Álvaro Alejo Cubillos, Camilo Castro López, Diego Mauricio Ruiz Díaz

Bogotá D.C., junio de 2010

Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico

XXVI MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS

SISTEMA AUTOMATIZADO E INTELIGENTE DE MARQUESINAS MOVILES

TECHOMATIC

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN

En la actualidad se pueden encontrar disponibles en el mercadosistemas de marquesinas manuales y automáticas cuyafuncionalidad puede ser interpretada como insuficiente para sualta inversión pues son en realidad sistemas simples cuyainstalación implica un alto costo y brindan soluciones parciales ala necesidad identificada. Es por esto que se busca a través deldesarrollo de este prototipo el cambiar ese nivel de precepciónnegativo aumentando su funcionalidad buscando minimizar en lamedida de lo posible los precios y así generar un producto masatractivo para el cliente final.

•Valor del desarrollo del proyecto: 1’077,600.00 COP

•Tiempo de desarrollo: 4 meses

COP=Colombian Pesos

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE DISEÑO

Se plantea como problema de diseño la inexistencia de un sistema

automatizado de marquesinas móviles especialmente en lugares

generalmente expuestos a la intemperie.

Las marquesinas o techos corredizos por lo general deben ser accionados

de forma manual, siendo entonces limitada su instalación a techos de baja

altura, e inaccesibles en algunos casos para personas de la tercera edad y

personas minusválidas. Como problema adicional, al estar sometido a la

intemperie su mantenimiento es difícil, lo que deteriora el producto

rápidamente conllevando a fallas tempranas como filtraciones o ruido

excesivo.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTELINEAMIENTO ENUNCIADO DEL CLIENTE NECESIDAD INTERPRETADA

Usos típicos

Permitir la entrada de la luz cuando la marquesina esté

cerrada.El material de fabricación de la marquesina debe ser traslúcido.

Protección de la lluvia El sistema debe ofrecer un cierre hermético de modo que se impida la filtración de agua.

Fortalezas del

producto actual

Protección contra los rayos UV El material con en el cual esté fabricada la marquesina tendrá filtro UV.

Diferentes diseños para diferentes ambientes. El diseño estético del sistema permite su acondicionamiento a diferentes ambientes.

Es confiableEl sistema es capaz de realizar su tarea sin ningún problema en condiciones normales de

trabajo.

Debilidades del

producto actual

Su mantenimiento es complicado

El sistema deberá corregir ciertas características de diseño que tiene el producto actual,

por lo tanto estará diseñado de tal manera que su acceso para limpieza y mantenimiento

sea sencillo y no requiera herramientas especiales.

Es difícil de instalarLa instalación del sistema no requerirá maniobras difíciles ni alteraciones indeseables en la

arquitectura del lugar.

Es muy costosoLos procesos de diseño, manufactura y comercialización deben optimizarse con respecto

al producto actual, de manera que sea accesible a la capacidad de inversión del cliente.

Desearía

Necesito que el sistema pueda desmontarse en alguna

eventualidad

El sistema debe ser portable, diseñado con un ensamble que pueda ser modificado con

herramientas disponibles fácilmente en el mercado. Además deberá tener un diseño simple

posiblemente modular, lo cual permita desmontar el sistema con mayor facilidad.

Que tenga posibilidad de accionarse manualmente, en caso

de falla eléctrica.

El sistema mediante el cual se posiciona la marquesina tendrá la posibilidad de

accionamiento mecánico sin necesidad de suministro de energía eléctrica.

Que utilice algún tipo de batería con recarga solar El sistema funciona con suministro de energía solar.

Facilidad de mantenimiento El sistema será accesible para su limpieza y mantenimientos preventivos y correctivos.

No desearía

No me gustaría que su uso fuera complicado.El sistema no tendrá más controles de los absolutamente necesarios para un desempeño

eficiente.

No me gustaría que fuera peligroso. El uso del sistema evitará poner en riesgo la integridad del usuario.

No me gustaría tener que repararlo muy seguido. El sistema funcionará una gran cantidad de horas de trabajo sin necesidad de

mantenimiento.

No me gustaría que fuera ruidoso El sistema será diseñado de manera que no genere contaminación auditiva en exceso.

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA

(BENCHMARKING)

Por medio del análisis de la competencia se establecieron los valores

para las características de desempeño ideales y marginalmente

aceptables.

Entre las empresas consultadas se tienen:

Cubiertas Koyo

Ajover S.A.

Eternit.

TEXSA

Abacrialum

N NECESIDAD IMPORTANCIA

1El sistema

de control

Suministra la potencia suficiente

para posicionar la marquesina. 5

2El sistema

de control

La posición de la marquesina es

una variable totalmente controlada

por el usuario.

4

3 El sistema.Puede ser utilizado en diferentes

lugares3

4 El sistema Tiene una vida útil considerable. 5

5 El sistema Es seguro 5

6 El sistema Puede trabajar a la intemperie. 4

7 El sistema Es hermético. 5

8 El sistemaFuncionará normalmente bajo la

lluvia.4

9 El sistema Es fácil de transportar 3

10 El sistema Cubre el área necesaria. 4

11 El sistema Es ligero en peso. 4

12 El sistema

Resiste condiciones de corrosión

durante el almacenamiento como

humedad y exposición al polvo.

4

N NECESIDAD IMPORTANCIA

13 El sistema Necesita poco mantenimiento. 3

14El sistema

de control

Se puede mantener con

herramientas fácilmente

disponibles.

4

15 El sistemaEs de fácil acceso para su

mantenimiento.3

16La

marquesina

Mantiene su posición ante la

ausencia de algún tipo de señal de

activación.

3

17 El sistema Es fácil de configurar y utilizar. 4

18 El sistema Es fácil de instalar. 3

19 El sistema Tiene una estética agradable 4

20 El sistema Es resistente a golpes 4

21 El sistema Es accesible en cuanto a precio 3

22 El sistema

Permite realizar la tarea de

posicionamiento de la marquesina

de manera más rápida y eficiente

que manualmente

4

23 El sistema Es ergonómico 3

24 El sistemaMantiene la marquesina en buen

estado4

ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)

ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)N MEDIDA IMPORTANCIA UNIDADES

1 Área a ser cubierta por la marquesina. 4 m2

2 Área a ser descubierta por la marquesina. 3 m2

3 Peso del sistema de control 4 N

4Distancia entre el subsistema de interfaz de usuario y

el subsistema motriz.4 m

5 Fuerza del sistema motriz. 5 N

6 Resistencia a la tensión de la marquesina. 4 MPa

7 Permeabilidad del sistema. 5 cm3/h

8 Vida útil. 5 Años

9 Seguridad. 5 Subjetiva

10 Infunde orgullo 3 Subjetiva

11 Tiempo para mantenimiento. 2 min

12 Resistencia del marco de la marquesina. 2 MPa

13 Tamaño del sistema de control. 2 m3

14 Ergonomía. 3 Subjetiva

15 Costo de manufactura. 3 COP

16 Peso por unidad de área de la marquesina 4 N

17 Temperatura de operación 3 ºC

18 Reducción de ruido 2 %

DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

Convertir

energía de

entrada en

energía

mecánica

Almacenar

energía

Detectar

instruccción

Activar

mecanismo

motriz

Energía

Señal de

control

Energía mecánica

(movimiento de la

marquesina)

Señal de validación

Energía residual

Aplicar

energia a la

marquesina

Interpretar

y procesar

la señal de

entrada.

Comunicar

instrucciones

al sistema de

control

Apagar el

sistema

GENERACIÓN DE CONCEPTOS:

VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE

SOLUCIÓN GENERADAS

•Búsqueda externa: Se investigó en la red sobre empresas anivel internacional que ofrecieran productos similares y seadoptaron ideas cuyo potencial y viabilidad eranprometedoras a juicio del equipo de desarrollo. Se usobastante la técnica de “Asociación” para hallar solucionesinteresantes a los diferentes subsistemas.

•Búsqueda interna: Se utilizó la técnica de “Brainstorming”debido a que permite aprovechar la creatividad desdemuchos puntos de vista debido a la conformación de unequipo interdisciplinario. En esta búsqueda cada integrantedel equipo propuso una o varias soluciones a lassubfunciones definidas.

Convertir energía de

entrada en energía

mecánica

Almacenar

energía

Aplicar energía a la

marquesinaDetectar activación

Interpretar y

procesar la señal de

entrada

Comunicar

instrucciones al

sistema de control

Activación del

mecanismo de

movimiento

Estructura

Motor con contrapesoSistema

neumáticoGolpe o Impacto Switch Microcontroladores

Comunicación por

infrarrojo

Activación de

válvula neumáticaEstructura 1

Compresor Sistema hidráulico Transmisión por bandas Pulsador

CPLD (Complex

Programmable Logic

Device)

Comunicación por

bluetooth

Activación de

válvula hidráulicaEstructura 2

Bomba ResorteTransmisión por

cremallera y piñón

Pulsador con

enclavamiento

FPGA (Field-

Programmable Gate

Array)

Fibra ópticaLiberación de

resorteEstructura 3

Reacción química

controlada

Masa en

movimiento

Transmisión por pistón

neumáticoPalanca

Máquina de estados

finitosCable de cobre

Explosión de

pólvora

Transmisión de energía

humana (En caso de

emergencia)

PólvoraTransmisión por pistón

hidráulicoPerilla Computador

Cable UTP

(Unshielded Twisted

Pair)

Reacción química

controlada

Sistemas magnéticos Reacción química Resorte Pedal Electrónica análoga RadiofrecuenciaActivación de

campo magnético

CondensadoresTransmisión por reacción

químicaSensor de sonido

Lógica cableada

eléctrica

Comunicación

satelital

Activación de un

motor eléctrico

Aplicar energía

directamente

Transmisión por fuerzas

electromagnéticasSensor de luz

Lógica cableada

neumática

Aplicación de fuerza

humana

Transmisión por cadenas Sensor de lluviaLógica cableada

hidráulica

Sensor de movimiento

Sensor de temperatura

EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE CONCEPTOS

La evaluación y selección de los conceptos se

realizó mediante la implementación de dos

matrices de selección, la “Matriz Pasa – No Pasa”

y una “Matriz de Puntuación”, donde se evaluó la

viabilidad y el desempeño potencial que

proyectaban las combinaciones de conceptos mas

realistas y prometedoras.

CONCEPTO DOMINANTE

SUBFUNCIÓN CONCEPTO

Convertir la energía disponible en

energía mecánica.Motor

Almacenar la energía necesaria

para el sistema motriz empleado.Aplicar energía directamente

Aplicar la energía acumulada a la

marquesina.Transmisión por cadenas

Detección de señal de activación.Pulsador, sensor de lluvia, sensor

de luz

Interpretar y procesar la señal de entrada.

Microcontroladores

Comunicar instrucciones al

sistema de control.Cable de cobre

Activación del mecanismo de

movimiento.Activación de un motor eléctrico

Estructura Estructura 1

ALTERNATIVA DE DISEÑO GLOBAL

DOMINANTE

•Convierte la energía disponible en energía mecánica a través de un motor

eléctrico, esto debido a que es un sistema capaz de proporcionar la

potencia necesaria, su control es más sencillo, ofrece mayor seguridad, es

asequible y accesible económicamente, por otra parte necesita poco

mantenimiento, maneja piezas estándar, es bastante versátil, su consumo

de energía es bajo y es fácilmente reemplazable.

•Aplica la energía a la marquesina mediante transmisión por cadena, pues

es un sistema robusto, eficiente, fácilmente implementable, ajustable a

diferentes longitudes, resistente, es un elemento es estandarizado.

•Detecta la señal de control mediante pulsadores o sensores de acuerdo a

la manera en la que se configure el sistema: manipulación manual o

manipulación automática por la detección de señales a través de sensores.

ALTERNATIVA DE DISEÑO GLOBAL

DOMINANTE•Interpreta y procesa la señal de entrada mediante el uso de microcontroladores,

pues son eficientes, versátiles, económicos, su implementación es sencilla y

bastante poderosa, permite agregar o eliminar diferentes periféricos.

•Comunica las instrucciones al sistema de control mediante señales que se

presentan de acuerdo a la configuración: una puede ser manual lo cual controla el

movimiento cuando el pulsador está activado, o puede ser una opción programada

utilizando sensores de lluvia o luz, es decir que el movimiento se activa con la

presencia o ausencia de alguna de estas variables físicas.

•La activación del mecanismo se limita a encender o apagar el motor eléctrico en

diferentes sentidos, pues es algo sencillo y robusto..

•Es implementado sobre un mecanismo serial, pues su relación entre el área a cubrir

y descubrir es mucho más amplia que con otros mecanismos, por otra parte es

bastante versátil y eficiente. No requiere de elementos especiales ni adicionales,

mas puede ser implementada mediante elementos estandarizados, lo cual repercute

directamente en los costos de la misma. Debido a que es modular es fácilmente

adaptable a diferentes ambientes sin necesidad de modificar sustancialmente el

lugar sobre el cual se va a instalar.

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO•El producto es de arquitectura “Ranura Modular” pues la gran mayoríade sus elementos tiene un solo lugar y forma de ser ubicado al interiordel sistema.

•Debido a que uno de los principales objetivos del desarrollo de esteprototipo era el de generar bajos costos en su manufactura la selecciónde componentes estandarizados fue una tarea fundamental. Laselección de los mismos realizo buscando funcionalidad y lasatisfacción de los requerimientos de ingeniería (Peso, resistencia,costos, etc.)

•El prototipo fue desarrollado en su totalidad con elementosestandarizados, sobre los cuales se realizaron procesos demanufactura simples como cortes lineales y taladrados.

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTOSe realizaron análisis y simulaciones por elementos finitos para evaluarel desempeño estructural del sistema. De esta manera se confirmó queel diseño de la estructura es adecuado.

ESTRUCTURA

SUPERIOR

ESTRUCTURA

INFERIOR

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA•Funcionamiento: El sistema se basa en control on-off de un motor eléctricode corriente directa. El sistema encargado de manejar el actuador provee unainterfaz sencilla e intuitiva para el usuario. Por otra parte el acondicionamientode sensores de variables comúnmente relacionadas con el producto lo hacemas útil y atractivo para el cliente final.

El prototipo puede ser utilizado por cualquier persona debido a la interfaz“Usuario-Máquina” implementada, gracias a su simplicidad.

•Aspectos de seguridad y control de la máquina: Por seguridad no estápermitido ubicarse sobre la marquesina, o soportar objetos pesados sobreella. Tampoco se recomienda el obstaculizar la trayectoria de la misma.

La marquesina no puede moverse sin fuente de energía eléctrica, por lo tantoes necesario tener precaución.

•Aspectos de ergonomía considerados: Debido a que es un sistemamodular cuyo objetivo es el ser instalado por el usuario final, la altura delmando de control puede ser ajustada de manera optima según el usuario. Losmensajes de display se encuentran bien iluminados y escritos de maneraclara y los botones son grandes y fácilmente identificables para el usoadecuado el producto.

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

El sistema automatizado de marquesinas móviles

entra a tomar partido en el campo de la domótica y

las nuevas tendencias arquitectónicas, puesto que

el auge de las casas inteligentes es cada vez

mayor. Es por esto que se espera que este

producto sea más accesible en el mercado

colombiano, debido a que los productos existentes

son demasiado costosos o no presentan un

sistema de control automático.

ANÁLISIS ECONÓMICO

•Costos asociados al

proceso de diseño: 600.000,00 COP

•Costos de materiales: 453.400,00 COP

•Costos de fabricación: 12.200,00 COP

•Costos de ensamble: 12.000,00 COP

COP=Colombian Pesos

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES•Conclusiones

El seguimiento de una metodología organizada de diseño y desarrollo de unproducto de ingeniería realmente es bastante útil para llegar a una máquinao prototipo exitoso, puesto que las etapas previas a la fabricación permitendetectar y corregir posibles fallas que serían demasiado problemáticas en elproducto terminado.

•Recomendaciones a trabajos futuros

En el momento de seleccionar los elementos necesarios para realizar laetapa de control es mejor asegurarse que los elementos seleccionados sonadecuados para la aplicación a realizar. Un claro ejemplo es la selección delos microcontroladores, pues una mala elección por capacidad de memoria oprocesamiento puede acarrear serios problemas durante la etapa dedesarrollo, e incluso el desempeño final del producto puede verse afectado.

Es de vital importancia que exista un líder en el equipo de diseño que seacapaz de identificar las habilidades personales de los integrantes y asídistribuir las responsabilidades de manera inteligente y eficiente.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE

INGENIERÍA EMPLEADAS-ULLMAN, David. The Mechanical Design Process. Mc Graw Hill.

-ULRICH, Karl. EPPINGER Steven. Diseño y desarrollo de productos tercera ed. Editorial

Mc Graw Hill.

-ENCUESTATICK, 19 de Febrero, Herramienta online para la creación y aplicación de

encuestas, Disponible en: www.portaldeencuestas.com

-AJOVER, 20 de Febrero de 2010, Polycarbonate | Ajover Construction | Ajover S.A.,

Disponible en: http://www.ajover.com/construction/translucent-roofing-sheets/polycarbonate

-ETERNIT, 20 de Febrero de 2010, Eternit – Livianit y Premium – Perfil 7, Disponible en:

http://www.eternit.com.co/index.php?option=com_content&task=view&id=52&Itemid=89

-C.I. GOODTRADE, 21 de Febrero de 2010, CI Goodtrade. Disponible en:

http://www.cigocol.com/v4/index.php?sec=1&idsubc=71&cat=14&prdct=131&nombre_p=&n

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-TEJAS Y CUBIERTAS KOYO, 21 de Febrero de 2010, Tejas Plásticas – Petrai

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http://www.tejaskoyo.com/htm/tejas_petrai.htm

-TECHOS MOVILES, 21 de Febrero de 2010, Techos Móviles, Disponible en:

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-EASY, 21 de Febrero de 2010, Automatismo de techo, Disponible en:

http://www.easy-tec.es/automat/at.html

-ARZOLA, Nelson, Conferencias, Presentaciones de clase Proyecto de Ingeniería 2010 - I

SOFTWARE

– Solid Edge V.19

– Ansys V. 11

– CodeWarrior for HC08 V3.0

– Proteus 7

MUCHAS GRACIAS

Álvaro Alejo Cubillos aalejoc@unal.edu.co

Camilo Castro López wccastrol@unal.edu.co

Diego Mauricio Ruiz Díaz dmruizd@unal.edu.co