente. Todo esto se deriva de la forma de la apertura emisora en uno de los lados del diodo láser, la cual está alargada en vez de presentar una forma circular. Los diodos de baja potencia con una ventana emisora en su parte lateral, normalmente operan en un modo espacial sencillo para ambos ejes, mientras que el mismo tipo de diodo pero para altas potencias, mayores o iguales que 100 mW, presentan un modo espacial múltiple en el eje horizontal y un modo sencillo en el eje vertical. Para un diodo que trabaja en modo sencillo en ambos ejes es posible, con un poco de trabajo, enfocarlo con un límite de difracción. Esto es imposible de hacer para un diodo que presenta un modo espacial múltiple. La apertura emisiva lateral de un diodo láser, de forma típica, presenta dimensiones de 1 µm x 3 µ m. Sin embargo para diodos de alta potencia las dimensiones podrán ser del orden de 10 µm o aún de 100 µ m o más. El ángulo de divergencia, está dado por la siguiente expresión:

Donde: Ɵ = ángulo de divergencia. λ = Longitud de onda del láser. d = diámetro del haz láser. p = constante. Para un diodo láser con una apertura emisiva de 1 µ m x 3 µ m el ángulo de divergencia será de 48x16 grados. Para un diodo láser con una apertura emisiva de 1 µm x 10 µm, el ángulo de divergencia será de 48 x 4.89 grados, mientras que para un diodo láser con apertura emisiva de 1 µm y 100 µ m el ángulo de divergencia será de 48 x 0.48 grados. Un láser de He-Ne tiene un ángulo de divergencia de 0.05 grados para un haz con diámetro de 1 mm.

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La asimetría en dimensiones que existe, tanto en el eje X como el eje Y, hacen que el haz del diodo láser presente un perfil elíptico. Este perfil a veces se describe con la forma de una cuña. Es posible observar que con este tipo de láseres de diodos se obtiene no un punto sino una línea recta o un rectángulo. El astigmatismo leve del diodo láser resulta de la divergencia desigual. Es posible observar que un diodo láser con potencia de 5 mW, presentará un astigmatismo de 40 µ m, el cual será un valor típico.

3.12 Coherencia espacial de los diodos láser.

Los diodos láser normalmente presentan una cavidad interna del tipo FabryPerot. Estos a su vez presentan una coherencia espacial del orden de milímetros. Los láseres grandes presentan una coherencia espacial comparable a la longitud física de la cavidad de resonancia. Los diodos láser tienen un tamaño de fracción de milímetro en uno de sus lados. Debido a esto se espera obtener una coherencia espacial baja. Debido a su estabilidad en el tiempo, la cual no es muy grande, es posible obtener una coherencia espacial de 20 cm o más, valores que son usuales. Este tipo de coherencia es similar a la coherencia obtenida para un láser de He-Ne.

3.13 Coherencia temporal en los diodos láser.

La coherencia temporal en los diodos láser depende de la fuente de alimentación utilizada y de la retroalimentación óptica del diodo láser. Con un diodo de un modo longitudinal simple, sin retroalimentación óptica, y una corriente

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de ruido menor a 1 µA RMS en un ancho de banda de ruido de 1 MHz, es posible obtener anchos de línea de 10 MHz para una coherencia temporal del orden de nanosegundos. Con la existencia de una retroalimentación óptica, el ancho de línea se puede disminuir drásticamente a pocos Hercios o dispararlo a varios GHz (Tera hercios), dependiendo de la intensidad y del tiempo de retraso entre la luz emanada del diodo y de la que regresa al mismo.

3.14 Luz colimada.

Se denomina luz colimada a la luz cuyos rayos son paralelos entre sí, lo que se puede lograr de diferentes formas, siendo la más sencilla hacerla incidir en un espejo cóncavo desde una fuente situada en el foco. Se suele decir que la luz colimada está enfocada en el infinito. Se dice que un haz de luz está colimado si la divergencia del vector de Poynting correspondiente es nula. El flujo de la energía es unidireccional, de modo que cada rayo del haz puede considerarse paralelo a cualquier otro. Dentro de ciertas aproximaciones acerca de la fuente primordial puede obtenerse un haz colimado mediante un sistema de dos lentes: una primera lente hace converger todos los rayos en la focal de la segunda, de forma que finalmente salen paralelos. El láser suele estar colimado, debido a que se genera en el interior de una cámara entre dos espejos de este tipo, además de ser coherente.

3.15 Colimación de un haz láser

La divergencia de un haz láser puede ser cambiada a través de lentes. Sin embargo, las relaciones entre los diferentes parámetros del haz no pueden ser cambiadas. Así para incrementar la colimación de un haz hay que reducir por

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tanto, la divergencia, se requiere que el diámetro de cintura del haz sea incrementado.

La cintura del haz es la región que converge a un diámetro mínimo y entonces comienza a diverger.

Para incrementar la colimación de un haz es necesario colocar la cintura del haz a la distancia focal de una lente de longitud focal larga. La colimación de un haz láser consiste en una lente negativa y una positiva como se muestra en la Figura 33

Figura 33. arreglo de lentes para colimación.

Este método es básicamente un telescopio Galileano, donde el haz diverge debido a la lente negativa produce una cintura del haz virtual a su izquierda (debido a la forma Gausiana del haz), la primera superficie de la lente negativa es colocada en un punto igual a la suma algebraica de la longitudes focales de las lentes, tomando en consideración que la lente negativa tiene una distancia focal que también es negativa, disminuyendo la distancia respectiva de los planos principales, que es igual a la distancia entre los vértices interiores al sistema. Se puede demostrar que la disminución en la divergencia del haz es igual a la divergencia original dividida por la amplificación de las lentes.

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3.16 ¿Que es un modulo láser?

Estos módulos láser son constados de uno diodo láser, un circuito de mando y una lente de colimación. Que estén listos para el empleo de instrumentos de puntaje, alineamientos, mesuras de distancias, entre otros.

3.16.1 Módulos Láser Módulos láser con apertura ajustable Módulos láser con apertura ajustable (Figura 34). Listo para uso inmediato en los instrumentos de puntería, de alineamiento y de medidas. Por su apertura variable es perfecta para cualquier proceso a utilizar en nuestro caso se adecuara perfectamente a lo que queremos realizar debido a que se utilizaran diversos diámetros de haz. Las especificaciones de este modulo laser se muestran en la Figura 35.

Figura 34 Modulo láser con apertura ajustable

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Sus especificaciones son: Especificaciones:

Dimensiones.

Figura 35. Especificaciones y dimensiones de modulo láser con apertura ajustable Módulo Láser Enfocable.

Estos módulos láser de 8 mm de diámetro, incluye una lente, un diodo y la electrónica necesaria para la activación. Su foco es ajustable y su caja está hecha de latón para mejor disipación del calor. (Figura 36) sus especificaciones se observan en la Figura 37.

Cumplen con las normas europeas CE, RoHS y con regulaciones de la FDA. Han sido diseñados para las aplicaciones de alineación, las mediciones de distancias y muchas otras aplicaciones científicas e industriales.

Figura 36. Módulo Láser Enfocable SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Sus especificaciones son:

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Tamaño.

Figura 37. Especificaciones del módulo Láser Enfocable.

Módulo Láser Rojo Enfocable

Este enfocable Módulo de láser rojo está listo para usar. Es ideal para una amplia gama de aplicaciones de baja potencia del láser, como la alineación, nivelación y colocación como se observa físicamente en la figura 38. Y sus especificaciones se encuentran en la figura 39.

Figura 38 Módulo Láser Rojo Enfocable SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Sus especificaciones son:

Figura 39. Especificaciones de Módulo Láser Rojo Enfocable

Módulo láser enfocable, generador de línea roja

Este módulo láser con línea en foco de alta calidad de diodo láser, circuito de láser integrado, superficie con lentes ópticas de vidrio, una lente cilíndrica enfocable capaz de generar una línea.

Ideal para un gran número de aplicaciones médicas e industrias, aplicaciones de uso continuo, como lectura de código de barras, mediciones alineamiento y posicionamiento Cumple con CE, FDA y RoHS. (Figura 40)

Figura 40. Módulo láser enfocable, generador de línea roja. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Sus especificaciones son:

Figura 41. Especificaciones de un módulo láser enfocable, generador de línea roja.

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Capitulo 4. Automatización. 4.1 Introducción Un sistema automático de control es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir sin intervención de agentes exteriores (incluido el factor humano), corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su funcionamiento.

Actualmente, cualquier mecanismo, sistema o planta industrial presenta una parte actuadora, que corresponde al sistema físico que realiza la acción, y otra parte de mando o control, que genera las órdenes necesarias para que esa acción se lleve o no a cabo.

La automatización, sustituye la presencia del ser humano por un mecanismo, circuito eléctrico, circuito electrónico o, más modernamente por una computadora. El sistema de control será, en este caso automático.

Necesidad y aplicaciones de los sistemas automáticos de control

En la actualidad los sistemas automáticos juegan un gran papel en muchos campos, mejorando nuestra calidad de vida: •

En los procesos industriales.

•

Aumentando las cantidades y mejorando la calidad del producto, gracias a la producción en serie y a las cadenas de montaje.

•

Reduciendo los costes de producción.

•

Fabricando artículos que no se pueden obtener por otros medios.

•

En los hogares: Mejorando la calidad de vida. Podríamos citar desde una lavadora hasta un control inteligente de edificios (domótica).

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•

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Para los avances científicos: Un claro ejemplo lo constituyen las misiones espaciales.

•

Para los avances tecnológicos: por ejemplo en automoción es de todos conocidos los limpiaparabrisas inteligentes.

4.2 Aplicaciones de la Neumática a la manufactura industrial.

La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control automático en la industria. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma; Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aproximadamente, 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido). La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más visible la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo. A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.

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En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos. Ventajas y desventajas Ventajas de la Neumática •

El aire es de fácil captación y abunda en la tierra.

•

El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas.

•

Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables

•

El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.

•

Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente.

•

Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.

•

Energía limpia

•

Cambios instantáneos de sentido Desventajas de la neumática

•

En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.

•

Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado.

•

Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas.

•

Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera

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4.3 Los cuatro elementos de un sistema neumático 1º Elementos generadores de energía: Comprimen el aire aumentando su presión por encima de 1 at. (La atmosférica a nivel del mar) y reduciendo su volumen, por lo que se les llama compresores. Pueden emplear motores eléctricos o de combustión interna; además llevan un depósito (para acumular el aire), manómetro (mide la presión relativa) y termómetro (mide la temperatura del aire comprimido en el depósito). Se caracterizan por su caudal (Q) y su relación de compresión (Rc), que deben ser adecuadas al consumo de aire que requiere el circuito. Figura 42. Clasificación de los compresores: compresor

depósito

• De émbolo: Rc de 6 a 15, Q altos. Baratos y ruidosos. Funcionamiento parecido al motor de cuatro tiempos. De una y dos etapas. • Rotativos: Q muy constantes pero menores

manómetro

termómetro

que los anteriores. Caros y silencios. Comprimen el aire mediante el giro del motor. De paletas y de tornillo

Figura 42.Elementos Generadores de energía 2º Elementos de tratamiento de aire: El aire comprimido debe estar exento de humedad, partículas de polvo y conviene que tenga un cierto contenido de aceite lubricante para de este modo proteger a las válvulas y actuadores por los que circula. Además la presión de trabajo debe estar regulada -es frecuente en procesos industriales emplear unas 6 atmósferas-. La unidad de mantenimiento de aire consta, por tanto de filtro (elimina partículas sólidas y agua por centrifugado), regulador de presión (mantiene constante la presión de trabajo: 6 at) y lubricador (aporta aceite pulverizado por efecto Venturi).

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filtro

regulador de presión

lubricador

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unidad de mantenimiento

Figura 43. Elementos de tratamiento de aire 3º. Elementos de mando y control: Conducen de forma adecuada el aire. Son las tuberías y válvulas. Las tuberías suelen ser de acero en grandes instalaciones, aunque también de plástico flexible en determinados tramos. El cálculo del diámetro de las tuberías se realiza mediante tablas y gráficos, teniendo en cuenta fundamentalmente el caudal, las pérdidas de presión; estas últimas no deben sobrepasar las 0,1 at desde el depósito al consumidor. Es frecuente que la red principal sea un circuito cerrado con el fin de garantizar alimentaciones uniformes. Como se muestra en la figura 44 Respecto de las válvulas, conviene entender la simbología de las de control de caudal; se las nombra con dos números; por ejemplo válvula 3/2 quiere decir que tiene 3 orificios o vías y 2 posiciones. Se dibujan tantos cuadros como posiciones tiene y en cada uno de ellos se representa mediante flechas el estado o forma de comunicarse dichos orificios. Veamos algunos de los ejemplos más utilizados:

válvula 2/2

válvula 3/2

Normalmente cerrada y retorno por Normalmente cerrada y retorno por muelle. Frecuentemente se acciona por muelle. Frecuentemente se acciona por pulsador, pedal o palanca como llave de pulsador, pedal o palanca como llave de paso. arranque. válvula 5/2 Frecuentemente gobierna el movimiento de los cilindros de simple efecto, pilotada por aire en ambos lados.

otras válvulas

Figura 44. Elementos de mando y control SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Físicamente están formadas por un “cuerpo” donde se ubican los conductos internos y orificios de salida y un “elemento móvil” que puede ser de asiento o corredera que nos va a dar las distintas posiciones de la válvula. Todas llevan algún tipo de accionamiento: •

Manual: general, pulsador seta, palanca y pedal (todos con o sin enclavamiento)

•

Mecánico: palpador, muelle, rodillo y rodillo abatible unidireccional.

•

Neumático: por presión de aire.

•

Eléctrico: por un electroimán.

El código de las vías responde a la siguiente tabla: Conductos ISO

CETOP

Presión

P

1

Trabajo

A, B, C,… 2, 4, 6,…

Escapes

R, S, T,… 3, 5, 7,…

Pilotajes

Z, X, Y,…

3 ejemplos

12, 14, 16,…

Xcvxc

Xcvxc

Xcvxc

Válvula 3/2 normalmente cerrada, accionada por rodillo abatible y retorno por muelle

Válvula 5/2 doblemente pilotada por aire. El pilotaje 12 cambia la salida de utilización a2

Válvula 5/2 con salida por utilización 2 en reposo, accionada eléctricamente y retorno por muelle

4º Elementos actuadores: Transforman la energía de presión del aire en energía mecánica. Pueden ser cilindros, de movimiento alternativo, o motores, de movimiento rotativo. Como los que se muestran en la figura 45.

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Cilindro de simple efecto Salida vástago: Fs = P.S - Fm - Fr motor con un

Fm = K.x

Entrada vástago: Fe = K.x - Fr

sentido de giro Cilindro de doble efecto Salida vástago: Fs = P.Ss - Fr

Ss = πD2/4

Entrada vástago: Fe = P.Se - Fr Se = π(D2-d2)/4 motor con doble sentido de giro

Volumen desplazado por ciclo y P de trabajo: V = π(2D2d2)L/4 se suele expresar en según norma ISO R554 (20 ºC, 1 at., 65% humedad relativa del aire), por lo que se aplica V´=PVT´/TP´ Figura 45. Elementos actuadores.

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro. Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos) A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos

combinados

con

accionamientos

eléctricos

supone

un

gasto

considerable.

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Cilindros de simple efecto Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar y alimentar.

Figura 46. Cilindro de simple efecto y esquema Cilindro de doble efecto La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener

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en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas. Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial, ya que hay un esfuerzo neumático en ambos sentidos. Se dispone de una fuerza útil en ambas direcciones.

Figura 47. Cilindros de doble efecto y esquemas retraídos y expandidos

4.4 Válvulas neumáticas Una válvula neumática es un elemento de regulación y control de la presión y el caudal del aire a presión. Este aire es recibido directamente después de su generación o sino desde un dispositivo de almacenamiento. Las válvulas dirigen, distribuyen o pueden bloquear el paso del aire para accionar los elementos de trabajo (los actuadores). Cuando se habla de la función de la válvula nos estamos refiriendo a la variedad de posiciones de la válvula. Generalmente encontramos de 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 3/3, 4/3 y 5/3. El primer número es el número de vías (entradas, salidas y descargas). El segundo valor es el número de posiciones que tiene las válvulas.

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4.4.1 Válvulas direccionales. Estas válvulas inician, paran y dirigen el fluido a través de las diferentes conducciones de la instalación para hacer posible el control de los actuadores (cilindros o motores). Válvulas direccionales más usuales: Válvula distribuidora 2/2: Esta válvula al igual que la unidireccional es de asiento, es decir que abren y cierran el paso por medio de conos, discos, placas y bolas, evitando cualquier fuga. Estás válvulas son de concepción muy simple, pequeña y económica. Son ideales para gobernar cilindros de simple efecto. Como muestra la figura 48.

Figura 48. Válvula distribuidora 2/2. Un muelle mantiene apretada la bola contra el la apertura, obstruyendo el paso del aire (posición de cerrado). Cuando presionamos sobre la bola, entonces el muelle se encoje provocando el paso del aire (posición de obertura). Estas válvulas son distribuidoras 2/2, porque tienen dos posiciones (abierta y cerrada) y dos orificios (la entrada y la salida del aire) Válvula distribuidora 4/2: Esta válvula permite que pase el aire por los dos sentidos ya que tiene dos entradas de aire y dos salidas como muestra la figura 49. Dependiendo de la

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posición (cerrada o abierta) de las válvulas algunas vías cambian de sentido del aire. Por eso se llama válvula 4/2 (4 vías, 2 posiciones). La válvula 4/2 es muy utilizada para gobernar cilindros de doble efecto:

Figura 49. Válvula distribuidora 4/2. Válvula distribuidora 4/3:

La válvula 4/3 funciona casi igual que la 4/2 pero con la ventaja que tiene una pausa entre las posiciones del cilindro. Esta se acciona manualmente o por pedal, dando mayor posibilidad de gobernar el cilindro: podemos conectar el cilindro cuando queremos. Estas válvulas se usan para gobernar tanto cilindro de doble efecto como motores neumáticos. A continuación en la figura 50 vemos las 3 posiciones de la válvula 4/3 que esta conectada a un cilindro de doble efecto.

Figura 50. Válvula distribuidora 4/3.

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4.4.2 Válvulas reguladoras de caudal

Cuando se genera mucho aire a presión y este va a mucha velocidad y queremos reducir el caudal para que funcione bien el cilindro, para eso usaremos una válvula reguladora de caudal. Esta funciona de tal forma que cuando enroscamos el “caracol” el caudal disminuye ya que hace frenar el aire a presión. Normalmente se acopla un anti retorno, para que el fluido solamente vaya estrictamente en un sentido, evitando así grandes problemas. Como lo muestra la figura 51

Figura 51. Válvulas reguladoras de caudal.

4.5 Aplicaciones de Electrónica a la manufactura industrial La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora. Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se

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pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras.

4.5.1 Componentes electrónicos Los

circuitos

electrónicos

constan

de

componentes

electrónicos

interconectados. Estos ponentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los condensadores y las bobinas. Los considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de vacío y los transistores.

4.5.2 Circuitos electrónicos de uso frecuente Circuitos de alimentación eléctrica (Fuentes) La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de

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diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad. Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada.

4.5.3 Circuitos amplificadores de señal. Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados

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4.6 Aplicación de la mecánica a la manufactura industrial. 4.6.1 Introducción La mecánica industrial es un arte que consiste en la construcción y mantenimiento de las máquinas que se dedican a alguna industria o empresa relacionada con la Ingeniería, que tienen como finalidad hacer más sencillo el proceso en alguna producción. Es necesaria en la mayoría de las empresas, en especial en aquellas que se dedican a los siguientes rubros: Mineras, Transportes, Procesos Metal Mecánicos, Químicas, Alimenticias y Servicios Públicos.

4.6.2 Bandas trasportadoras Una banda transportadora es un sistema de transporte, formado básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.

4.6.2.1Funcionamiento Un análisis de los aspectos generales de los transportadores de bandas, permite determinar que la transmisión por banda provee de una base para el diseño de los transportadores. El trasporte por banda, es transmitido por fricción entre la banda y los tambores o poleas de accionamiento. Ciertamente otros elementos del diseño, que también colaboran con el sistema de transmisión, son determinantes tanto en la potencia de la transmisión como en la cantidad de material transportado. La similitud entre ambos casos permite analizar y discutir si los fundamentos del diseño de bandas están restringidos específicamente para los transportadores. Este tipo de bandas transportadoras continuas están constituidas básicamente por una banda sinfín flexible que se desplaza apoyada sobre unos rodillos de giro libre. El desplazamiento de la banda se realiza por la acción de arrastre que le transmite uno de los tambores extremos, generalmente el situado

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en "cabeza". Todos los componentes y accesorios del conjunto se disponen sobre un bastidor, casi siempre metálico, que les da soporte y cohesión.

4.6.3 Reductores de velocidad (motorreductores)

Los reductores de velocidad son indispensables en todas las industrias del país, desde los que producen cemento hasta los laboratorios de medicamentos requieren en sus máquinas estos mecanismos. Los reductores son diseñados a base de engranajes, mecanismos circulares y dentados con geometrías especiales de acuerdo con su tamaño y la función en cada motor. Sin la correcta fabricación de los motorreductores, las máquinas pueden presentar fallas y deficiencias en su funcionamiento. La presencia de ruidos y recalentamientos pueden ser aspectos que dependan de estos mecanismos, de allí la importancia del control de calidad. El desarrollo de esta máquina y del sistema inteligente de medición le permite a las empresas ser mucho más competitivas y aumentar sus conocimientos y ganancias. En pocas palabras los reductores son sistemas de engranajes que permiten que los motores eléctricos funcionen a diferentes velocidades para los que fueron diseñados. Rara vez las máquinas funcionan de acuerdo con las velocidades que les ofrece el motor, por ejemplo, a 1.800, 1.600 o 3.600 rpm (revoluciones por minuto). La función de un motorreductor es disminuir esta velocidad a los motores (50, 60, 100 rpm) y permitir el eficiente funcionamiento de las máquinas, agregándole por otro lado potencia y fuerza. Los Reductores de velocidad ó Motorreductores son apropiados para el accionamiento de toda clase de máquinas y aparatos de uso industrial (como

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bandas trasportadoras), que necesitan reducir su velocidad en una forma segura y eficiente. Las transmisiones de fuerza por banda, cadena o trenes de engranajes que aún se usan para la reducción de velocidad presentan ciertos inconvenientes. Al emplear reductores o motorreductores, se obtiene una serie de beneficios sobre estas otras formas de reducción. Algunos de estos beneficios son: •

Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida.

•

Una mayor eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor.

•

Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el mantenimiento.

•

Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje.

•

Menor tiempo requerido para su instalación. Los motorreductores se suministran normalmente acoplando a la unidad

reductora un motor eléctrico normalizado asincrónico tipo jaula de ardilla, totalmente cerrado y refrigerado por ventilador para conectar a redes trifásicas de 220/440 voltios y 60 Hz . Para proteger eléctricamente el motor es indispensable colocar en la instalación de todo Motorreductor un guarda motor que limite la intensidad y un relé térmico de sobrecarga. Los valores de las corrientes nominales están grabados en las placas de identificación del motor.

4.6.3.1 Características del reductor de velocidad Características en tamaño 1. Potencia, en HP, de entrada y de salida. 2. Velocidad, en RPM, de entrada y de salida.

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3. PAR (o torque), a la salida del mismo, en KG/m. 4. Relación de reducción: índice que detalla la relación entre las RPM de entrada y salida. Características del trabajo a realizar 1. - Tipo de máquina motriz. 2. - Tipos de acoplamiento entre máquina motriz, reductor y salida de carga. 3. - Carga: uniforme, discontinua, con choque, con embrague. 4. - Duración de servicio: horas/día. 5. - Nº de Arranques/hora. Guía para la selección del tamaño de un reductor de velocidad. Para seleccionar adecuadamente una unidad de reducción debe tenerse en cuenta la siguiente información básica: Características de operación •

Potencia (HP tanto de entrada como de salida)

•

Velocidad (RPM de entrada como de salida)

•

Torque (par) máximo a la salida en kg-m.

•

Relación de reducción (I).

Características del trabajo a realizar •

Tipo de máquina motriz (motor eléctrico, a gasolina, etc.)

•

Tipo de acople entre máquina motriz y reductor.

•

Tipo de carga uniforme, con choque, continua, discontinua etc.

•

Duración de servicio horas/día.

•

Arranques por hora, inversión de marcha.

Condiciones del ambiente

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Humedad

•

Temperatura

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4.7 Controladores. 4.7.1Introducción a los controladores. 4.7.1.1Antecedentes de los PLC’S (Controladores Lógicos Programables). El control industrial se ha desarrollado enormemente en los últimos 60 años. La industria de cualquier tipo como la de alimentos, petrolera, metalúrgica, o automotriz por mencionar algunas; ha necesitado siempre algún tipo de control en el proceso de manufactura. Hace tan solo cuarenta años el control industrial era ejecutado con dispositivos electromecánicos y algunas tarjetas electrónicas en algunos casos. Este tipo de control ocupaba demasiado espacio en los cuartos de control, el consumo de energía era elevado, las modificaciones eran un tanto complejas, además de costosas, el mantenimiento solía llevar mucho tiempo para la localización y corrección de fallas. Un diagrama de control típico basado en dispositivos electromecánicos, y se muestra en la Figura 58. En este tipo de control la lógica se efectúa por medio de relevadores (K), y los relevadores de tiempo (KT), como elementos de entradas, se tienen sensores de diferentes tipos como, interruptores de límite (LS), botoneras (B), interruptores de presión (P), interruptores de temperatura (T). Como elementos de salida se pueden tener arrancadores, luces piloto, válvulas, solenoides, estos diferentes tipos de elementos son conectados entre si para controlar una maquina o proceso utilizando los contactos de los relevadores para originar una lógica determinada, para lograr tiempos de retardo se emplean relevadores de tiempo neumático o electrónico (KT). Un diagrama escalera típico luciría como en la imagen 52.

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Figura 52. Diagrama típico de escalera. Con el impresionante desarrollo que ha tenido el campo de la ingeniería en electrónica, el control electrónico ha reemplazado al control electromecánico, hasta llegar al punto donde hoy en día las computadoras industriales lo han sustituido casi por completo, ofreciendo de esta manera el amplio campo del control una gran versatilidad y simplicidad para ser manejado, programando y diseñado, por un numero mayor de personas involucradas con los procesos, sin importar cual sea su especialidad. Los

controladores

lógicos

programables

(PLC)

son

básicamente

computadoras industriales complementadas con tarjetas electrónicas específicas que sirven como interface de adquisición de datos entre el PLC y los instrumentos de campo que monitorean el proceso. Para adquirir los datos se utilizan las tarjetas electrónicas de entrada. Los datos de entrada recibidos son procesados en la memoria de la computadora conocida como CPU (unidad Central de Proceso), y los manipula según una lógica previamente programada. Esta lógica genera datos de salida que son transferidos

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a otras tarjetas específicas de los sistemas denominados de salida y que actúan sobre los elementos de control final de campo. Un sistema de control por PLC está formado a grandes rasgos por cinco elementos, los cuales se muestran en la figura 53. Modulo de entrada: Este modulo o tarjeta electrónica se encarga de recibir todas aquellas señales provenientes de campo que indiquen el cambio de algún evento on/off (abierto/ cerrado). Procesador o unidad central de procesamiento (CPU) Esta unidad se encarga de procesar la información obtenida por el modulo de entrada, que es procesada de acuerdo a un programa de control lógico elaborado en la memoria del procesador a base del uso de instrucciones previamente definidas por el fabricante. Este programa seria equivalente a las conexiones físicas (cables) que se realizan en un sistema convencional para lograr una lógica determinada. Modulo de salidas Este modulo o tarjeta electrónica recibe las señales de comando, unas señales para encender ciertos dispositivos de control en campo y otros para apagarlos que resultaron de la lógica de control del procesador. Fuente de energía del sistema de control Esta fuente se emplea para energizar los módulos de entradas, el procesador o unidad central de procesamiento y los módulos de salida. Fuente de energía externa para instrumentos Esta fuente se utiliza para energizar todos los elementos o instrumentos de campo. Esto le da mucha versatilidad al sistema de control ya que permite usar varios tipos de dispositivos de campo de campo que operan con voltajes SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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diferentes. También aísla la alimentación usada para el sistema de control de la alimentación usada para dispositivos de campo.

Figura 53. Representación esquemática de un procesador.

4.7.1.2 Clases de control industrial. En la industria existen varios tipos de control según la ampliación que el proceso requiera. Es común que la industria tenga una combinación de dos o más tipos de control en sus procesos. Control combinacional Es la forma más simple de control. Se logra combinando señales de entrada por medio de bloques analógicos AND, OR, XOR y NOT. Cada bloque lógico obtiene una salida dependiendo del estado de sus entradas respectivas. Las señales de entrada pueden ser simples o usar instrucciones de comparación. Esta lógica es muy común encontrarla en sistemas de alarmas o en permisivos.

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Control secuencial Este control puede ser más complejo ya que ejecuta una serie de pasos en forma secuencial. Estos pasos pueden ser un conjunto de instrucciones o subprograma completo. Existen ciertas instrucciones que hacen que el control secuencial se programe de manera mas fácil, este tipo de control es típico para el encendido de calderas, y hornos industriales, turbo maquinaria y en la industria de alimentos para proceso a base de recetas o procesos. Control supervisorio Este control es usado cuando el sistema requiere verificar que un comando ha sido ejecutado. Se usa por lo general en partes críticas de algún proceso. Por ejemplo el sistema lubricante de una maquina, la supervisión del arranque de una bomba de enfriamiento o para verificar que la apertura de alguna válvula de control tiene un porcentaje de apertura que el algoritmo de control ha calculado. Control regulatorio Este tipo de control es mas sofisticado, pues utiliza algorítmicos matemáticos complejos (PID) para realizar la función de regular un proceso han forma automática. Por lo general se usa en plantas de proceso que requiere mantener en valores determinados las diferentes variables físicas del proceso como niveles en tanques, presiones y temperatura en vasijas o flujos en tuberías. Tiene diferentes modos de operación como modo automático, modo manual remoto, modo manual local, modo relacional, y modo cascada entre los más comunes.

4.7.1.3 Tecnologías. Controladores lógicos programables (PLC’S) Los

PLC's

(controladores

lógicos

programables)

son

dispositivos

electrónicos creados específicamente para el control de procesos secuenciales, es decir procesos compuestos de varias etapas consecutivas, con el fin de lograr que SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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una máquina o cualquier otro dispositivo funcione de forma automática. Puesto que están pensados para aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere una especial robustez. El PLC (controlador lógico programable) es realmente el cerebro que gestiona y controla automáticamente nuestras instalaciones. Dependiendo del tamaño de la planta y de la complejidad de la automatización, el número de autómatas puede variar desde uno hasta un número importante de PLC’s enlazados Los PLC nos ofrecen muchas posibilidades de configuración. Así, como decíamos anteriormente, dependiendo de la magnitud de la instalación, es posible que el que lo solicite encuentre desde el autómata compacto más básico al más complejo equipo de control con multitud de módulos de entradas y salidas, sin que ello repercuta en las posibles ampliaciones futuras del sistema. Es posible que las instalaciones sean capaces de realizar distintas funciones simultáneamente. Esto significa que se puede controlar varios procesos tanto secuencialmente como en paralelo. En definitiva, al utilizar los PLC y software se puede realizar un control total sobre la instalación, desde la carga de material hasta el destino, pasando por cada uno de los subprocesos intermedios de la producción. Todo esto se realiza de una forma totalmente automatizada, minimizando en lo posible la intervención del operario, aunque siempre ofreciendo la posibilidad de ajustar el funcionamiento de la instalación mediante los numerosos parámetros de los que se dispone, debidamente detallados y proporcionando toda la información necesaria para el seguimiento del proceso.

4.7.1.4Características generales de un sistema de control. Existen cinco características que tienen los sistemas de control, a continuación una breve descripción de cada una de ellas: SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Modular Este se refiere a que el sistema de control puede ser integrado por una serie de módulos electrónicos de varios tipos y capacidades para que se apegue a las necesidades de tamaño y funciones que el proceso requiera. Escalable Esta característica hace referencia a que un sistema de control existente, pueda ampliarse sin tener que cambiar o desechar la base inicial instalada. Distribuido Esto se refiere a la distribución geográfica de los equipos de control a lo largo de toda la planta manteniendo la integridad del sistema. Para esto se utilizan sistemas de control interconectados por redes de datos industriales como Control Net, Ethernet, DH+, RIO, Devicenet o Fieldbus. Esta característica permite al usuario ahorrarse materiales de instalación eléctrica, cable y mano de obra, puesto que los sistemas se instalan cerca de los procesos que controlan trasfiriendo los datos a un cuarto de control central por medio de las redes de datos. Configurable Esto significa que los módulos de entrada salida y los módulos de comunicaciones utilizados en un sistema de control pueden adaptarse a alas características de sensores y redes que el proceso necesite. Esto permite usar un solo modulo para conectar varios tipos de dispositivos de campo con diferentes características.

4.7.2 Partes fundamentales de un sistema ControlLogix. Un sistema ControlLogix esta formado por 4 elementos básicos: El chasis que es el elemento que contiene todos los módulos del sistema y su conexión interna. El controlador que es la parte del sistema que almacena el programa y los

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datos. Los módulos de entrada – salida que son la interface con los instrumentos de campo y la fuente de alimentación, que suministra energía en todo el sistema. La Figura 54 muestra un sistema típico con todos sus componentes.

Figura 54. Partes fundamentales de un sistema ControlLogix.

4.7.2.1 Chasis El sistema ControlLogix es un sistema de control modular que requiere un chasis para integrar los módulos, el chasis esta disponible en diversos tamaños: 4, 7, 10,13 y 17 ranuras. Los módulos que se insertan en las ranuras del chasis se conectan al backplane del chasis y este proporciona una vía de comunicación de alta velocidad entre los módulos. Se pueden insertar en un mismo chasis uno o varios controladores y el backplane funciona como una red de transferencia de mensajes entre controladores. Si se insertan varios módulos de interface de comunicación en un chasis, un mensaje que sea enviado por una red externa al puesto de uno de los módulos puede ser ruteado por el backplane a otro modulo y ser enviado de este a otro destino por una red diferente.

4.7.2.2 Controlador. El controlador ControlLogix proporciona un control escalable que es capaz de direccionar una gran cantidad de puntos entrada-salida. Un controlador es el

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cerebro del sistema de control. Es un dispositivo de estado solido con una memoria programable por el usuario y un procesador central. Los controladores realizan las siguientes funciones: •

Control de E/S (entada / Salida).

•

Lógica de control.

•

Temporizadores.

•

Generación de reportes.

•

Comunicaciones.

•

Manipulación de archivo de datos.

El controlador se puede insertar en cualquiera de las ranuras del chasis y se pueden insertar varios controladores en un mismo chasis. Múltiples controladores en un mismo chasis se pueden comunicar entre ellos vía el backplane del chasis como lo hace una red de comunicación pero operan inmediatamente. Los controladores pueden monitorear y controlar puntos de entrada –salida a través del backplane así como con módulos de entrada – salida a través de enlaces de comunicación. Los controladores se pueden comunicar con computadoras u otros procesadores por su puerto de comunicación RS-232 que maneja distintos protocolos como, DF1, y DH-485 y también a través de módulos de comunicación con redes Devicenet, DH+, RIO, ControlNet y Ethernet.

4.7.2.3 Módulos de entrada salida. Módulos de Entrada/Salida Analógicas Ejecutan las conversiones de datos necesarias para la comunicación directa con el proceso, transforman las señales analógicas de voltaje o corriente en valores digitales para su manejo por el ControlLogix y convierte los datos digitales SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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en valores analógicos que puedan ser enviados a las salidas con una resolución de 16 bits. Estos módulos pueden ser configurados para emitir valores específicos de corriente o voltaje en caso de fallas para brindar seguridad al proceso, adicionalmente se caracterizan por: •

Datos en forma punto flotante con 32 bits de precisión o enteros de 16 bits.

•

Desinstalación e instalación de los módulos mientras reciben alimentación Eléctrica mediante el chasis.

•

Comunicación entre los distintos módulos y dispositivos, donde, sin que se Haya efectuado la recolección de datos, cada modulo genera información.

•

Sello de hora continúo de datos. Indica la hora exacta incluyendo los

Milisegundos, en que se muestrean o envían los datos.

Módulos de Entrada/Salida Digitales

Permiten detectar la activación o desactivación de los actuadores conectados al módulo; cuentan básicamente con las mismas características y elementos de las entradas/salidas analógicas, diferenciándose en la disposición de los indicadores de estado, ya que posee LED’s que señalan los bits del módulo en funcionamiento.

La difusión de los datos depende de la configuración de los parámetros de intervalo entre paquetes solicitados y cambio de estado solo para el modulo de entrada digital.

El intervalo entre paquetes establece el tiempo para la difusión de los datos del modulo y su configuración, mientras que el

módulo la transferencia de

información solo en caso de producirse una transición de estado en alguno de los puntos de entrada.

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4.7.2.4 Fuentes de alimentación Una fuente de alimentación es un circuito que filtra, acondiciona y alimenta con voltajes apropiados para

los componentes del sistema y circuitos. Esta

alimenta con corriente directa (CD) a los componentes del sistema a través de backplane. Las fuentes de alimentación del ControlLogix se usan para suministrar voltaje de forma directa al backplane del chasis en voltajes de 1.2 V, 3.3 V, 5V y 24V de corriente directa (CD). Las fuentes de alimentación pueden ser estándar o redundantes. Las fuentes estándar se instalan siempre de lado izquierdo del chasis en la parte exterior. Las fuentes redundantes van separadas del chasis y se conectan a este por cables y un modulo adaptador que va en el extremo exterior izquierdo.

4.7.3 Introducción a RSlinx y red Ethernet. 4.7.3.1 Redes de comunicación. Las redes de comunicación forman parte fundamental de un sistema de control. Por ellas se programa y se configura una lógica de control; permiten distribuir un sistema de control geográficamente en un área, se pueden transferir datos de un equipo independiente a un sistema de control, permiten integrar un sistema de control a una red administrativa para proporcionar información gerencial. Existen varios tipos de redes para uso industrial y para uso comercial. Las redes industriales son redes más confiables algunas de tipo determinístico para el aseguramiento de la trasferencia de datos críticos entre sistemas. ControlLogix cuenta con módulos de comunicación para soportar las siguientes tipos de redes: •

Serial DF1.

•

Serial Modbus.

•

Ethernet.

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•

ControlNet.

•

DeviceNet.

•

Hart.

•

Fieldbus.

•

DH+

•

RIO.

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En una red es importante considerar los siguientes tres aspectos básicos: •

Construcción

•

Servicios

•

Protocolo

Construcción. La construcción se refiere a los materiales físicos que la red requiere: •

Tipo de Cable: Coaxial, par trenzado, Fibra óptica.

•

Conectorización: BNC, combicom, DB9, DB25, RJ45.

•

Terminadores de Red: 150Ω, 75Ω.

Servicios. Los servicios se refieren al tipo de información que puede transferir: •

Información: La red puede trasferir grandes cantidades de datos. Por lo general los datos van de un controlador a una computadora, usada como terminal de programación o como una estación e monitoreo del proceso.

•

Control: La red trasfiere una cantidad mediana a pequeña de datos. Los datos se trasmiten de un controlador a otro controlador o de un controlador a una estación de trabajo.

•

Dispositivo: La red trasfiere datos en cantidades pequeñas. Son datos que se trasmiten de un controlador a un dispositivo inteligente en campo.

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Protocolos. Se refieren a la forma en que esta integrado este paquete de datos que se envían por red. En general los protocolos pueden ser de dos tipos: •

Protocolo abierto: En una red de protocolo abierto cualquier fabricante tiene acceso a este y puede diseñar sus productos para que tengan una amplia conectividad con sus redes de datos, propias y de otras marcas. Las redes abiertas son:

•



Serial.



Ethernet.



ControlNet.



DeviceNet.



Hart



Fieldbus.

Protocolo propietario: En una red de protocolo propietario solamente es posible la comunicación entre dispositivos de un mismo fabricante. ControlLogix

tiene

módulos

para

integrar

sistemas

de

PLC’s

(Controladores Lógicos Programables) con redes de comunicación propietario: 

DH+



RIO

Gateway y Bridge Es común que una planta industrial cuente con más de un sistema de control y dispositivos de campo de varios fabricantes. Para integrar la información de todos los sistemas y dispositivos de campo se utilizan los Gateway y los Bridge (puentes). Un Gateway es un sistema de comunicación que permite la transferencia de información en diferentes redes.

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Un Bridge es un sistema de comunicación que permite la comunicación para diferentes redes.

4.7.3.2 RSlinx Classic. RSlinx classic es el software de comunicaciones encargado de establecer el enlace entre una computadora personal y un sistema de control ControlLogix, PLC 5, SLC 500, Micrologix 1000, 1500. La comunicación se puede hacer por una vasta variedad de puertos de comunicación de la computadora y a través de los diferentes módulos de los sistemas de control. En particular del sistema ControlLogix, los enlaces mas usados son: •

Serial DF1. El puerto de comunicación se localiza en el mismo controlador y es el único que el controlador dispone. En la computadora el puerto usado es el puerto serial COM 1. El protocolo de comunicación es DF1 que es muy usado para comunicaciones vía modem para enlaces remotos por radio.

•

Ethernet/IP. El puerto de comunicación lo proporciona una tarjeta Ethernet que debe instalase en la ranura de chasis del sistema ControlLogix.

Pasos a seguir para establecer comunicación entre RSlinx y controlador En esta sección se resumen las tareas principales que tendrá que llevar a cabo para utilizar el software RSLinx Classic. Paso 1 – Configurar un controlador Un controlador es la interfaz de software para el dispositivo de hardware que se utilizará para establecer la comunicación entre RSLinx y su procesador. Para configurar un controlador en RSLinx Classic, seleccione Comunicaciones > Configurar controladores. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Aparecerá el cuadro de diálogo Configurar controladores que permite agregar, editar o eliminar controladores. Seleccione el controlador que desea configurar de la lista Tipos de controlador disponibles, haga clic en Añadir nuevo y proporcione la información solicitada en el cuadro de diálogo de configuración del controlador que se visualiza. El cuadro de diálogo de configuración varía según el controlador seleccionado. Figura 55.

Figura 55. Una vez configurado, el nombre del controlador aparecerá en la lista Controladores configurados; muestra controladores. Paso 2 – Configurar un tema En RSLinx Classic, un proyecto es un lugar donde se almacenan uno o más temas y un tema representa una ruta específica a un procesador. Si agrupa diversos temas en un proyecto, conseguirá que haya múltiples temas disponibles al mismo tiempo. Los proyectos se crean y editan a través de la ventana Abrir proyecto de RSLinx Classic y los temas, a través de la ventana Configuración de temas

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DDE/OPC. Si intenta crear un tema y aún no ha creado un proyecto, se creará uno de forma predeterminada. Como se puede observar en la Figura 56.

Figura 56. Seleccione un tema de la Lista de temas y haga clic en la ficha Recolección de datos para ingresar datos de encuestas y paquetes. Muestra controladores activos. Si selecciona Configurar nuevo tema DDE/OPC haciendo clic con el botón derecho del mouse en una estación RSWho, el campo Nombre del tema aparecerá ya rellenado. RSLinx Classic comienza con el nombre del programa que se está ejecutando en el procesador y, si este tema ya existe, agrega un número al final hasta que encuentra uno que no exista. Si hay espacios, los convierte en (_). Puede cambiar el nombre del tema que RSLinx Classic seleccionó en su lugar. En la ficha Origen de datos, seleccione el dispositivo con el que desee establecer comunicación. Para agregar un tema nuevo en un proyecto que tiene al SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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menos un tema configurado, haga clic en Nuevo. Para editar un tema existente, seleccione el tema de la lista. Utilice la ficha Recolección de datos para incluir información más detallada sobre temas específicos.

4.7.3.3 Red Ethernet/IP

El cable y los conectores utilizados por las computadoras, impresoras y demás dispositivos periféricos; trabajan con una gama de protocolos de comunicación tales como IP (Protocolo Internet), TCP (Protocolo de Control de Transmisión) y muchos otros protocolos de envío de información por red. Estos tipos de protocolos van muy bien en el ambiente de oficina. Permiten que los usuarios compartan archivos, accedan a impresoras, envíen e-mails, naveguen por Internet y realicen todo tipo de comunicación normal en un ambiente de oficina. Sin embargo, las necesidades en las fábricas son mucho más exigentes y demandan la adecuación a algunos requerimientos especiales. A pie de fábrica, los controladores tienen que acceder a datos en los mismos sistemas operativos, estaciones de trabajo y dispositivos I/O. En una situación normal, los software dejan al usuario esperando mientras realizan su tarea. Pero en planta todo es distinto. Aquí el tiempo es crucial y ello requiere una comunicación en tiempo real. Parar una banda trasportadora o la operación de contar cajas, en su tiempo justo requiere un ajuste de tiempo sumamente preciso, comparativamente a lo que se exige para acceder a un archivo en un servidor remoto o sencillamente hojear un Web por Internet. Ethernet/IP es un protocolo de red en niveles para aplicaciones de automatización industrial. Basado en los protocolos estándar TCP/IP, utiliza los ya bastante conocidos hardware y software Ethernet para establecer un nivel de SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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protocolo para configurar, acceder y controlar dispositivos de automatización industrial. Ethernet/IP clasifica los nodos de acuerdo a los tipos de dispositivos preestablecidos, con sus actuaciones específicas. El protocolo de red Ethernet/IP está basado en el Protocolo de Control e Información (Control and Information Protocol - CIP) utilizado en DeviceNet ™ y ControlNet ™. Basados en esos protocolos, Ethernet/IP ofrece un sistema integrado completo, desde la planta industrial hasta la red central de la empresa. Tecnología Ethernet/IP Ethernet/IP utiliza todos los protocolos del Ethernet tradicional, incluso el Protocolo de Control de Transmisión (TCP), el Protocolo Internet (IP) y las tecnologías de acceso mediático y señalización disponibles en todas las tarjetas de interfaz de red (NICs) Ethernet. Al basarse en los estándares tecnológicos Ethernet, el Ethernet/IP blasona la garantía de un cabal funcionamiento con todos los dispositivos del estándar Ethernet/IP utilizados en la actualidad. Y lo mejor es que al apoyarse en los estándares de esa plataforma tecnológica, el Ethernet/IP, con toda la seguridad, evolucionará de manos dadas con la evolución de la tecnología Ethernet.

¿Dónde se emplea la Industrial Ethernet?

•

Grandes cantidades de datos: Intercambio de grandes cantidades de datos (en el entorno de Megabytes).

•

Grandes distancias: Posibilidad de grandes distancias entre dispositivos

•

Múltiples tipos de dispositivos: Comunicación entre aparatos de ingeniería, computadoras y dispositivos de control.

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•

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Múltiples tipos de comunicaciones: Permite una interconexión entre la cuarto de control y campo.

Panorámica •

Red que cumple con los estándares internacionales (IEEE 802.3) válida para todos los campos en la automatización de la producción.

•

Procedimiento de acceso CSMA/CD según IEEE 802.3 (Ethernet).

•

Velocidad de transmisión 10/100/1000 Mbit/s.

•

Diferentes medios de transmisión (eléctrico, óptico, inalámbrico)

•

Componentes para estructurar y segmentar la red (repetidores / concentradores de estrella)

•

Activos, puentes/switch, router).

Ventajas que Ofrece •

Amplia superficie de cobertura y alcanza grandes distancias, Mediante la combinación de las técnicas eléctrica y óptica.

•

Transferencia de datos segura; Aún en el caso de la existencia de perturbaciones electromagnéticas mediante componentes idóneos para la industria.

•

Ahorro de costes; Mediante una disminución de los costes de montaje y cableado.

•

Líder universal dentro de las redes industriales

•

Coexistencia entre protocolos/aplicaciones sobre Ethernet TCP/IP

Datos Técnicos •

Estándar Ethernet según IEEE 802.3/ISO 8802.3.

•

Modo de acceso CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detection)

•

Velocidad de transmisión. 10/100/1000 MBit/seg.

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•

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Medio de transmisión Eléctrico: Par trenzado; Óptico: Fibra óptica Inalámbrico

•

Distancia de red o

Eléctrica: máx. aprox. 1,5 Km.

o

Óptica: máx. aprox. 4,3 Km.

•

Topología Lineal, árbol, estrella, anillo redundante.

•

Aplicaciones Redes de célula y de gestión

Topologías de Red

Se puede usar cualquier topología (Figura 57): anillo, estrella, árbol, lineal. •

Típicamente el nivel de campo requiere una estructura lineal con ramas.

•

La red se puede ajustar a la máquina de manera óptima.

•

También se soporta estructuras de anillo redundante.

Figura 57. Topologías de red

Componentes del Bus: Medios de Transmisión.

Redes eléctricas: cable de par trenzado (TP). •

Cable de 4 hilos trenzados por pares.

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•

Especialmente seguro ante interferencias (doble apantallamiento).

•

Costes favorables en el cableado.

•

Estructuras en estrella y lineales.

IPN

Redes ópticas: Cable de fibra óptica (OF). •

Estructuras en línea, estrella o en anillo con elevados alcances.

•

No existe la posibilidad de interferencias debidas a perturbaciones.

•

Alta disponibilidad mediante arquitecturas redundantes (anillos).

Medio de Transmisión: Fibra Óptica

Red óptica •

Separación de potencial.

•

Inmune a interferencias electromagnéticas.

•

Grandes distancias:

•



Multimodo: 4,5 km



Monomodo: 42 km

Diseño de redes redundantes.

Cable Fibra Óptica •

Cables de fibra óptica de vidrio conforme a IEC 60793 / 60794.

•

Cables de fibra óptica de plástico.

•

Conector de bayoneta y de inserción-extracción.

Figura 58. Cable de fibra óptica SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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4.7.4 Introducción a Rslogix 500. El software Rslogix 500 es el programa para acceder a la memoria del controlador, este programa permite dar de alta tareas, programas y rutinas, configurar los módulos de entrada y salida, generar datos y desarrollar programas de control con algunos de los lenguajes de programación disponible, su ventana principal es la que se muestra en la figura 59.

Figura 59. Vista principal de Rslogix 500. Barra de menú Permite realizar diferentes funciones como recuperar o guardar programas, opciones de ayuda, etc. Es decir, las funciones elementales de cualquier software actual. La ubicación de las barras se observa en la figura 60. Barra de iconos Engloba las funciones de uso más repetido en el desarrollo de los programas. Barra de estado del procesador Nos permite visualizar y modificar el modo de trabajo del procesador (online, offline, program, remote), cargar y/o descargar programas (upload/download SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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program), así como visualizar el controlador utilizado (Ethernet drive en el caso actual). Los modos de trabajo más usuales son: •

Offline: Consiste en realizar el programa sobre un ordenador, sin necesidad alguna de acceder al PLC para posteriormente una vez acabado y verificado el programa descargarlo en el procesador. Este hecho dota al programador de gran independencia a la hora de realizar el trabajo.

•

Online: La programación se realiza directamente sobre la memoria del PLC, de manera que cualquier cambio que se realice sobre el programa afectará directamente al procesador, y con ello a la planta que controla. Este método es de gran utilidad para el programador experto y el personal de mantenimiento ya que permite realizar modificaciones en tiempo real y sin necesidad de parar la producción.

Figura 60. Barras de estado de Rslogix 500. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Árbol del proyecto Contiene todas las carpetas y archivos generados en el proyecto, estos se organizan en carpetas (Figura 61). Las más interesantes para el tipo de prácticas que se realizará son: Controller properties: Contiene las prestaciones del procesador que se está utilizando, las opciones de seguridad que se quieren establecer para el proyecto y las comunicaciones. Processor Status: Se accede al archivo de estado del procesador IO Configuration: Se podrán establecer y/o leer las tarjetas que conforman el sistema. Channel Configuration: Permite configurar los canales de comunicación del procesador.

Figura 61. Árbol de proyecto/ controler; RSlogix 500 Contiene las distintas rutinas escalera creadas para el proyecto (figura 62).

Figura 62. Rutinas Escalera. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Da acceso a los datos de programa que se van a utilizar así como a las referencias cruzadas (cross references). Podemos configurar y consultar salidas (output), entradas (input), variables binarias (binary), temporizadores (timer), contadores (counter). Panel de resultados Aparecen los errores de programación que surgen al verificar la corrección del programa realizado (situados en la barra de iconos). Efectuando doble clic sobre el error, automáticamente el cursor se situará sobre la ventana de programa Ladder en la posición donde se ha producido tal error. Barra de instrucciones Esta barra le permitirá, a través de pestañas y botones, acceder de forma rápida a las instrucciones más habituales del lenguaje Ladder. Presionando sobre cada instrucción, ésta se introducirá en el programa Ladder.

4.7.5 Edición de un programa e instrucciones a nivel BIT La rutina de un controlador se puede programas con cuatro tipos diferentes de lenguaje, diagramas de escalera; bloques de funciones, texto estructurado y cartas de función secuencial. Muchas instrucciones se pueden programar desde cualquier lenguaje pero también cada lenguaje tiene instrucciones únicas.

4.7.5.1 Lenguaje diagrama de escalera El lenguaje de programación escalera

(LADDER) permite representar

gráficamente el circuito de control de un proceso dado mediante el uso simbólico de contactos N.A. (normalmente abierto) y N.C. (normalmente cerrado), temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, relés, etc. Este tipo de lenguaje debe su nombre a su similitud con los diagramas eléctricos de escalera. El programa en lenguaje Escalera, es realizado y almacenado en la memoria del PLC (controlador lógico programable) (sólo en ciertos tipos de PLC´s que están preparados para ello). El PLC lee el programa escalera de forma secuencial (hace un scan o barrido), siguiendo el orden en que los renglones (escalones de la SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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escalera) fueron escritos, comenzando por el renglón superior y terminando con el inferior. En este tipo de programa cada símbolo representa una variable lógica cuyo estado puede ser verdadero o falso. Dispone de dos barras verticales que representan a la alimentación eléctrica del diagrama; la barra vertical izquierda corresponde a un conductor con tensión y la barra vertical derecha corresponde a la tierra o masa. En la Figura 63 se muestra la simbología más comúnmente usada en la elaboración de diagramas de escalera, según la normativa IEC-1131:

Figura 63. Simbología de un diagrama de escalera.

4.7.5.2 Instrucciones a nivel BIT Las diferentes instrucciones del lenguaje de escalera (Figura 65) se encuentran en la barra de instrucciones citada anteriormente (pantalla principal). Al presionar sobre alguno de los elementos de esta barra estos se introducirán directamente en la rama sobre la que nos encontremos. A continuación se hará una explicación de las instrucciones usadas para la resolución de las prácticas de este tema, iniciando con las propiedades del controlador (Figura 64):

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Figura 64. Propiedades del controlador.

Figura 65. Instrucciones del programa •

Añadir una nueva rama al programa

•

Crear una rama en paralelo a la que ya está creada

Contacto normalmente abierto (XIC - Examine If Closed) Examina si la variable binaria está activa (valor=1), y si lo está permite al paso de la señal al siguiente elemento de la rama. La variable binaria puede ser tanto una variable interna de memoria, una entrada binaria, una salida binaria, la variable de un temporizador. (Figura 66)

Figura 66. Simbologías de Contacto Normalmente abierto SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Contacto normalmente cerrado (XIO - Examine If Open) Examina si la variable binaria está inactiva (valor=0), y si lo está permite al paso de la señal al siguiente elemento de la rama. (Figura 67) En este ejemplo si la variable B3:0/0 es igual a 0 se activará la salida O: 0/0.

Figura 67. Simbología de Contacto Normalmente cerrado Activación de la variable (OTE - Output Energize) Si las condiciones previas de la rama son ciertas, se activa la variable. Si dejan de ser ciertas las condiciones o en una rama posterior se vuelve a utilizar la instrucción y la condición es falsa, la variable se desactiva. (Figura 68) Para ciertos casos es más seguro utilizar las dos instrucciones siguientes, que son instrucciones retentivas.

Figura 68. Simbología de Activación de la variable OTE Activación de la variable de manera retentiva (OTL - Output Latch) Si las condiciones previas de la rama son ciertas, se activa la variable y continúa activada aunque las condiciones dejen de ser ciertas. (Figura 69) Una vez establecida esta instrucción solo se desactivará la variable usando la instrucción complementaria que aparece a continuación.

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Figura 69. Simbología de Activación de la variable OTL Desactivación de la variable (OTU - Output Unlatch) Normalmente está instrucción se utiliza para anular el efecto de la anterior. Si las condiciones previas de la rama son ciertas, se desactiva la variable y continúa desactivada aunque las condiciones dejen de ser ciertas. (Figura 70)

Figura 70. Simbología de desactivación de la variable OTU

Flanco ascendente (ONS - One Shot) Esta instrucción combinada con el contacto normalmente abierto hace que se active la variable de salida únicamente cuando la variable del contacto haga la transición de 0 a 1 (flanco ascendente). De esta manera se puede simular el comportamiento de un pulsador mostrado en la figura 71

Figura 71. Simbología de Flanco ascendente ONS

4.7.6 Instrucciones tipo temporizador y contador Temporizador (TON - Timer On-Delay) La instrucción sirve para retardar una salida, empieza a contar intervalos de tiempo cuando las condiciones del renglón se hacen verdaderas. Siempre que SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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las condiciones del renglón permanezcan verdaderas, el temporizador incrementa su acumulador hasta llegar al valor preseleccionado. El acumulador se restablece (0) cuando las condiciones del renglón se hacen falsas. (Figura 72) Es decir, una vez el contacto (B3:0/0) se activa el temporizador empieza a contar el valor seleccionado (Preset=5) en la base de tiempo especificada (1.0 s.). La base de tiempo puede ser de 0.001 s., 0.01 s. y 1.00 s. Una vez el valor acumulado se iguala al preseleccionado se activa el bit llamado T4:0/DN (temporizador efectuado). Este lo podemos utilizar como condición en la rama siguiente. (Figura 73)

Figura 72. Simbología de temporizador TON

Figura 73. Representación de un contador (TON) en diagrama de escalera. Contador (CTU – Count Up) Se usa para incrementar un contador en cada transición de renglón de falso a verdadero. (Figura 74) Por ejemplo, esta instrucción cuenta todas las transiciones de 0 a 1 de la variable colocada en el contacto normalmente abierto. Cuando ese número se iguale al preseleccionado (6 en este caso) el bit C5:0/DN se activa. Este bit se puede usar posteriormente como condición en otro renglón del programa. (Figura 75)

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Figura 74. Simbología de un contador ascendente Resetear (RES - Reset) La instrucción RES restablece temporizadores, contadores y elementos de control.

Figura 75 Representación de instrucción RES en un diagrama de escalera En el ejemplo presentado a continuación una vez aplicado el reset, el contador se pone a cero y cuando la condición del renglón del contador vuelca a ser cierta, empezará a contar de cero. Mostrado en la figura 76.

Figura 76. Simbología de la instrucción reset

4.7.6.1 Temporizadores Esta es una herramienta utilizada para activar y desactivar una variable dentro del programa de acuerdo al tiempo que se haya especificado. Así es posible programar una salida, para que en un determinado tiempos encienda o se apague un dispositivo externo, por medio de un temporizador que solo existe a nivel lógico. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Los temporizadores de un PLC se pueden pensar como un cronómetro regresivo, en el cual se debe indicar el tiempo que durará el conteo, se debe dar inicio a dicho conteo, y cuando éste finalice o llegue a cero, da una señal que para el PLC será la activación o desactivación de una variable del programa. Existen varios tipos de temporizadores; los más comunes son: -

On Delay Timer (TON) o temporizador de retardo de conexión, y

-

Off Delay Timer (TOF) o temporizador de retardo de desconexión

Temporizador de retardo de conexión (TON) La operación Temporizador de retardo a la conexión (TON) cuenta el tiempo al estar activada (ON) la entrada de habilitación. Si el valor actual es mayor o igual al valor de preselección, se activa el bit de temporización (bit T). (Figura 77). El valor actual del temporizador de retardo a la conexión se borra cuando la entrada de habilitación está desactivada (OFF). El temporizador continúa contando tras haber alcanzado el valor de preselección y para de contar cuando alcanza el valor máximo de 32767.

Figura 77. Simbología de TON

Cada temporizador de retardo es de un elemento de 3 palabras. Palabra 1 es la palabra de control •

Bit 0-12: Uso Interno

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Bit 13: Done (DN), este bit se activa cuando el valor de acumulación> = valor de preselección

•

Bit 14: El tiempo del temporizador (TT), este bit se activa cuando el temporizador es el tiempo

•

Bit 15: Habilitado (EN), este bit se activa cuando el temporizador se activa.

Palabra 2 almacena el valor predeterminado. (PRE) •

El programador especifica este valor. Cuando el tiempo acumulado alcanza el valor predefinido el controlador establece el bit de efectuado. Cuando el valor acumulado sea igual o superior al valor de preselección, el bit de efectuado se establece. Por lo general, el valor predeterminado es de 0 - 32767

•

Si un valor de tiempo preestablecido, es negativo se producirá un error.

Palabra· 3 almacena el valor acumulado. (ACC) •

Este es el tiempo transcurrido desde la última puesta a cero del temporizador. Esto se reinicia continuamente

•

Base de tiempo: es el intervalo de actualización de tiempo, esto puede variar desde 0 hasta 1 segundo.

Temporizador de retardo de desconexión (TOF)

El Temporizador de retardo a la desconexión (TOF) se utiliza para retardar la puesta a 0 (OFF) de una salida durante un período determinado tras haberse desactivado (OFF) una entrada. Cuando la entrada de habilitación se activa (ON), el bit de temporización se activa (ON) inmediatamente y el valor actual se pone a 0. Cuando la entrada se desactiva (OFF), el temporizador cuenta hasta que el tiempo transcurrido alcanza el valor de preselección. Una vez alcanzado éste, el bit de temporización se desactiva (OFF) y el valor actual detiene el contaje.

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Si la entrada está desactivada (OFF) durante un tiempo inferior al valor de preselección, el bit de temporización permanece activado (ON). Para que la operación TOF comience a contar se debe producir un cambio de ON a OFF. Si un temporizador TOF se encuentra dentro de una sección SCR y ésta se encuentra desactivada, el valor actual se pone a 0, el bit de temporización se desactiva (OFF) y el valor actual no cuenta. Símbolo mostrado en la Figura 78.

Figura 78. Simbología de TOF

Cada dirección de temporizador está hecha de un elemento de 3 palabras. Palabra 1 es la palabra de control •

Bit 0-12: Uso Interno

•

Bit 13: DN-Hecho

•

Bit 14: TT - El tiempo del temporizador

•

Bit 15: ES - El temporizador está activado

Palabra 2 almacena el valor predeterminado. (PRE) •

Especifica el valor que el contador debe llegar antes de que el controlador establece el bit de efectuado. Cuando el valor acumulado sea igual o superior al valor de preselección.

•

Valor predeterminado es de 0 - 32767

•

Si un valor de tiempo preestablecido, es negativo se producirá un error.

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Palabra 3 almacena el valor acumulado. (ACC) •

Este es el tiempo transcurrido desde la última reset del temporizador.

Base de

tiempo: es el intervalo de actualización de tiempo, esto puede variar desde 0 hasta 1 segundo.

4.7.6.2 Contadores Un contador funciona de forma parecida a un temporizador, solo que en lugar de que la base de conteo sea el tiempo, en este caso es la activación de una entrada, una salida, o de una posición de memoria. Un ejemplo de aplicación de este sistema, es el de conteo de productos a ser empacados en una caja. Si un sensor se activa cada vez que un producto pasa frente a él, y en la caja caben solamente 30 de ellos, en el PLC puede programarse un contador que lleve la secuencia de la cantidad de veces que se activa dicho sensor, y cuando llegue a 30 emita una señal que comande el cambio de caja. Como en el caso de los temporizadores, hay también varios tipos de contadores: -

Contadores “Count up” (CTU), que cuentan 1,2,3,…

-

Contadores “Count down” (CTD), que cuentan 9,8,7,…

-

Contadores “Count up-down” (UCD), que cuentan 1,2,3,4,3,2,3,4,5,…

Un contador sencillo tipo CTU o CTD, requiere tres cosas para su funcionamiento: 1.

Una entrada por donde ingresan los pulsos que deseamos contar.

2.

La posibilidad de programar la cantidad de pulsos que deseamos

contar 3.

hasta que el contador reaccione.

Una entrada que al activarse, resetea el contador.

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Cuando la entrada del escalón pasa de FALSA a VERDADERA, el contador especificado le agrega uno a su acumulador. Cuando el valor del acumulado es mayor que ó igual al valor preestablecido, el contador fija el bit de Hecho (DONE). La instrucción CTD puede contar regresivamente al acumulador, o el contador puede restablecerse con la instrucción RES. Los parámetros para programar son los que se indican en el bloque de instrucciones mostradas en la Figura 79. •

Contador (Counter)

•

Preestablecido (Pres)

•

Acumulado (Accum)

Dirección del contador Parámetro hasta el cual hay que contar Valor inicial generalmente cero

Figura 79. Instrucciones contador.

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Capitulo 5. Diseño.

Cabe mencionar que el diseño de la banda es solo para dar una explicación de cómo es que funcionarían los sensores en el sistema propuesto para el proceso de manufactura; sensores con los que se demuestra la gran aplicación que tiene

la tecnología láser y que esta ayudara a mejorar el proceso de

separación

y ubicación de productos terminados dentro de dicho proceso así

como otro procesos.

Cabe también destacar que este tipo de sensores no se limitan a este único uso ya que pueden ayudar al control de tráfico por dimensiones y pesos de vehículos de carga y vehículos particulares, así como también en la separación de equipaje en los aeropuertos para mejorar dicha actividad, solo por mencionar algunas de las aplicaciones. El diseño de esta banda se explicara a continuación así como también las partes de que esta consta y su funcionamiento.

5.1 Banda transportadora

La banda transportadora para su fácil diseño y análisis se dividió en 4 partes A, B, C y D; en cada una de ellas se demuestran las variables a controlar ya sea que estas estén marcadas por pistones en la parte neumática, motores en la mecánica o sensores; ya sea de peso o de proximidad en la parte electrónica, en los diagramas se demuestran cada una de esas partes. Se debe hacer un pequeño paréntesis antes de pasar a la banda transportadora, esto con la finalidad de que el proceso se entienda un poco mejor,

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explicado mediante un diagrama de flujo del proceso de separación en la imagen siguiente:

Diagrama de flujo de proceso.

Figura 80. Diagrama de flujo del proceso SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Sección A de la banda transportadora (sensor de peso y posicionador)

Figura 81. Sensor de peso y posicionador

Esta parte es el comienzo de nuestro proceso en el cual se centra este sistema de separación y ubicación

de cajas donde llegan los productos

previamente empacados de un proceso anterior en la sección A del proceso se ve esquemáticamente montado un sensor de peso, el cual va a ser el primer filtro para la selección del producto, la condición es que si el peso del producto es el indicado, el proceso continua y cae en unos rodillos colocados con un ángulo de bajada de -27° en donde se coloca un dispositivo que se conocerá como centrador el cual acomodara las cajas para que estas vayan en la posición correcta (exactamente en medio de la banda) para que la caja pase a la siguiente banda, y si el peso no es el correcto el producto regresa por medio de un pistón que lo empuja hacia otra banda pasando por unos rodillos que también tienen un ángulo de inclinación de -27° para que pueda ser verificado cuando este regrese al proceso anterior todo esto mostrado en la figura 81. Esta parte de la banda exclusivamente en este diseño tiene 20 cm de ancho para darle espacio de pasar a la caja de mayor tamaño que es de 15 cm.

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Sección B de la banda transportadora (sensor de tamaño y sensor de proximidad).

Figura 82. Sensor de tamaño y de proximidad

Esta parte consta de la banda del sensor del pórtico láser, el mismo sensor del pórtico láser y un sensor mas de proximidad que indicara cuando el producto este cerca de la caída de

rodillos a lo que llamaremos primera y segunda

condición de separación respectivamente, en dicha caída también se montara un mecanismo capaz de dividir las cajas del producto según el tamaño que estas tengan esto se observa esquemáticamente en la figura 82; y este se activara por medio del pistón separador o pistón 2 mostrado en la siguiente parte (figura 83), el funcionamiento especifico del sensor así como sus especificaciones se mostrara en puntos posteriores. ºEsta parte de la banda también tiene un ancho de 20 cm hasta la parte en donde termina la banda del pórtico.

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Sección C de la banda transportadora (divisor).

Figura 83. Divisor.

En esta parte se muestra la caída por gravedad en el ángulo hecho por rodillos en el angulo de -45º en donde se dividen las cajas por tamaños y la activacion del piston que se hace para la division de cajas hacia cada banda para la parte final es condicionado por un controlador logico programable SLC 500 de Allen Bradley. Esta la parte del divisor mecanico se tiene un ancho a la entrada de 20 cm y al final de este se tiene un ancho de 25 cm ya que es donde se juntan las 2 siguientes bandas trasportadoras individuales de cada uno de los tamaños de cajas ya separadas.

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Sección D de la banda transportadora (contador y Paletizadora).

Figura 84. Paletizadora Esta parte es la parte final del proceso en donde se muestran las tarimas donde se colocaran 18 cajas acomodadas en 3 X 3 y 2 cajas estibadas máximo ya sea para su almacenamiento o para su transporte directo a tiendas. La Paletizadora depende en su funcionamiento de los sensores de presencia a base láser que se encuentran al final de las bandas de las cajas chica y grande, estos sensores funcionan como contadores que van a contar el paso de 3 cajas ya sean chicas o grandes para la activación de los pistones 3 y/o 4 respectivamente para acomodarlas en la parte posterior de la paletizadora, esta acción se repetirá una vez más para que cuando cuente nueve cajas se activaran los siguientes pistones, el pistón 5 y/o 6 como se muestra en la figura 84.

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Banda transportadora completa.

Figura 85. Banda transportadora completa

Todo el control completo de la banda se hará a base de un PLC, más específicamente el rslogix 5000 modular en donde colocaremos 15 variables a controlar o mejor dicho 16 salidas contando con 6 motores, 6 pistones y 3 sensores.

Condiciones de operación, de paro de la banda y de seguridad

•

Primera condición de paro si no pasa una caja en 30 segundos las bandas se detienen en secuencia de 10 segundos cada una, primero la banda del sensor de peso, pasados otros 10 segundos la siguiente seria la banda del sensor de pórtico y las ultimas serian las de las bandas de la caja chica y grande ya separada y la paletizadora ambas al mismo tiempo.

•

Botón de arranque inicia el proceso.

•

Botón de paro de emergencia por situación inesperada en la banda detiene todo el proceso.

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•

IPN

Si hay una persona a menos de 1 metro de distancia la banda se detiene por medio de un sensor laser de cortina basado en la interrupción del haz de luz.

5.2 Modulo láser

Procedimiento para la realización del modulo laser. 1.-

lo primero que se realiza para la construcción de lo que es un modulo

laser es conseguir un diodo laser de 635 nm de longitud de onda (λ) con potencia de salida de 200 mW en EGISMOS and EOREX company una empresa dedicada a la venta de diodos laser de cualquier tipo. Como el que se muestra en la figura 86.

Figura 86. Diodo laser utilizado en la elaboración de modulo laser. 2.- Después se diseño un driver sencillo y económico con componentes básicos de electrónica como los que se muestran en la figura 87.

Figura 87. Componentes electrónicos utilizados en la elaboración del driver de alimentación para el diodo laser.

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IPN

Estos elementos constan de 2 resistencias de 10 OHM un trimpot variable de 100 OHM, un diodo 1N4001 o también se puede utilizar un diodo zener a 1.5 volts, un capacitor de 10 mF a 16 V y el más importante un regulador de voltaje LM317 que tiene la función de regularnos el voltaje de salida a 3 volts de CD como se muestra en el diagrama electrónico de la figura 88.

5.2.1 Driver

Figura 88. Driver de alimentación

El driver que se diseño para la alimentación de nuestro diodo láser de 665 nm de longitud de onda necesita un voltaje de alimentación ideal de 7.2 volts, este está basado en un regulador LM317 y su funcionamiento básico es que nos regula nuestro voltaje de salida a 3 volts esto ya que nuestro diodo laser no soporta tanto voltaje directamente, posteriormente el arreglo de resistencias para tener una corriente variable la cual regulamos a 110 mA, un diodo 1N4001 para rectificar la corriente y un capacitor de 10 mF para filtrar la corriente y aumentar el wataje de salida esto nos da una potencia de salida del láser de diodos de aproximadamente 100 mW debido a que vamos a dividir el haz hacia varios caminos entonces necesitamos una relativa alta potencia de salida.

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3.- Armado del driver. En la figura 89 podemos observar la realización ya completa de lo que es el driver de alimentación para nuestro diodo con las características antes mencionadas.

Figura 89. Driver físico.

5.2.2 Gabinete. 4.- Se arma el gabinete con las siguientes especificaciones.

Material: Aluminio Largo:

6.25

cm Diámetro:

2.25

cm Diámetro Tornillos:

4 mm

Distancia entre tornillos:

1.5

cm

Figura 90. Dimensiones del gabinete

En la figura 90 se puede observar las dimensiones y especificaciones del gabinete

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IPN

para montaje del diodo laser y de el driver de alimentación

5.- Se consigue un interruptor para el energizado y desenergizado de modulo y un conector para la alimentación por medio de un eliminador de 7.2 V y corriente de 500 mA.

Algunos componentes del modulo laser.

Figura 91. Interruptor de apagado-encendido de modulo laser

Figura 92. Tapa posterior del modulo laser con conector para eliminador de 7 V de CD.

El gabinete estara hecho de aluminio como se muestra en la figura 93, el cual tendra una tapa con rosca con la finadlidad de que el lente 2 varie en la distancia focal para que la salida del diametro del haz sea ajustable alojara el diodo láser que es la parte mas sensible, el driver de alimentacion y el colimador que se explicara a continuacion.

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IPN

Figura 93. Gabinete patra modulo laser.

5.- se consiguen materiales para la elaboracion del colimador materiales que se observan en la figura 94 los cuales constan de un cilindro de plastico de 2 cm de diametro el cual se va a rebajar, perforar y dar cuerda para que tenga la forma que se observa en la figura 95. Tambien constara de 2 o 3 lentes de diferentes tipos dependiendo el diseño de la colimacion, e este trabajo se realizo por medio de 3 lentes, uno biconvexo con la fincion de hacer que el haz pasara de divergente a paralelo, otro convergente para que el haz se juntara en un solo punto y un ultimo divergente con la finalidad de que el haz de luz se hiciera ajustable por medio de un resorte que varia la distancia focal de este ultimo lente.

Figura 94. Accesorios para colimacion

6.- por medio de lentes y barras de plastico se elabora el colimador y fisicamente ya armado se ve como en la figura 94.

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IPN

Figura 95. Pieza de montaje de los lentes para colimacion.

Una vez montados los lentes y el resorte se puede observar que el colimador terminado se ve como en la figura 96.

Figura 96. Modulo colimador 7.- Una ves realizado el driver el colimador y el gabinete se procedio a realizar un dispositivo para montaje del diodo y que a la vez nos sirviera como disipador de calor, ya que en este tipo de laser es recomendable manejar temperaturas no mayores a los 80° C. el dispositivo disipador se muestra en la figura 97.

Figura 97. Disipador de calor y montaje en modulo

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IPN

8.- En la figura 98 se puede observar un esquema de cómo es que se realizo el arreglo de espejos para la colimacion, asi como la forma en que se realiza la union de lo que es el diodo laser con el driver y a la vez con el arreglo de lentes.

Figura 98. Estructura interna (arreglo de lentes para colimación).

En la parte final de lo que es el colimador la lente 1 es una lente convergente plano convexa con la idea que de que el haz converja en un punto, y la lente 2 que es una lente divergente plano cóncava para que el haz de luz se colime en su totalidad, el diámetro del has dependerá de la distancia focal en donde este ultimo lente se coloque. Cabe destacar que los arreglos opticos son complicados ya que se tiene que encontrar la distancia focal exacta para que la colimacion no tenga demasiadas perdidas en potencia, si el driver esta bien hecho y la etapa de colimacion no, de nada nos sirve que la potencia de salida antes de la colimacion sea perfecta si la esta le quita la mitad de la potencia, es por eso que las lentes necesitan poder ser ajustables por medio de tornillos micrometricos.

9.- Ya que se realizaron todos los pasos anteriormente mencionados se procedio a armar el modulo completo como el que se observa en la figura 99.

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IPN

Figura 99. Modulo laser terminado.

5.3 Diseño de portico láser .

Figura 100. Dimensiones de sensor de pórtico El sensor de pórtico tiene las dimensiones mostradas en la Figura 100 en este diagrama se puede observar que el láser está colocado en la parte superior derecha el cual incide el haz de luz en un ángulo de 197º hacia el primer sensor que a su vez cuenta con un espejo que tendrá la función de sensar y mandar el haz de luz hacia otro sensor para la detección de caja grande y chica, la configuración de este pórtico son para dos tamaños de cajas y mide cada 6 cm pero estos ángulos, sensores y espejos puede variar dependiendo si se quiere

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IPN

medir cada 2 cm o cada 1 cm por decir algunos pero pueden ser bastante variadas estas configuraciones.

Figura 101. Calculo de ángulo de reflexión del haz de luz láser Dado que la distancia entre las columnas verticales es de 20 cm y la distancia del punto de emisión al punto de recepción es de 6 cm se calcula por funciones trigonométricas que el ángulo de incidencia del haz con respecto al eje X es de 17°, ángulo que reflejado nos dará un ángulo exactamente igual respecto al eje X solo que negativo estos cálculos demuestran que para cada 6 cm de medición a una distancia entre las columnas verticales de 20 cm se necesita colocar el láser en un ángulo de 17º, como se muestra en la Figura 101.

5.4 sensor de peso Parte posterior del sensor de peso

Figura 102. Sensor de peso vista posterior

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IPN

El sensor de peso consta de una placa metálica móvil la cual tiene dimensiones de 20 cm que es el ancho de la banda donde este se colocara, 10 cm de largo y 1 cm de grueso, esta placa estará soportada por resortes los cuales harán que esta placa sea móvil y se desplace de arriba abajo cada que una caja pase sobre ella. Por medio de fibra óptica se emitirá un haz de luz láser el cual incidirá en un espejo flexible este espejo variara el ángulo de incidencia del haz de luz cada vez que cambie la presión sobre la placa del sensor e incidirá más o menos dependiendo dicho ángulo en el fotodiodo que se encuentra en la parte inferior, dimensiones que se muestran en la Figura 102. Parte lateral sensor de peso

Figura 103. Sensor de peso vista lateral

Este sensor está basado en la reflexión de un haz de luz láser y consta de una plataforma que sensa los cambios en la presión del paso de algún objeto sobre SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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“La técnica al servicio de la patria”

IPN

ella como ya se menciono anteriormente por medio de resortes y un espejo flexible para cambiar el ángulo de reflexión y así cambiar de intensidad que recibe el receptor (fotodiodo), (Figura 103)

5.5 Paletizadora

Figura 104. Paletizadora La paletizadora para la caja chica tiene unas dimensiones de 27 cm x 36 cm y las dimensiones de la paletizadora grande son de 45 cm x 54 cm, ya que las cajas tienen un tamaño de 12 cm x 9 cm x 6 cm (caja chica) y 18 cm x 15 cm x 12 cm (caja grande) respectivamente esto con la finalidad de que quepan en la tarima en paquetes de 9 cajas acomodadas de 3 x 3, para su posterior estiba a 18 cajas,

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“La técnica al servicio de la patria”

IPN

ambas paletizadoras contaran con un motor compartido que les dará movimiento a unos rodillos por los cuales avanzaran las cajas el final de estas, y cuando el sensor contador cuente 3 cajas se realizara la activación del pistón 3 para la caja grande y la activación del pistón grande para la caja chica, cuando el sensor cuente 9 cajas se activara el pistón 5 para la caja grande y el pistón 6 para realizar la acción de estibar las siguientes 9 cajas. En la figura 104 se muestra esquemáticamente como se vera esta paletizadora. Para ambas paletizadoras el funcionamiento es el mismo lo único que cambia son las dimensiones.

Representación en 3ds Max

Figura 105. Representación en 3ds Max

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IPN

Actuadores

Figura 106. Actuadores (Motorreductores y pistones)

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“La técnica al servicio de la patria”

IPN

Capitulo 6 Costos. 6.1 Análisis de costo de materiales. Análisis costo sensor de peso Cantidad

1

1 4 4 1 1 X

fecha: noviembre de 2011

Descripción

Precio unitario USD

Precio (subtotal)

$ 14.98

$ 14.98

$ 4.32

$ 4.32

$ 1.22

$ 4.88

$ 0.50

$ 2.00

$ 0.50

$ 0.50

$ 18.92

$ 18.92

$ 12.45

$ 12.45 $ 58.05

Estructura de acero inoxidable de 5 mm de grueso X 10 cm de ancho X 20 cm de largo Lamina metálica flexible de acero 316 pulido de medidas de 11 cm x 5 cm Resortes 2 cm de longitud de acero inoxidable 316 Varilla de acero inoxidable de 1.27 cm de diámetro 4 cm de largo Fotodiodo de silicio para 635 nm Modulo láser rojo 635 nm con potencia de salida de 200 mW accesorios Total

Tabla 1. Costos sensor de peso.

Análisis costo sensor de pórtico fecha: noviembre de 2011 Cantidad

1 1 2 1 X

Descripción

Precio unitario USD

Precio (subtotal)

$ 22.42

$ 22.42

$ 18.92

$18.92

$ 0.50

$ 1.00

$ 1.00

$ 1.00

$ 8.46

$ 8.46 $ 51.80

Estructura de acero inoxidable 316 (pórtico) Modulo láser 635 nm 200 mW de potencia Fotodiodo de silicio para 635 nm Lamina de acero inoxidable 316 pulida de 1 cm2 Accesorios Total

Tabla 2. Costos sensor de pórtico.

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“La técnica al servicio de la patria” Análisis costo Banda transportadora Cantidad

1 1 3 9 3 5 2 X

IPN

fecha: noviembre de 2011

Descripción

Precio unitario USD

Precio (subtotal)

$ 34.54

$ 34.54

$ 68.50

$ 68.50

$ 253.00

$ 759.00

$ 6.24

$ 56.16

Varios

$ 84.00

Varios

$ 26.89

Varios

$ 73.60

Varios

$ 43.00 $1,145.69

Pistón de doble efecto de 5 cm de carrera Pistón de simple efecto de 20 cm de carrera Motorreductores de CA MR10 4” Rodillos de acero de 20 cm de largo Banda de hule de 20 cm de ancho Rodillos de acero de varios largos válvula de 3 vías, n.c., 12 V CD, a 100 psi Accesorios Total

Tabla 3. Costo banda transportadora. Análisis de costo de PLC fecha: noviembre de 2011 Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Descripción SLC500 procesador de estilo de hardware fijo, 24 in, 16 out Tarjeta de comunicación PCMCIA PLC-5/SLC500 INCL. 1784-PCM5 con Cable Cable para modulo digital de entradas y salidas - 5 mts. Módulo de interfaz digital 20 pt fusible 5 x 20 SLC500 RACK de 10 Ranuras SLC500 bastidor de ampliación de 2 ranuras SLC500 cable de montaje de 36 pulgadas rack SLC500 fuente de alimentación SLC500 módulo de entradas de 32 puntos DE 24 V CC SLC500 módulo de salida de 16 puntos, 85 a 265 V AC SLC500 batería de litio 3.0V 1000mAh

Precio unitario USD

Precio (subtotal)

$1,453.23

$1,453.23

$1,250.00

$1,250.00

$77.00

$77.00

$128.56

$128.56

$403.23

$403.23

$220.98

$220.98

$128.65

$128.65

$225.00

$225.00

$344.76

$344.76

$275.62

$275.62

$66.92

$66.92

Total

$ 4,573.95

Tabla 4. Costos Controlador Lógico Programable. SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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“La técnica al servicio de la patria” Análisis de costos de Paletizadora Cantidad 1 6 1 1 1 X Cantidad 9 1 1 1 X

IPN

fecha: noviembre de 2011

Descripción Motorreductores de CA MR10 4” Para ambas paletizadoras Rodillos de acero inoxidable de 27 cm de longitud Pistón de doble efecto de 18 cm de carrera Pistón de doble efecto de 5 cm de carrera Sensor de paso laser (contador) Accesorios Descripción Rodillos de acero inoxidable de 45 cm de largo Pistón de 30 cm de carrera Pistón de 5 cm de carrera Sensor de paso laser (contador) Accesorios

Precio unitario USD

Precio (subtotal)

$ 253.00

$ 253.00

$ 6.72

$ 40.32

$ 59.50

$ 59.50

$ 34.54

$ 34.54

$17.00 $ 28.00 Total 1 Precio unitario USD

$17.00 $ 28.00 $432.36 Precio (subtotal)

$8.94

$ 80.46

$ 84.30 $ 34.54 $17.00 $ 28.00 Total 2

$ 84.30 $ 34.54 $17.00 $ 28.00 $244.30

Tabla 5. Costos paletizadoras.

Costo total en materiales fecha: noviembre de 2011

Descripción

Precio USD

sensor de peso Sensor de pórtico Banda transportadora PLC SLC 500 AB Paletizadora Suma total

$ 58.05 $ 51.80 $1,145.69 $ 4,573.95 $ 676.66 $6,506.15

Tabla 6. Costo total del material.

Para el análisis hora hombre, se muestra en la tabla 7 los puestos de la cuadrilla especializada para realizar este trabajo.

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“La técnica al servicio de la patria”

IPN

6.2 Análisis de costos hora-hombre. Análisis de tiempos y actividades Puesto

Actividad

Ingeniero mecánico

Armado de la banda transportadora Apoyo en el armado de la banda transportadora supervisión Manejo de recursos Armado de sensor de peso y sensor de pórtico laser Apoyo en la elaboración de sensores laser Realización del programa en el PLC según las condiciones dadas. Diseño de banda y sensores según medidas de requeridas de la empresa

Técnico Supervisor Administrador Ingeniero en comunicaciones y electrónica Especialista en láseres Ingeniero en computación

Diseñador

1er día

Tiempo en horas 2° día 3er día 4° día

5° día

8

8

8

8

S/A

8

8

8

8

8

8 6

8 6

8 6

8 6

8 6

8

8

S/A

8

8

8

8

S/A

8

8

S/A

S/A

8

8

8

8

8

8

8

S/A

Tabla 7. Tiempos y actividades S/A: sin actividad Análisis de costos hora hombre (HM) Puesto Ingeniero mecánico Supervisor Especialista en láseres Administrador Técnico Ingeniero en comunicaciones y electrónica Ingeniero en computación Diseñador

fecha: Año 2011

Salario quincenal USD

Salario por hora USD

Horas trabajadas

Total USD

$ 1,338.77

$11.16

32

$357.01

$ 1,487.52

$12.40

40

$495.84

$ 1,700.00

$14.17

32

$453.33

$1,375.96 $ 595.01

$11.47 $4.96

30 40

$343.99 $198.34

$ 1,487.52

$12.40

32

$396.67

$ 1,338.77

$11.16

24

$267.75

$ 1,620.23

$13.50

32 total

$432.06 $2,944.99

Tabla 8. Análisis Hora-Hombre SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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IPN

6.3 Costo total del proyecto Costo de materiales + costo de mano de obra = $6,506.15 + $2,944.99 = $ 9,451.14

Ventajas del proyecto en un periodo de 5 años •

Personal sueldo de dos personas que hacen la separación de pedidos en una pequeña empresa $30,000.00 USD en 5 años

•

Sensor digital de peso por medio de un sensor piezoeléctrico, tiempo de vida útil 5 años precio $100.00 USD en temperaturas de -20 a 70 ºC

•

CMM máquina para medir por coordenadas desde cientos a miles de dólares $ USD

•

Sensores de peso y pórtico laser tiempo de vida útil 50,000 horas 5.7 años en uso continuo y aumento del doble tiempo de vida al reducir en 10 ºC la temperatura de operación del laser por medio de disipadores de calor, la temperatura de operación de este modulo es de -10ºC a 50ºC costo $58.05 y $ 51.80 respectivamente.

6.4 Planes de financiamiento Para el pago de este servicio se puede hacer por diversos medios, nosotros recomendamos un préstamo bancario si es que no se cuenta con los recursos dentro de la misma empresa o en dado caso acudir a la incubadora de empresas del instituto politécnico nacional.

Si es que se tuvieran algunas dudas aquí se tienen varias preguntas frecuentes resueltas dentro de lo que es la incubadora de empresas del IPN (ciebt).centro de incubación de empresas de base tecnológica 1. ¿Es necesario pertenecer a la comunidad politécnica para ingresar un proyecto? No de ninguna manera, para el Politécnico es bienvenida cualquier persona sin importar edad, sexo, estado civil y ocupación. Estamos abiertos a la comunidad de nuestra institución y al público en general. 2. ¿Qué tipos de proyectos puedo ingresar a la incubadora del IPN? Puedes ingresar tres tipos de proyectos: SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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IPN

• • •

Negocios Tradicionales Negocios de Tecnología Intermedia Negocios de Alta Tecnología 3. ¿Cómo puedo diferencia a cada uno de estos? • Negocios Tradicionales: Es aquel que se desempeña en sectores tales como comercio, servicios, industrias ligeras entre otros; lo único que te pedimos es que tu producto o servicio tenga un valor agregado. • Negocios de Tecnología Intermedia: Es aquel cuyos requerimientos de equipamiento e infraestructura física y tecnológica, así como sus mecanismos de operación son especializados e involucran procesos y procedimientos desarrollados que incorporan elementos de innovación. • Negocios de Alta Tecnología Son aquellos que se desarrollan en segmentos altamente especializados o avanzados entre los que se encuentran: Tecnologías de la Información (TIC´s), Biotecnología, Nanotecnología, Robótica, etc.

4. ¿En cuánto tiempo puedo incubar mi proyecto? En un tiempo estimado de 6 meses a un año, aunque es bueno decirte que el tiempo tu lo defines, mucho dependerá del dinamismo que apliques en tu proyecto. 5. ¿Cómo se realiza el proceso de incubación? Por medio de asesorías personalizadas a cada emprendedor. 6. ¿Tiene algún costo las asesorías? Sí, estas tienen un costo pero es accesible, y además el emprendedor paga cuando el proyecto se convierte en empresa y obtiene utilidades, antes no. 7. ¿Qué beneficios tendría mi proyecto si lo incubo en el IPN? El respaldo de una institución seria y consolidada. 8. ¿Ustedes me prestan dinero para financiar mi proyecto? No, ninguna incubadora te presta fondos, las incubadoras solo son fuentes de acercamiento a fuentes de financiamiento. 9. ¿Cuándo el proyecto se convierte en empresa, tengo que otorgar algún porcentaje de acciones de la empresa al IPN? No, de ninguna manera, es por eso que tú pagas tus servicios de consultoría. Nadie te puede obligar a otorgar un espacio de acción en tu negocio al menos que tú hagas una negociación directa con algún tercero.

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10. ¿Quién me informa sobre los derechos y obligaciones que tendría como incubado con el IPN? Esto lo hacemos de manera formal por medio de un convenio.

También cabe mencionar que hay cierto proceso y requisitos que se tienen que cumplir para poder ser ayudado por esta incubadora de empresas los cuales se describen a continuación. INFORMACIÓN DEL PROCESO DE LA INCUBACIÓN DEL CIEBT-IPN 1.- Contar con un proyecto de las siguientes características: • Innovador • Base tecnológica • Prototipo 2.- Con la finalidad de saber más acerca de su proyecto deberán entregarse los siguientes requisitos impresos y grabados en C.D. (antes del Primer Comité) 1. Resumen 2. Cédula de Ingreso IPN (se le entrega en la incubadora con las siguientes personas Antonio Mendoza Narváez y Gerardo López Santana, Currículum de las personas que integran el proyecto. 3. Copia de CURP y de la credencial del IFE 4. Carta de intención (se le entrega en la incubadora con las personas antes mencionadas). 5. Copia de RFC como persona física y/o en el caso de estar constituidos, Acta constitutiva de la empresa y RFC de la empresa. (Solo en el caso de ya contar con alguno de ellos). 6. Entrega de presentación en Power Point de acuerdo a los puntos solicitados (está presentación podrá ser entregada con dos semanas de anticipación a la fecha marcada para el comité interno). 3.- Después de haber entregado los requisitos y contar con su número de folio, el proyecto será evaluado por dos comités uno Interno y otro Externo, (sujeto a cambios), si su proyecto fuera aprobado por este comité, pasará a la siguiente etapa que es la evaluación de Comité Externo. 4.- Para poder presentarse ante el Comité Interno es imprescindible elaborar una presentación en Power Point con base en las pautas establecidas por el departamento de Administración (hoja de instrucciones y ejemplo), dicha presentación deberá ser entregada a la brevedad. Requisitos para el primer comité Requisitos: • • •

Traer la presentación del proyecto en CD o en unidad USB. En caso de contar con prototipo o muestras traerlas En el caso de proyectos de consumo traer degustaciones para 25 personas.

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• •

IPN

Ser puntual, llegar 20 minutos antes de la cita programada. (en caso de haber contratiempos se le avisará si puede asistir antes de su hora programada). Después de la primera evaluación nos comunicaremos con usted para que acuda a recoger sus resultados.

Para el segundo comité Requisitos: •

• • • • •

Una vez que fue aprobado por el comité Interno se le avisará que pase al área de Mercadotecnia del CIEBT-IPN, en donde le informarán acerca de la presentación que tendrá que preparar para el Comité Externo (No salirse de los puntos ya recomendados por esa área). Traer la presentación del proyecto en CD o en unidad USB. En caso de contar con prototipo o muestras traerlas En el caso de proyectos de consumo traer degustaciones para 25 personas. Ser puntual, llegar 20 minutos antes de la cita programada. (en caso de haber contratiempos se le avisará si puede asistir antes de su hora programada). Después de la segunda evaluación nos comunicaremos con usted para que acuda a recoger sus resultados.

5.- Si su Proyecto fuera seleccionado por el Comité Externo, pasará al Proceso de Incubación del CIEBT en donde recibirá asesoría en las siguientes áreas (tiempo estimado de 6 a 12 meses) • • • • • • •

Mercadotecnia Procesos Productivos Administración. Diseño Grafico Diseño Industrial Finanzas Legal

6.-Hasta este momento el proyecto estará listo para poder participar con alguna Institución Crediticia, el CIEBT-IPN le podrá apoyar con asesoramiento para el llenado de formatos y requisitos para la(s) convocatoria(s), publicadas por diferentes instituciones, la selección a dicho tramite dependerá de la decisión de aquellas instituciones no del CIEBT-IPN. 7.- La siguiente Etapa es la de Acompañamiento en donde permanecerá por 12 meses. Una vez que el proyecto se encuentre generando ingresos, este se gradúa, en ese momento ya está conformada como empresa. Los financiamientos en montos dependerán del tipo de proyecto que se realice, los tiempos en que se realice SISTEMA AUTOMÁTICO PARA SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE PRODUCTOS TERMINADOS DENTRO DE UN PROCESO DE MANUFACTURA UTILIZANDO TECNOLOGÍA LÁSER.

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Capitulo 7 ANEXOS.

7.1

Hoja de datos de seguridad en láseres (HDSL)

Propósito Proveer seguridad en el uso de láseres tanto en docencia como en investigación identificando riesgos, requisitos y recomendaciones para su uso adecuado. Destinatarios Los requisitos y recomendaciones están dirigidos a todos los láseres usados en la Facultad. Definiciones 1. Prácticas de Seguridad en Láseres: Son las Prácticas de Seguridad en Láseres escritas usadas para asegurar el uso seguro de un láser o sistemas de láseres en un laboratorio. Las prácticas deben incluir todos los procedimientos o controles técnico – mecánicos necesarios para minimizar la potencial exposición a un láser, tales como accesos limitados, barreras, bloqueadores de haz, etc. 2. Técnicas de Alineación: Un método para colocar sistemas ópticos (espejos, lentes, deflectores de haz, etc.) en un experimento de manera tal que se minimice la posibilidad de una exposición accidental de los ojos o la piel. 3. Respuesta a una Molestia: Movimiento del párpado o de la cabeza para evitar una exposición a una luz brillante que puede ocurrir en menos de 0.25 segundos, incluyendo el reflejo de parpadeo. 4. Área controlada: Un área donde la ocupación y actividad de personas está sujeta al control y supervisión con el objeto de proteger de la radiación. 5. Reflexión Difusa: Cambio en la distribución espacial de un haz cuando es reflejado en muchas direcciones distintas por una superficie o un medio. 6. Controles Técnico – Mecánicos: Mecanismos usados para limitar el acceso a un área controlada o al haz del láser o para advertir a los individuos de los riesgo potenciales (ej. Barreras, señales de advertencia, etc.)

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7. Respuesta automática ante fallas: Un sistema que automáticamente detecta una falla en un mecanismo eléctrico o mecánico y lleva al sistema a un modo seguro (por ejemplo apagarse). 8. Visión Intra-haz: La condición de visión en la que el ojo es expuesto total o parcialmente al haz del láser. 9. Irradiancia: Porción del flujo irradiado que incide en un elemento de la superficie sobre la cual se mide la irradiancia, por el área de ese elemento. 10. Director del Laboratorio: Un investigador responsable, docente o miembro del grupo que define los objetivos de docencia o investigación d e las actividades del laboratorio. 11. Operador del Láser: El individuo que provee, mantiene y/o trabaja con láseres en forma usual. El operador del láser debe cumplir con el entrenamiento y el control médico antes de estar calificado para usar un láser. 12. Usuario del Láser: Un individuo autorizado por el Director del Laboratorio para usar el láser durante un periodo corto. El usuario del Láser debe ser supervisado por el operador del Láser. 13. Equipo de Protección Personal: Equipo usado para proteger al individuo de los riesgos presentes en el laboratorio, ej. Uso de anteojos de protección. 14. Reflexión Especular: El tipo de reflexión de un espejo. 15. Procedimientos de Operación Estándar: Los procedimientos que describen la operación correcta y mantenimiento de un láser. Responsabilidades 1. Director del Laboratorio: Es responsable de proveer de EPP y de asegurar que se instalen los equipos de seguridad del láser según lo requieran los procedimientos. El Director del Laboratorio determinará si una persona es apta como Operador del Láser. 2. Operador del Láser: Es responsable de la operación segura y de la supervisión inmediata del láser usado en el laboratorio. Es responsable de seguir las prácticas de seguridad, alineación y los procedimientos estándar de operación mientras que opera el láser. 3. Usuario del Láser: Es responsable de cumplir con las prácticas de seguridad del laboratorio y con los procedimientos estándar de alineación y operación.

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4. Comité de Seguridad: Responsable de la supervisión general del uso de fuentes de radiación ionizante y no-ionizante, incluyendo láseres.

Riesgos 1. Exposición de los Ojos: La exposición aguda del ojo a láseres de cierta longitud de onda puede causar quemaduras de cornea y/o retina. La exposición crónica a niveles excesivos puede causar opacidad de la cornea o del cristalino (cataratas) o daños en la retina. 2. Exposición de la Piel: La exposición aguda de la piel a altos noveles de radiación óptica puede causar quemaduras de pie; pueden ocurrir efectos cancerígenos para longitudes de onda en el rango ultravioleta (200-280 nm). 3. Exposición Química: Algunos láseres requieren substancias riesgosas o tóxicas para operar (por ejemplo láseres de colorantes o de exímeros). 4. Descarga Eléctrica: Muchos láseres operan con voltajes muy altos que pueden ser letales. 5. Riesgos de Fuego: Los solventes usados en los láseres de colorantes son inflamables. Los pulsos de alto voltaje o descargas de lámparas pueden causar ignición. Los materiales inflamables pueden encenderse tanto por la incidencia directa del haz o por reflexiones especulares de láseres infrarrojos continuos de alta potencia. Clasificación de un Láser Todos los fabricantes tienen la obligación de colocar un rótulo permanente en el láser que indique su clase, máxima potencia de salida, duración del pulso (si es pulsado), y la longitud de onda media o emitida. Un láser construido en el laboratorio debe estar adecuadamente rotulado y clasificado por el Operadores del Láser. El operador se deberá adecuar a la norma ANSI Z136.1, referencia 12.2. Descripción de la Clasificación de Láseres Láseres Clase 1 son láseres o sistemas de láseres que bajo condiciones normales de operación no producen riesgo (Potencia de salida menor a 1 µW). Láseres Clase 2a son láseres de baja potencia en el espectro visible o sistemas de láseres que no son usados para usos prolongados y que bajo condiciones de

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operación normales no producen riesgo en periodos de visión directa que no excedan los 1000 segundos (Potencia de salida entre 1 µW y 1 mW). Láseres Clase 2 son láseres de baja potencia en el espectro visible o sistemas de láseres que por la Respuesta a una Molestia (< 0.25 seg) no presentan normalmente riesgos, pero pueden representar peligro si son mirados por periodos prolongados. (Potencia de salida entre 1 µW y 1 mW). Láseres Clase 3a son láseres o sistemas de láseres que normalmente no producen riesgo si son mirados por periodos momentáneos (< 0.25 seg) con el ojo descubierto. Puede presentar riesgo si son mirados con óptica colectora (Potencia de salida entre 1 mW y 5 mW). Láseres Clase 3b son láseres o sistemas de láseres que pueden producir riesgo si son mitrados en cualquier lapso de tiempo. Esto incluye la visión de reflexiones especulares dentro del haz. Excepto por los láseres clase 3b de alta potencia esta clase de láseres no produce una reflexión difusa riesgosa (Potencia de salida entre 5 mW y 500 mW). Láseres Clase 4 son láseres o sistemas de láseres que pueden producir riesgo no solamente por reflexiones directas o especulares, sino por reflexiones difusas. Estos láseres pueden producir riesgos en piel y peligro de fuego (Potencia de salida > 500 mW). Instrucción y Entrenamiento 1 Los individuos que operan láseres de clase 1, 2, y 3a deben ser advertidos de no colocarse directamente en el haz del láser y de las descargas eléctricas si se retira la tapa de protección del equipo. 2 Los operadores de láseres de clase 3b deben haber leído las instrucciones de operación del láser especialmente en la sección sobre seguridad del láser y asistido al curso de seguridad de láseres brindado por el SHyS. 3 Si se opera un láser de clase 4, tanto el operador como el director del laboratorio deben haber sido instruidos sobre: • Prácticas de seguridad en el laboratorio. • Los procedimientos de seguridad para el láser que van a operar • El proceso de alineación.

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Revisión Médica 1 Los operadores de láseres de clase 3b y 4 deben realizarse un examen inicial para determinar su visión inicial antes de usar el láser. 2 Se requiere un examen ocular en el caso de que ocurra una exposición o una supuesta exposición Requisitos de Seguridad para uso de Láseres y Recomendaciones Todos los usuarios de Láseres: Las siguientes recomendaciones y requisitos se aplican a todas las clases de láseres. Equipo de Protección Personal: 1. No se requieren anteojos de seguridad para los láseres clase 1 y tampoco se necesitan normalmente para los de clase 2a y 2 dado que la respuesta natural a una molestia hará que el individuo deje de mirar el haz. Los láseres de clase 3ª no requieren normalmente del uso de anteojos salvo que se use óptica colectora en el dispositivo. Normalmente se requieren anteojos de seguridad cuando se trabaja con láseres clase 3b 4. El operador debe documentar las prácticas de seguridad específicas por escrito estableciendo si se deben usar anteojos de seguridad para minimizar el riesgo de lastimaduras. Estas prácticas incluirán el confinamiento total o parcial del haz, cambiando el haz de salida del láser a no de una clase menor, asegurando que ningún haz directo sale del láser. Las prácticas deben especificar cuando se deberán usar anteojos de seguridad (por ejemplo cuando se retiran las protecciones o se ajusta la óptica). Estas prácticas deben ser revisadas y aprobadas por el ShyS antes de usar el láser. Si necesita ayuda para elaborar las prácticas de seguridad contacte al ShyS. Controles Administrativos: 2. Se debe usar la mínima energía radiante o nivel de potencia del láser para el uso requerido 3. Evite la exposición de los ojos o la piel al haz. 4. Use señales apropiadas para demarcar el área de uso si tiene láseres de clase 2 o mayor.

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Las señales deben indicar la clase del láser que se usa y proveer advertencias para evitar la exposición apropiada a la clase del láser. Se debe identificar la radiación invisible si la longitud de onda del láser o la radiación colateral esta fuera del rango de 400 a 710 manómetros. Contacte al SHyS para una ayuda sobre la señalización adecuada. 5. Evite usar anillos, joyas, mayas de relojes metálicas u otros objetos metálicos. Controles Técnico - Mecánicos: 6. Todos los láseres deben tener un confinamiento protector que prevenga del ingreso durante la operación 7. Los haces no deben ubicarse de forma que estén al nivel de lo ojos de personas que estén paradas o sentadas. Láseres clase 3b y 4: Además de los requisitos y recomendaciones que Figuran en el punto 9.1 se aplican los siguientes requisitos Controles Administrativos: 1 El operador del láser debe implementar las medidas de seguridad establecidas en el curso de seguridad del láser incluyendo protección de ojos, escudos si fuera necesario, controles de acceso 2 Cada operador debe tener a su disposición el manual del operador. 3 Se debe llevar un registro de periodos de uso, mantenimientos, incidentes que requieran ser reportados. En el caso de que haya múltiples operadores el registro debe identificar al operador en cada momento. 4 Se debe contar con un procedimiento de alineación en cada laboratorio. 5 Los láseres deben ser recibidos y mantenidos solamente por el operador. Controles Técnico - Mecánicos: 6 El láser debe tener un control de apagado automático que actúe si se quita la cubierta protectora. 7 El láser debe tener un control de encendido maestro activado con una llave o código. La llave no debe dejarse en el panel de control cuando el láser no está en uso. 8 Se deben colocar paradores de haz para atenuar todos los haces no usados.

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9 Se debe establecer un área de uso a la que se tenga acceso limitado y recubrir vidrios de ventanas y puertas. 10 De deben realizar todos los esfuerzos para minimizar las reflexiones en superficies que puedan desparramar luz en el laboratorio. 11 Los láseres clase 3b y 4 de luz infrarroja con una longitud de onda mayor o igual que 710 nanómetros deben ser terminados en una materia; resistente a fuego. Se debe realizar una inspección periódica para asegurar se mantienen en condiciones de trabajo adecuadas. Láseres Clase 4: Además de los requisitos y recomendaciones listados en los puntos 9.1 y 9.2 se deben implementar los siguientes requisitos para láseres de clase 4. 1 Las entradas a laboratorios que tengan láseres clase 4 deben tener una señal de advertencia luminosa interconectada con el láser que se prenda cuando el láser está activado. 2 La entrad del laboratorio deben tener un sistema interconectado con el láser para prevenir que el láser se dispare cuando se abre la puerta o se deben instalar barreras en el perímetro del láser. 3 Las áreas de control de los láseres de clase 4 deben tener un botón de pánico para desactivar el haz. 4 Se deben identificar los circuitos de corte de alimentación de los láseres de clase 4 en los paneles de alimentación. Se pueden usar las llaves de corte de estos tableros para apagar el láser en caso de incendio u otra situación evitando el ingreso al laboratorio. 5 El director del laboratorio puede decidir otros sistemas de seguridad en lugar de los controles técnico-mecánicos y administrativos listados precedentemente. Sin embargo los deberá documentar a los efectos de ser aprobados por el ShyS. Riesgo Eléctrico: Las siguientes prácticas de seguridad son importantes si se trabaja cerca de alta tensión. • ¡No trabaje solo! 1. Si hay un electrocutado en el laboratorio llame al interno 311. 2. Evite usar anillos, joyas, mayas de reloj metálicas u otros objetos metálicos.

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3. Si el investigador retira el confinamiento del láser para hacer mantenimiento debe estar seguro de que el sistema no puede ser alimentado. 4. Cuando sea posible use solamente una mano para trabajar en los dispositivos de circuitos o controles. 5. Nunca manipule equipos eléctricos con las manos, pies o el cuerpo mojados o sudorosos o parados en un piso mojado. 6. Cubra el piso con una superficie de goma y use guantes de goma apropiados. 7. Asegúrese que todos los capacitores están descargados. Cortocircuítelos o póngalos a tierra antes de trabajar en un área con capacitores. Comunicación de Lastimaduras Los responsables de operar o supervisar un láser deben: Comunicar a la oficina de personal en el caso de lastimaduras con láseres tipo 3 o 4 o electrocuciones. Completar un formulario de accidente que debe ser enviado al SHyS en un lapso no mayor a 10 días hábiles.

Figura 107. Etiqueta de seguridad de un laser de diodos

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7.2 Programa de control del sistema

Programa principal realizado por subrutinas, el cual cuenta con 3 subrutinas una para el arranque secuencial y paro de cada una de las bandas, otra para las condiciones dadas por los sensores de peso y tamaño y una ultima para las condiciones dadas por la paletizadora.

Subrutina 1 arranque secuencial de las bandas transportadoras. Las bandas se activan cada 5 segundos una atrás de la otra en el arranque y el paro.

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Rutina de sensores en donde se dan las condiciones de detección y operación de la separación del producto terminado según tamaños y pesos.

En esta imagen se puede observar el funcionamiento de la paletizadora dadas las condiciones de operación predefinidas por el usuario.

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Conclusiones generales.

Por medio de este trabajo podemos darnos cuenta del uso que el láser tiene dentro de la industria, y por que es que este tema se considera de gran importancia en la actualidad dentro de varios ramos de la ciencia y de la tecnología, principalmente ligado a la industria de la manufactura, en donde se utilizan láseres para optimizar procesos ya existentes, la combinación de nuevas tecnologías muestra la innovación de este dispositivo laser por lo que algunas veces nos ofrece algunas oportunidades para desarrollar nuevos productos que no son posibles utilizando métodos tradicionales, como puede ser productos de entretenimiento como: celulares, videojuegos, automóviles, etc. o simplemente en productos de uso cotidiano, o dentro de los mismos procesos para realizar estos productos. En lo que se puede deducir que en los últimos 5 años, el láser se ha desarrollado para convertirse en un método muy confiable y altamente eficiente para cumplir con los requerimientos de corte de un gran número de materiales, soldado, aleaciones, grabado, sensado entre muchas otras aplicaciones, utilizando lo que se considera una nueva tecnología de punta, en lo que se habla que el láser se complementa con la robótica y la aplicación de paquetes programáticos, como fue el caso de esta propuesta de proyecto. También el láser desde el momento en que se empieza a utilizar para el beneficio del hombre y de la sociedad, el cual mediante una serie de conocimientos teóricos y experimentales se ha ido innovando a través del tiempo a fin de llegar a ser una herramienta óptima para la industria manufacturera.

Referencias. Aplicaciones industriales del láser - L. Bachs, J. Cuesta, N. Careles. Manual de AB para controlador lógico programable (PLC) SLC 500. Automatización neumática y electroneumática - Salvador Millán Teja. Iniciación a la física, Volumen 2 - Julián Fernández Ferrer, Marcos Pujal Carrera. Estructura de la materia - Agnar Pytte, Robert W Christy

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