DiseAo-y-construcciAn-de-un-prototipo-para-decorado-automAítico-de-pasteles-circulares-Bakerbot

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingenieria y
Tecnologias Avanzadas
Trabajo Terminal II
Diseño y construcción de un prototipo para
decorado automático de pasteles circulares
“Bakerbot”
Que para obtener el t́ıtulo de
“Ingeniero en Mecatrónica”
Presentan:
Ángeles Hernández Maŕıa del Carmen
Jiménez Zavala Vı́ctor Hugo
Zúñiga Pacheco Sergio Enrique
Asesores:
Ing. López Alarcón Erick
Ing. Cruz Rivera Abraham
Mayo 2013
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingenieria y
Tecnologias Avanzadas
Trabajo Terminal II
Diseño y construcción de un prototipo para
decorado automático de pasteles circulares
“Bakerbot”
Que para obtener el t́ıtulo de
“Ingeniero en Mecatrónica”
Presentan:
Ángeles Hernández Maŕıa del
Carmen
J́ımenez Zavala Vı́ctor Hugo
Zúñiga Pacheco Sergio Enrique
Asesores:
Ing. López Alarcón Erick Ing. Cruz Rivera Abraham
Presidente del Jurado
M. en C. Guzmán Salgado Juan
Carlos
Profesora Titular
M. en C. Fernández Nava Cecilia
El culminar satisfactoriamente con el desarrollo de un proyecto implica la participación de varias
personas cuya intervención de forma directa o indirecta contribuye en mayor o menor medida a que
el proyecto se culmine de forma exitosa; en este espacio queremos agradecer a todas y cada una de
ellas porque de no haber sido por su ayuda, no hubiésemos llegado a este punto. En primer lugar,
debemos agradecer a Dios por otorgarnos la vida y darnos la fortaleza para llegar hasta este nivel.
Al Instituto Politécnico Nacional y a la Unidad de Profesional Interdisciplinaria en Ingenieŕıa
y Tecnoloǵıas Avanzadas por habernos brindado sus instalaciones (salones, laboratorios, equipo de
cómputo, biblioteca, sanitarios) que facilitaron enormemente nuestra formación como ingenieros. A
nuestros profesores y asesores Ingenieros Erick López Alarcón y Abraham Cruz Rivera por apoyarnos
con sus conocimientos, experiencias y herramientas valiosas no solamente en este proyecto sino,
estamos seguros, serán nuestro cimiento a lo largo de toda nuestra vida profesional. Al M. en C.
Juan Carlos Guzmán Salgado por sus observaciones y sugerencias para el trabajo.
Al Ingeniero Raúl Portillo Rosas y al Señor Raymundo Jiménez por el apoyo brindado en la
manufactura de piezas clave en el proyecto y por facilitarnos materiales y equipo para trabajar con
éstos.
A la familia del compañero Vı́ctor Jiménez, por permitirnos entrar en su hogar y brindarnos un
espacio para poder trabajar aśı como por las atenciones y el cálido ambiente que nos ofrecieron.
A cada una de nuestras familias por el apoyo ofrecido a lo largo de toda la carrera.
i
A mis padres, mis abuelos y mi hermano.
A toda la familia, gracias por creer en mı́.
Ángeles Hernández Marı́a del Carmen
A mis padres:
Maŕıa del Carmen y Raymundo
A mis hermanos:
Anabel, Saúl, Raymundo y a Nancy
Jiménez Zavala Vı́ctor Hugo
A Dios, por haberme brindado la salud y dotarme de las capacidades para culminar
satisfactoriamente con esta etapa tan importante en mi vida; a mis padres Sergio Enrique Zúñiga
y Norma Alicia Pacheco por su amor y confianza incondicional hacia mı́ y apoyarme en todo lo
que estuvo a su alcance. A mis hermanos Gabriel y Norma por su ayuda; a mi familia por sus
palabras de aliento y ser mi gúıa y fuente de inspiración, esto no hubiera sido posible sin todos
ustedes. A mis compañeros y amigos Vı́ctor y Carmen por las experiencias y aprendizajes durante
todo el proyecto.
Zú~niga Pacheco Sergio Enrique
iii
Śımbolos y abreviaturas
◦ Grado lb Libra
◦C Grados Celcius l Litro
µB Coeficiente de fricción TTL Lógica transistor a transistor
A Ampere máx. Máximo/a
AC Corriente alterna máx. Máximo/a
ANR Atmosfera normal de referencia mı́m. Mı́nimo/a
CAD Diseño asistido por computadora MPa Megapascal
CD Corriente directa m Metro
cm Cent́ımetro mA Miliampere
CNC Control numérico por computadora ml Miĺılitro
der Derecha mm Miĺımetro
DFM Diseño para la manufactura mN·m Milinewton-metro
etc. Etcétera N·m Newton-metro
f Frecuencia ms Miĺısegundo
Fa Fuerza axial min Minuto
FEM Fuerza electromotriz J Momento de inercia
Fr Fuerza radial MPaP Motor paso a paso
g Gramo N Newton
gal Galón N·m Newton-metro
hp Caballo de fuerza Ω Ohm
Hz Hertz Pa Pascal
IDE Entorno de desarrollo integrado γ Peso especifico
MIG Gas de metal inerte π Pi
PDS Especificación de diseño de producto ft Pie
Q Caudal pcb Placa de circuito impreso
qB Consumo de aire HOPE Polietileno de alta densidad
qH Consumo de aire por cada carrera θ Posición
∆ Delta/incremento P Presión
η Eficiencia DSP Procesador digital de señal
σ Esfuerzo in Pulgada
ϕ Diámetro rad Radián
ω̇ Aceleración angular rev Revolución
h Hora rpm Revolución por minuto
DIN Instituto Alemán de Normalización s Segundo
GUI Interfaz gráfica de usuario IPS Sistema de perfil industrial
izq Izquierda SAE Sociedad de ingenieros automotrices
kg Kilogramo t Tiempo
kN Kilonewton τ Torque
kPa Kilopascal V Volt
kW Kilowatt W Watt
v
Índice general
Agradecimientos i
Dedicatorias iii
Śımbolos y abreviaturas v
Índice general vii
Índice de figuras xiii
Índice de tablas xix
Resumen xxi
Objetivos xxiii
Introduccuión xxv
I Panorama General 1
1. Antecedentes 3
1.1. Investigación y selección de utensilios de reposteŕıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1. Nivelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2. Duyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Dimensiones de moldes estándar para pasteles redondos. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3. Cómo cubrir con betún el pastel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1. Consistencia del betún . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4. Técnicas de decoración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5. Chantilly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1. Caracteŕısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2. Usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6. Máquinas industriales de decoración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.1. Máquinas en el mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
vii
viii ÍNDICE GENERAL
2. Planteamiento del problema 15
3. Actuadores eléctricos y sensores 17
3.1. Motores a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1. Sensor magnético de posición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II Desarrollo 21
4. Etapa preliminar del diseño 23
4.1. PDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2. Análisis funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.1. Árbol de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3. Análisis morfológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4. Formas para diseño propuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5. Propuestas y selección de diseño conceptual 31
5.1. Propuestas de diseño para el trazo de dibujos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2. Propuesta de diseño para el embetunado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.3. Selección del diseño conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6. Selección de componentes 35
6.1. Evaluación de alternativas. Método de objetivos ponderados . . . . . . . . . . . . . . 35
6.1.1. Selección de actuadorespara el sistema de inyección del robot cartesiano . . . 35
6.1.2. Selección de rodamientos lineales de bolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7. Selección de materiales 43
7.1. Selección de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.1.1. Selección de materiales para la estructura soporte del carro en el eje X . . . . 43
8. Sistema de inyección por pistón 47
8.1. Funcionamiento básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.2. Válvula rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9. Diseño mecánico 51
9.1. Diseño para la manufactura (DFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9.1.1. Espátula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9.1.2. Sujeción de duyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
9.1.3. Inyector de figuras y contornos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
9.1.4. Estructura del robot cartesiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
9.1.5. Diseño del robot cartesiano decorador de pasteles . . . . . . . . . . . . . . . . 55
9.1.5.1. Elementos de unión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9.1.6. Embetunador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.1.6.1. Válvula rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
ÍNDICE GENERAL ix
9.1.6.2. Giro de la espátula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.1.6.3. Abrazadera para tubo con brida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.2. Mecanismo de inyección mecánica para el trazo de contornos sobre el pastel . . . . . 61
9.2.1. Rosca ACME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.3. Transmisión de movimiento axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.3.1. Tornillos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.3.1.1. Husillos de bolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.3.1.2. Lubricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.3.2. Husillos para robot posicionador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.4. Restricción de altura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.5. Ventajas del diseño propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9.6. Área de trabajo del robot posicionador y dimensiones del prototipo . . . . . . . . . . 66
10.Integración del prototipo como sistema mecatrónico 69
III Validación 73
11.Cálculos 75
11.1. Tornillos de bolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.1.1. Velocidad cŕıtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
11.1.2. Duración (tiempo de vida del tornillo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
11.2. Sistema de transmisión por banda dentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
11.2.1. Cálculos geométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.2.2. Cálculo del sistema mecánico de inyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.3. Cálculos para la selección óptima del motor a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
11.3.1. Sistema de movimiento horizontal mediante tornillo de bolas . . . . . . . . . 87
11.3.1.1. Momentos de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
11.3.1.2. Frecuencia de operación requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11.3.1.3. Cálculo del tiempo de aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.3.1.4. Tiempo total de viaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
11.3.2. Verificación de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
11.4. Cálculo del sistema de bombeo de crema chantilly para el embetunador . . . . . . . 95
12.Factor de seguridad 97
12.1. Análisis de los tornillos de bolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
12.1.1. Resultados del estudio para el sistema de movimiento lineal eje X . . . . . . . 99
12.1.2. Resultados del estudio para el sistema de movimiento lineal eje Y . . . . . . . 101
12.2. Análisis de la espátula embetunadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.2.1. Resultados del estudio para la espátula embetunadora . . . . . . . . . . . . . 104
x ÍNDICE GENERAL
13.Sistema neumático 107
13.1. Selección del compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
13.2. Selección del cilindro neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.3. Selección de las válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.4. Descripción del circuito electroneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
14.Sistema electrónico 127
14.1. Controladores de motores a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
14.1.1. Especificaciones eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
14.1.2. Especificaciones mecánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
14.1.3. Descripción de pines del controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
14.1.4. Diagrama de conexión del driver al Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
14.2. Implementación del control de la posición, velocidad, aceleración y desaceleración del
motor a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
15.Validación de la dinámica en el robot cartesiano en lazo abierto 135
15.1. Estabilidad del robot cartesiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
15.2. Respuesta dinámica del robot cartesiano en el seguimiento de trayectoria . . . . . . . 141
15.2.1. Respuesta al escalón unitario (estático) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
15.2.2. Precisión de micropaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
15.2.3. Resonancia en la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
15.2.4. Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
16.Rediseño 147
16.1. Espátula embetunadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
16.2. Cono inyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
16.3. Válvula rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
16.4. Adquisición de conexiones sanitarias de acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . . . . 151
16.5. Rediseño de válvulas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
16.6. Rediseño del contenedor de embetunado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
16.7. Rediseño del sistema de inyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
16.8. Maquinado de tubos de acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
16.9. Conexiones de inoxidable, férrula roscada y férrula clamp . . . . . . . . . . . . . . . 156
16.10.Válvula rotativa de tres v́ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
16.11.Piezas del robot cartesiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
16.12.Adquisición y cortes de lámina de aluminio calibre 6 mm . . . . . . . . . . . . . . . 158
16.13.Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
16.14.Contenedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
16.15.Válvula rotativa de dos v́ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
16.16.Boquillas . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
16.17.Manufactura de piezas de sujeción en el CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
16.18.Cotización del corte de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
16.19.Estructura terminada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
16.20.Estructura robot cartesiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
ÍNDICE GENERAL xi
17.Interfaz gráfica de usuario 169
17.1. Diseño de la interfaz gráfica de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
17.2. Programación de intérprete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
18.Pruebas experimentales 175
18.1. Prueba del sistema de inyección utilizando un mecanismo de tornillo . . . . . . . . . 175
18.1.1. Observaciones y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
18.2. Cálculo experimental de la presión a la cual la crema chantilly empieza a fluir . . . . 177
18.3. Pruebas experimentales de espátula embetunadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
18.3.1. Observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
18.4. Prueba experimental del sistema de inyección mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . 184
IV Resultados 187
19.Resultados 189
20.Trabajo futuro 193
Concluciones 195
Glosario 197
Bibliograf́ıa 201
A. Propiedades de los materiales 205
A.1. Nylamit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
A.1.1. Cualidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
A.1.2. Propiedades más importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.1.3. Aplicaciones de los productos de nylamit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.1.4. Maquinado del nylamit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.1.5. Nylamit R H (higiénico) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A.2. Acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.2.1. Clasificación de los aceros inoxidables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.2.2. Tipos de acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.3. Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
B. Cálculo del sistema de bombeo 211
C. GCodeInterpreter código PC 213
C.1. gcode.h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
C.2. gcode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
D. Programa principal de la interfaz 219
E. Serial código 227
xii ÍNDICE GENERAL
F. Código Arduino 231
F.1. X3 eSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
F.2. Cartesian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Índice alfabético 239
Índice de figuras
1.1. Utensilios de reposteŕıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Nivelado de un pastel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Embetunar con duya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Embetunar con espátula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5. Forma tradicional de decorar un pastel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6. Decoración del pastel siguiendo una imagen gúıa trazada sobre el betún. . . . . . . . 9
1.7. Decoración con ayuda de proyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8. Posición del decorador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.9. Decoración por rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1. Tipos de motores con los que se cuenta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. Sensor magnético de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1. Áreas funcionales del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2. Formas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3. Contornos de figuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1. Bosquejos en CAD del robot cartesiano decorador de pasteles. . . . . . . . . . . . . . 31
5.2. Propuesta para el dispositivo de embetunado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.3. Embetunador con módulos lineales para los ejes X y Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.4. Selección de diseño conceptual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.1. Selección de materiales para la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2. Módulo de Young contra densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.1. Sistema de inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.2. Funcionamiento del sistema de inyección por pistón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.3. Válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.4. Variación de válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9.1. Ensamble de la espátula embetunadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9.2. Sujeción de duyas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
9.3. Sujeción de duyas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
9.4. Sistema de inyección mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
xiii
xiv ÍNDICE DE FIGURAS
9.5. Dimensiones representativas de un o-ring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
9.6. Robot posicionador - inyección mecánica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
9.7. Móvil Y-Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9.8. Tornillo de cabeza plana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9.9. Tornillo sin cabeza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.10. Embetunador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.11. Válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
9.12. Base para válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
9.13. O-rings en la válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.14. Sistema válvula rotativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.15. Movimientos de la espátula al alejarse del pastel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.16. Válvula que controla el giro de la espátula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.17. Abrazadera para tubos con brida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.18. Rosca ACME. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.19. Tornillo de bolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.20. Vista isométrica del ensamble completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.21. Dimensiones del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.1. Integración del prototipo como un sistema mecatrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.1. Selección del tamaño de la banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.2. Parámetros de una polea dentad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
11.3.Parámetros geométricos de una transmisión por banda . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
11.4. Formas de tornillos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.5. Fuerzas sobre el tornillo de bolas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
11.6. Representación de fuerzas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
11.7. Curva torque vs frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
11.8. Gráfica de la velocidad del motor a pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.9. Variables en el bombeo de chantilly para el embetunador. . . . . . . . . . . . . . . . 96
12.1. Distribución de fuerzas eje X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
12.2. Distribución de fuerzas eje Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
12.3. Análisis de esfuerzos del eje X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
12.4. Análisis de desplazamientos del eje X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.5. Análisis de deformaciones unitarias del eje X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.6. Análisis de esfuerzos del eje Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
12.7. Análisis de desplazamientos del eje Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
12.8. Análisis de deformación unitaria del eje Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.9. Factor de seguridad para el husillo de bolas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.10.Distribución de fuerzas sobre la espátula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.11.Análisis de esfuerzos de la espátula-base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
12.12.Deformación unitaria espátula- tapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
12.13.Análisis de desplazamiento de la espátula-tapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
12.14.Factor de seguridad de la espátula embetunadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
ÍNDICE DE FIGURAS xv
13.1. Diagrama presión-fuerza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.2. Diagrama de consumo de aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13.3. Cilindros Festo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.4. Válvulas Festo 5/2 v́ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
13.5. Circuito de mando neumático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
13.6. Diagrama de estado del sistema neumático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
13.7. Interruptor con optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
14.1. Plataformas de hardware libre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
14.2. Dimensiones del driver DM542 [Unidades: mm]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
14.3. Conexión PNP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
14.4. Aceleración (ω̇), velocidad (ω) y posición (θ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
14.5. Perfil de velocidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
14.6. Máquina de estados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
15.1. Modelo del lazo de control de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
15.2. Modelo simplificado del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
15.3. Sistema en lazo abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
15.4. Respuesta del sistema a la entrada escalón unitario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
15.5. Lugar geométrico de ráıces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
15.6. Diagrama fase del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
15.7. Respuestá al escalón vs tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
15.8. Exactitud de paso estático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
15.9. Precisión de micropaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
15.10.Velocidad el motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
15.11.Resonancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
15.12.Error de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
15.13.Corriente del motor a pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
15.14.Errores de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
16.1. Cono inyector del embetunador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
16.2. Rediseño de espátula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
16.3. Partes de espátula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
16.4. Inyector de chantilly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
16.5. Inyector de figuras de acero inoxidable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
16.6. Válvula rotativa de una sola pieza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
16.7. Conexiones inoxidables adquiridas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
16.8. Vista isométrica de las conexiones de acero inoxidable y válvulas. . . . . . . . . . . . 151
16.9. Piezas adquiridas en CIESA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
16.10.Contenedor de chantilly para embetunado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
16.11.Diseño final del sistema de inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
16.12.Embetunador final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
16.13.Contenedores de inyectores mecánicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
16.14.Embetunador final completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
xvi ÍNDICE DE FIGURAS
16.15.Tubos para contenedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
16.16.Conexiones de inoxidable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
16.17.Válvula rotativa de tres v́ıas (nylamit). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
16.18.Entradas de la válvula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
16.19.Pared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
16.20.Modificación realizada a la pared frontal de la mesa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
16.21.Modificaciones a los brazos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
16.22.Distribución de cortes en lámina de aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
16.23.Mesa del embetunador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
16.24.Contenedores cónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
16.25.Acoplar manguera y contenedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
16.26.Válvula rotativa de dos v́ıas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
16.27.Ensamble por interferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
16.28.Piezas manufacturadas en CNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
16.29.Abrazadera con motor a pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
16.30.Estructura completa de IPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 164
16.31.Soporte para electroválvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
16.32.Caja motor pastel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
16.33.Móvil principal y grado Z de libertad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
16.34.Piezas maquinadas en CNC Hass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
16.35.Tornillo ACME 5/8 in. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
16.36.Émbolo de nylimit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
16.37.Subsistema embetunador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
16.38.Robot cartesiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
16.39.Secuencia de ensamblado del robot cartesiano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
17.1. Qt Creator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
17.2. Pantalla de inicio de la aplicación “Bakerbot”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
17.3. Opciones de pantalla de inicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
17.4. Pantalla principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
17.5. Descripción de la pantalla principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
17.6. Diseño en CAD y trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
18.1. Sistema completo de inyección a prueba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
18.2. Prototipo en funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
18.3. Prototipo f́ısico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
18.4. Pesas utilizadas para hacer el experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
18.5. Pruebas realizadas con diferentes pesos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
18.6. Dispositivo inyector con manguera acoplada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
18.7. Número de pesos para fluir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
18.8. Espátula propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
18.9. Embetunador espátula independiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
18.10.Espátula en funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
18.11.Driver para motor a pasos armado en protoboard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
ÍNDICE DE FIGURAS xvii
18.12.Resultados de la inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
19.1. Embetunados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
19.2. Bordes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
19.3. Figuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
19.4. Bakerbot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
A.1. Nylimit en varias presentaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
xviii ÍNDICE DE FIGURAS
Índice de tablas
1.1. Tipos de duya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Moldes para pastel de fondo plano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3. Máquinas en el mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Comparación de maquinas decoradoras de pastel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1. Resumen de los principales parámetros de los tres tipos de motores. . . . . . . . . . 17
3.2. Peso de cada uno de los motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3. Caracteŕısticas f́ısicas del sensor magnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1. Funciones y alternativas de solución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1. Embetunador con módulos lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.1. Tabla binaria para la selección de sistemas de inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2. Pesos de los objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.3. Asignación de escala y valor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.4. Análisis morfológico de sistema de inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.5. Caracteŕısticas geométricas y de carga de los rodamientos lineales. . . . . . . . . . . 39
6.6. Carga dinámica equivalente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.7. Duración recomendada para rodamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
9.1. Medidas comerciales de o-rings norma SAE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
9.2. Medidas comerciales metales industriales de Puebla S. A. (MIPSA). . . . . . . . . . 55
9.3. Factor de anchura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.4. Husillos de bolas para el robot posicionador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
11.1. Caracteŕısticas de tornillos de bolas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
11.2. Tamaños y anchos de las bandas dentadas clásicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
11.3. Poleas habituales para bandas dentadas clásicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
11.4. Poleas seleccionadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
11.5. Caracteŕısticas de las poleas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
11.6. Factor de engrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11.7. Fórmulas para calcular la potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11.8. Factor de anchura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
xix
xx ÍNDICE DE TABLAS
11.9. Valor del coeficiente de fricción para diversos materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . 89
11.10.Parámetros del motor a pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
12.1. Caracteŕısticas comunes en el análisis de piezas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.1. Caracteŕısticas de compresores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.2. Presión-esfuerzo para cilindros neumáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
13.3. Tamaños normalizados de cilindros y longitudes de carrera. . . . . . . . . . . . . . . 112
13.4. Consumo de aire para cilindros neumáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13.5. Caracteŕısticas cilindro de doble efecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13.6. Válvulas para cilindros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
13.7. Caracteŕısticas válvulas 5/2 v́ıas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
13.8. Función de los cilindros neumáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
13.9. Operaciones del circuito electroneumático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
13.10.Operaciones del embetunador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
14.1. Caracteŕısticas eléctricas del driver DM542. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
14.2. Conector P1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
14.3. Conector P2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
16.1. Cotizacion de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
18.1. Combinaciones de pesos diferentes, realizados. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 180
A.1. Caracteŕısticas del nylamit R H (higiénico). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A.2. Propiedades generales de los aceros inoxidables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.3. Propiedades f́ısicas y qúımicas del aluminio 1100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A.4. Propiedades mecánicas del aluminio 1100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Diseño y construcción de un prototipo para
decorado automático de pasteles circulares
“Bakerbot”
Palabras clave: Pastel, embetunar, robot cartesiano, generación de trayectorias, inyector, duya.
Abstrac:
The main purpose of this project is to design and manufacture a mechatronic device able to
decorate cakes with circular shape. The decoration process refers to make the cover of chantilly
cream (embetunar) and reproduce simple pictures (shapes and italics letters) using a cartesian
robot which has a chantilly cream injector as end effector.
Finally, the process ends with the decoration of the edges of the cake. The drawings are designed
in a user-friendly interface.
Resumen:
Diseño y manufactura de un dispositivo mecatrónico capaz de decorar pasteles circulares. La
decoración consiste en hacer la cubierta de chantilly (embetunar), reproducir dibujos simples (con-
tornos de figuras geométricas y texto en cursiva) con la ayuda de un robot cartesiano que tiene como
efector final un inyector de chantilly, por último se realiza el decorado de los bordes. Los dibujos se
cargan en una interfaz amigable para el usuario.
xxi
xxii RESUMEN
Objetivos
Objetivo general
Automatizar el decorado de pasteles circulares (embetunado, figuras y bordes), mediante una
interfaz amigable que permita al usuario utilizar una imagen precargada, aśı como agregar textos.
Objetivos particulares:
Diseñar y construir un mecanismo que permita hacer la cubierta base (embetunado) de pasteles
redondos.
Realizar una interfaz que permita elegir entre una galeŕıa de plantillas prediseñadas de letras
y formas, por computadora.
Diseñar y construir un robot cartesiano capaz de reproducir dibujos (con chantilly) de geo-
metŕıas simples hechos por computadora, sobre la capa superior de pasteles redondos.
Diseñar y construir un sistema que permita decorar las orillas (perfil) del pastel.
Diseñar y construir circuitos (pcb) que permitan el control de los actuadores necesarios para
producir los movimientos mecánicos de la forma más precisa posible.
xxiii
xxiv OBJETIVOS
Introducción
Para las personas que se dedican al oficio de la reposteŕıa les es preferible que sus pasteles tengan
un elemento decorativo como un mensaje de afecto, felicitación, agradecimiento, reconocimiento,
etc. hacia otra persona; pues esto hace más llamativo al público su producto otorgándole un valor
agregado y más fácilmente se puede vender.
Actualmente existen máquinas que son capaces de plasmar prácticamente cualquier diseño en
pasteles; sin embargo, su elevado costo impide que estén al alcance de la mayoŕıa de las personas
en el páıs. En los negocios pequeños el grabado de una figura decorativa se realiza generalmente a
mano utilizando utensilios (duyas, pinceles para fondat, rodillos para fondat, aerógrafos, ect.) cuya
principal limitante es la habilidad y experiencia que la persona posea; sin embargo, el problema
comienza cuando el proceso se vuelve monótono lo cual produce desgaste f́ısico y/o mental. Con este
prototipo se pretende automatizar el proceso; la idea es que se aproveche el tiempo que normalmente
se dedicaba a esta labor en realizar otras actividades.
En este trabajo se diseña y construye un sistema mecatrónico capaz de reproducir contornos de
dibujos de geometŕıas simples con chantilly sobre pasteles redondos, con la intención de permitir a
reposteros decorar pasteles mediante una interfaz por computadora fácil de usar.
El prototipo aceptará pasteles con diámetro de aproximadamente 26 cm, que es un tamaño
estándar de molde en el mercado. Luego se recubre el pastel de forma mecánica, con una capa de
chantilly, que se distribuirá sobre toda la superficie de manera uniforme.
Mediante un robot cartesiano se moverá el inyector de chantilly sobre todo el pastel, para aśı di-
bujar la figura deseada. El decorado del borde se realizará al final. El robot cartesiano posicionará la
duya a la altura y distancia adecuada del borde superior del pastel. Posteriormente por la duya se
inyecta chantilly de un sólo color. El chantilly será suministrado previamente por el usuario en un
contendor que alimentará al inyector.
Este documento pretende informar a través de sus caṕıtulos sobre cada una de la estapas del
diseño y construcción del prototipo.
xxv
xxvi INTRODUCCIÓN
Parte I
Panorama General
1
Caṕıtulo 1
Antecedentes
1.1. Investigación y selección de utensilios de reposteŕıa
En reposteŕıa se recomienda tener los siguientes productos a fin de que la decoración se vuelva
más fácil. Estos art́ıculos serán utilizados una y otra vez.
Nivelador de pasteles: Cortador metálico que nivela y permite cortar en capas los pasteles fácil-
mente.
Espátulas. Tienen innumerables usos decorativos, incluyendo llenar las mangas con betún, pintar
franjas en las mangas para lograr efectos de colores, para mezclar colores y para cubrir pasteles
con betún. Se encuentran en varios tamaños, rectas, angulares y afiladas. Todas tienen hojas
de acero inoxidable y pueden lavarse en lavaplatos.
Duya para cubrir los pasteles con betún: Una duya extra ancha que le permite cubrir con
betún un pastel en forma rápida y fácil. Brinda al pastel una terminación perfectamente
uniforme, excelente para embetunar los lados del pastel.
Mangas de poliéster: Ligeras, flexibles, reforzadas para una mayor resistencia, pueden ser usadas
una y otra vez. Se utilizan con copie cuando se vaya a necesitar más de una duya con el mismo
color de betún.
Moldes: Los moldes de excelente calidad son fundamentales para crear pasteles hermosamente
decorados. Los moldes de aluminio anodinado hornearán uniformemente y crearán una perfecta
superficie dorada. No se deforman, no se oxidan ni se decoloran. Hay diferentes formas y
tamaños disponibles para cada necesidad.
3
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
Recipientes hondos para batir con tapa: Perfectos para hacer betún de decoración (tapas trans-
parentes que se cierran bien para evitar que el betún se reseque.
Base giratoria: Resistencia adicional y rotación sin esfuerzo para hacer más fácil la decoración de
pasteles.
Figura 1.1: Utensilios de reposteŕıa.
De los utensilios presentados anteriormente se requere de la espátula, que es diseñada conside-
rando las dimensiones de los demás componentes de la máquina. La idea de la base giratoria se
implementa para el proceso de embetunado, haciendo girar una placa circular con un motor de CD
para facilitar la distribución de chantilly. Las mangas y los recipientes se sustituyen por contene-
dores y cilindros de inyección. Se usa un cople y duyas comerciales para poder intercambiarlas de
decoración en decoración.
1.1.1. Nivelado
Para nivelar un pastel se tiene que retirar la “panza” del centro que se forma al hornearlo. En
la Figura 1.2 se proponen dos formas para nivelar el pastel.
Figura 1.2: Nivelado de un pastel.
4 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
-Con el nivelador de pasteles (Figura 1.2A). Coloque los extremos del alambre para cortar en
las ranuras a la altura deseada. Con las patas apoyadas en la superficie de trabajo, corte la orilla
endurecida con un sencillo movimiento de serrucho y después preceda a deslizarla delicadamente a
través del pastel.
-Con un cuchillo (Figura 1.2B). Coloque la capa en un ćırculo para pasteles y después sobre la
base giratoria para decorar. Asegurase de que el pastel esté al nivel de sus ojos, para estar mirando
directamente el costado. Mientras gira lentamente el soporte,mueva el cuchillo de sierra hacia
delante y hacia atrás para retirar la panza.
1.1.2. Duyas
Una duya permite cubrir un pastel en forma rápida y fácil, brindando una terminación perfec-
tamente uniforme y son excelentes para embetunar los lados de pasteles con formas caprichosas.
Para la decoración de pasteles hay varios tipos de duyas, las formas pueden variar de acuerdo al
fabricante por ejemplo para Wilton [1] las básicas son de 6 tipos: punto, estrella, hoja, olan, flores
y canasta (existe variedad de tamaño en cada forma). En la Tabla 1.1 se presentan imágenes de
las duyas básicas de acuerdo al catalogo de productos de Wilton.
Tabla 1.1: Tipos de duya.
Número de producto Duya
1 a la 12 son las que se llaman de punto, para hacer
cosas con toques redondeados
13 a la 21 y la 32 son de estrella, para hacer estrellas,
conchas, cuerdas, etc.
65 a la 70 de HOJA, para hacer hojas u olanes, 65 a
la 70 de hoja, para hacer hojas u olanes
101 a 104 de OLAN, para hacer olanes o pétalos de
flores
2d, 30, 31, 106, 129, 136, 190, 224, 225, para hacer
flores planas
47,48 de CANASTA
UPIITA-IPN “Bakerbot” 5
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
Las duyas de tipo punto tienen pequeñas aberturas redondas excelentes para delinear, escribir
letreros y elaborar figuras; es por esta razón que se tiene contemplado utilizar este tipo para efectuar
el decorado en el prototipo. La duya de tipo estrella será utilizada para el decorado de los bordes
de la cubierta del pastel.
1.2. Dimensiones de moldes estándar para pasteles redondos.
Actualmente en el mercado existe una gran variedad de tamaños de moldes, dependiendo sobre
todo del fabricante. En la Tabla 1.2 se observan los diámetros para pasteles redondos de Rafmex
S.A. de C.V [2] que ofrece todo tipo de productos para la industria panificadora.
Tabla 1.2: Moldes para pastel de fondo plano.
Código Descripción Calibre Clave Diámetro [cm] Altura [cm]
41300 Molde pastel aluminio 22 APC-12 12,0 5,0
41301 Molde pastel aluminio 22 APC-18 18,0 6,0
41302 Molde pastel aluminio 22 APC-20 20,0 6,0
41303 Molde pastel aluminio 22 APC-22 22,0 6,5
41304 Molde pastel aluminio 22 APC-24 24,0 7,0
41305 Molde pastel aluminio 22 APC-26 26,0 7,5
41306 Molde pastel aluminio 20 APC-28 28,0 7,5
41307 Molde pastel aluminio 20 APC-30 30,0 7,5
41308 Molde pastel aluminio 20 APC-36 36,0 7,5
41309 Molde pastel aluminio 20 APC-41 41,0 8,0
El diámetro de los pasteles que el prototipo podrá aceptar, en base a la investigación es de 26
cm aproximadamente ya que existen varios tamaños de moldes cercanos a esta medida y se pueden
adquirir en diversas tiendas comerciales.
Diámetro = 26± 0,25 cm
6 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
1.3. Cómo cubrir con betún el pastel
La creación de una superficie perfectamente cubierta con betún y lisa para después decorarla es
un paso crucial en la pasteleŕıa. A continuación se presentan dos formas de embetunar un pastel.
Con la duya para cubrir los pasteles con betún.
1. Cortar una manga de poliéster para colocar una duya ancha. Llenar la manga hasta la mitad
con betún de consistencia suave. Comenzar en el centro de la parte superior del pastel, sostener
la manga en un ángulo de 45◦. Colocando los dientes de la duya contra el pastel y presionando
ligeramente. Dejar salir un listón de betún con un movimiento espiral continuo para cubrir
la parte superior del pastel, conduciendo el último listón del betún hacia la orilla de la parte
superior del pastel.
2. Para los lados, sostener la manga en un ángulo de 45◦. La duya debe de hacer presión ligera
contra el lado del pastel. Dejar salir el betún a medida que gira el pastel lentamente.
3. A continuación, alisar el lado, sostener la espátula en forma vertical contra el lado del pas-
tel, girando lentamente el soporte sin levantar la espátula de la superficie. Regresar el betún
sobrante al contenedor. Alisar por último la parte de arriba, usando nuevamente la orilla de
la espátula. Deslizar la orilla de la espátula desde el borde del pastel hacia el centro, después
levantar y retirar el betún sobrante. Para terminar, girar ligeramente el pastel y repetir el pro-
cedimiento. Comenzando desde un nuevo punto del borde, hasta que haya alisado la superficie
total de la parte de arriba.
Figura 1.3: Embetunar con duya.
Sólo con una espátula
1. Con una espátula angular grande, colocar una cantidad considerable de betún de consistencia
suave sobre el centro de la parte superior del pastel. Extender por toda la superficie, empujando
el exceso de betún hacia las orillas, para que caiga hacia los lados.
UPIITA-IPN “Bakerbot” 7
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
2. Cubrir los lados del pastel con el exceso de betún, usando más si fuera necesario.
3. Seguir el paso 3 mencionado anteriormente para alisar el betún.
Figura 1.4: Embetunar con espátula.
1.3.1. Consistencia del betún
Es preciso ajustar la consistencia del betún, dependiendo de las decoraciones que se vayan a
realizar. A continuación se brindan ejemplos sobre la manera de usar las distintas consistencias de
betún.
Consistencia mediana. Con el betún de consistencia mediana se hacen estrellas, se elaboran
figuras, bordes y flores con pétalos que quedan planos.
Consistencia suave. Para escribir, hacer enredaderas, hojas y cubrir con betún un pastel.
De acuerdo a las caracteŕısticas expuestas anteriormente y considerando que en el prototipo única-
mente se va a recubrir el pastel y plasmar los bordes de figuras y/o texto es recomendable utilizar
el tipo de consistencia suave. Para el decorado de las orillas se recomienda el tipo de consistencia
mediana. Estas consistencias las preparaŕıa el operador de la máquina antes de depositarla en los
contenedores.
1.4. Técnicas de decoración
Una forma muy sencilla de grabar una imagen sobre un pastel sin necesidad de herramientas
costosas, consiste en lo siguiente:
1. Tener la zona embetunada del pastel que se va a decorar. La secuencia de las imágenes a), b)
y c) en la Figura 1.5 muestran como queda un pastel embetunado.
8 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
2. Contar con un objeto: delgado, ligero, con punta e higiénico (como un palillo de madera, por
ejemplo) y trazar sobre la zona embetunada con el objeto, la imagen que se desea dibujar en
el pastel. En la Figura 1.6 se muestra un ejemplo donde se han trazado 3 estrellas con un
palillo de madera, para que sirvan como gúıa de trazado.
3. Sobre la gúıa formada con el objeto se decora el pastel inyectando con la duya el merengue,
de tal manera que se adquiera la forma del trazo gúıa.
Figura 1.5: Forma tradicional de decorar un pastel.
Figura 1.6: Decoración del pastel siguiendo una imagen gúıa trazada sobre el betún.
La Figura 1.6 muestra el resultado de decorar con merengue sobre una imagen formada por un
palillo de madera en la superficie embetunada de un pastel.
Otra técnica de decoración, es una técnica asistida por una herramienta visual de apoyo, como
lo es un proyector de transparencias. En el mercado existen diferentes modelos especiales para la
decoración de pasteles. Esta técnica es parecida a la anterior, solamente que al proyectarse el dibujo
de la transparencia sobre el pastel, se ahorra tiempo y se mejora la calidad de la imagen, pues la
copia tiene más parecido a la original. La Figura 1.7 muestra los pasos para realizar esta técnica.
UPIITA-IPN “Bakerbot” 9
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
Figura 1.7: Decoración de un pastel asistido por un proyector de transparencias.
En el paso 1, se tiene la torta de pastel embetunada, lista para ser decorada.
En el paso 2, se enfoca la proyección de la transparencia sobre la superficie del pastel.
En el paso 3, se está grabando la imagen con una manga pastelera siguiendo el patrón de ĺıneas
que se forma con la proyección.
En el paso 4, se muestra el resultado final.
En en esta técnica, contar con un dispositivoproyector de transparencia, aporta beneficios a
una empresa, en cuanto a la rapidez y calidad. Pero hay que mencionar que en las dos técnicas, las
posturas f́ısicas que se toman para la decoración de un pastel no cambian mucho y los requisitos de
enfoque visual y buen manejo de la decoración son necesarios para hacer el trabajo.
Figura 1.8: Posición que toma un decorador para poder grabar la imagen en un pastel.
10 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
La Figura 1.8 muestra que tanto la vista como la postura son afectadas en ambas técnicas, el
inciso b) y c) describen el tipo de técnica usada y las regiones afectadas por la postura. Observando
la posición que toma un decorador y considerando la cantidad de pasteles que se toman en un d́ıa
en algunas pasteleŕıas, se puede referir como malo el desgaste f́ısico que requiere una persona para
realizar estas rutinas.
1.5. Chantilly
La consistencia para la decoración de un pastel depende de la aplicación que se requiera, ya sea
para cubierta o para escritura. En el prototipo se propone que únicamente se va dibujar y reproducir
texto, por lo que se necesita una consistencia que permita controlar el flujo que sale del inyector
(como la consistencia suave expuesta anteriormente). La utilización de chantilly cubrirá dicha ca-
racteŕıstica, además de las que se muestran a continuación:
1.5.1. Caracteŕısticas
Debido a su consistencia firme el producto puede ser utilizado para realizar decoraciones finas.
Para hacerlo semiĺıquido sólo se pone a baño maŕıa y su brillo se incrementa manteniéndose
en el pastel y si se refrigera la aplicación adquiere mayor firmeza.
Caducidad 120 d́ıas.
1.5.2. Usos
Por su consistencia se utiliza para cubrir, rellenar, decorar pasteles y tartas.
Excelente para escritura y decoraciones.
Como ingrediente en la elaboración de mousse y pan de chocolate.
Para darle color y sabor a las cremas batidas o ĺıquidas mezclando entre un 10% y 20% de
jarabe.
La ventaja de este producto es que además de cubrir los aspectos que se necesitan, tiene otras
caracteŕısticas como la caducidad, que permitiŕıan almacenar el producto en caso de que no se
utilice todo, simplemente refrigerándolo.
UPIITA-IPN “Bakerbot” 11
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
1.6. Máquinas industriales de decoración
Algunas máquinas de decorado industrial que se conocen, son llamadas depositadoras, funcionan
a través de electroválvulas. Su aplicación es limitada, pues el trazado de ĺıneas para formar una
imagen, no entra dentro de sus funciones. La Figura 1.9 muestra una secuencia de imágenes, donde
se puede ver el trabajo que realiza una depositadora semiautomática en un pastel de 0,25 in.
Figura 1.9: Secuencia de imágenes de un pastel decorado por medio de rotación y depositado semi-
automático.
En la Figura 1.9 se observa una secuencia de imágenes, la base del pastel gira en su centro,
mientras que por medio de una electroválvula manipulada por un operador, se depositan puntos de
merengue en la superficie rotante del pastel, para dar el efecto de decorado mostrado.
12 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
1.6.1. Máquinas en el mercado
Tabla 1.3: Máquinas en el mercado
Máquina Caracteŕısticas
Mini J Print (Dekoris)
-Imprime en pastel y chocolate
-Velocidad máx.: 12,8 m2/h
-Interfaz : USB 2.0
-Área de impresión: A2 (40 cm x 60 cm máx.)
-Cartuchos: 8 (220 ml )
-Tamaño: 89 cm x 85 cm x 65 cm
-Peso: 97 kg
Deco Plotty (Modecor)
-Imprime sobre pastel, chocolate, galletas y helado
-Todos los colores alimentarios
-Superficie de impresión: A3 (29,7 cm x 42 cm)
-Velocidad: 1 min. (pastel de Ø22 cm)
-Peso: 13 kg
-Altura máx. de superficie a imprimir: 12 cm
-Cartuchos certificados para el uso en alimentos
Printing System MP-312
-Impresora de pasteles de tamaño A3
-Imprime directamente sobre la superficie cremosa
-Consumibles: cartuchos de tinta y cabezales de im-
presión
Uni-bot
-Aplica chocolate oscuro o claro, caramelo o formación
de hielo real automáticamente en un blanco móvil
-Hasta tres combinaciones de colores individuales
-Fácil de programar por el panadero para escribir o
dibujar sobre tortas de forma automática
-110 V o 220 V AC
Todas las máquinas presentadas en la Tabla 1.3 pueden decorar un pastel cada una con limita-
ciones diferentes pero, ninguna realiza el proceso para colocar la cubierta de crema (embetunado).
UPIITA-IPN “Bakerbot” 13
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
Tabla 1.4: Comparación de maquinas decoradoras de pastel
Máquina Ventajas Desventajas
Prototipo
-Interfaz amigable con el usuario
-Permite hacer varios tipos de decorado (letras,
bordes, contornos de figura).
-Embetunar el pastel
-Diseños personalizados
-Desconocimiento en el mercado
Unibot (Unifiller)
-Realizar diseños decorativos complejos
-Trabaja con una variedad de chocolates (cla-
ro, oscuro, ganache)
-Fácil de programar
-Bordeado en la parte superior e inferior
-Costo
-Espacio
-Una sola tonalidad de color
-Aplicación muy especifica
Enrober (Unifiller)
-Velocidad de operación (1 000 pasteles por ho-
ra)
-Capacidad de la tolva: 151 l
-Cadenas de chocolate o azúcar glas
-Costo
-Espacio
Cupcake Decorating Line
(Unifiller)
-Elevada precisión
-Versatilidad (paquetes de 4, 6,12)
-Elevada producción
-Diseños muy espećıficos (de acuerdo a las ne-
cesidades)
-Costo
-Espacio
-Limitación en colores (1 ó 2)
Decorador o embetunador
de pastel BAKON México
-Mecanismo sencillo y rápido
-Control sencillo
-Desperdicio de material
14 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
Caṕıtulo 2
Planteamiento del problema
Cuando un proceso se hace de manera repetitiva, trae como consecuencia cansancio, fatiga y
molestia para aquel que lo está desarrollando.
La habilidad no se pierde con el tiempo, pero śı las capacidades f́ısicas como son la vista y
desgaste en las articulaciones que son muy utilizadas en el proceso de decoración. La limitada
economı́a de las personas les impide adquirir productos que les ayuden en su labor, particularmente
en la decoración de pasteles.
Algunas personas tienen cierto temor hacia la tecnoloǵıa porque piensan que es muy complicado
utilizarla, creen que necesitan de capacitación para poder operar las máquinas; es por ello que la
interfaz debe ser amigable con el usuario a fin de que éste encuentre que la operación de la máquina
sea de forma intuitiva.
15
CAPÍTULO 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
16 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
Caṕıtulo 3
Actuadores eléctricos y sensores
3.1. Motores a pasos
Se buscaron las hojas de especificaciones de los motores y de acuerdo a la información obtenida
éstos tienen la potencia suficiente para manipular la carga requerida. Aunque fue necesario hacer
pruebas con ellos y verificar que en realidad tienen las caracteŕısticas expuestas en sus hojas de datos.
Para esto se diseño una etapa de potencia y programo una secuencia mediante un microcontrolador
para ver su funcionamiento y realizar mediciones de corriente y tensión.
Se contemplaron las dimensiones reales de los motores aśı como su peso para considerarlos
en el diseño de las estructuras de los diferentes subsistemas. Cabe mencionar que se cuenta con
cinco motores; 4 corresponden al modelo 59D5001 y uno al modelo 59D3006; que bien podŕıan
implementarse en los distintos grados de libertad que requiere el prototipo. En la Tabla 3.1 se
incluyen algunas de las caracteŕısticas principales de los motores.
Tabla 3.1: Resumen de los principales parámetros de los tres tipos de motores.
Modelo Corporación Ángulo por paso Voltaje Corriente por fase Torque
◦ V A mN·m
STP-59D5001 Shinano-Kenshi 1,8 6,3 1,0 1 808
STP-59D3006 Shinano-Kenshi 1,8 9,6 1,0 1 847
Shinano Kenshi Corporation [10]
17
CAPÍTULO 3. ACTUADORES ELÉCTRICOS Y SENSORES
Tabla 3.2: Peso de cada uno de los motores.
Peso
Modelo
g
STP-59D5001800
STP-59D3006 1200
Shinano Kenshi Corporation [10]
Figura 3.1: Tipos de motores con los que se cuenta.
Es importante conocer el peso de los motores porque este factor afecta directamente la carga
que soportan cada uno de ellos (sobre todo porque unos soportarán el peso de otros).
3.2. Sensores
3.2.1. Sensor magnético de posición
Para regular la cantidad de crema que se utiliza en el embetunado del pastel se optó por utilizar
un sensor que permite controlar la posición del émbolo dentro del contenedor inyector de crema
chantilly. El émbolo es accionado mediante un pistón, por lo que al controlar la posición de este
actuador, se puede regular la cantidad de crema a dosificar.
El sensor a utilizar es el modelo CS1-U, funciona como un interruptor de láminas magnético
normalmente abierto. Está diseñado para utilizarse con el cilindro neumático ISO 6431 de 40 mm
de diámetro, con cable de 2 m, construido en dos hilos azul y marrón para una fácil conexión.
La ventaja de utilizar este sensor es que el émbolo del cilindro es magnético y el sensor se puede
18 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 3. ACTUADORES ELÉCTRICOS Y SENSORES
montar sobre la camisa de éste mediante un soporte que viene incluido con dicho sensor.
Tabla 3.3: Caracteŕısticas f́ısicas del sensor magnético.
Voltaje de funcionamiento CD/AC 5-240 V
Corriente de funcionamiento 100 mA
Potencia máxima 10 W
Indicador LED rojo
Tamaño 1 in * 0,4 in * 0,4 in
Longitud del cable 2 m
Color Negro, gris
Peso 86 g
Figura 3.2: Sensor magnético de posición.
UPIITA-IPN “Bakerbot” 19
CAPÍTULO 3. ACTUADORES ELÉCTRICOS Y SENSORES
20 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
Parte II
Desarrollo
21
Caṕıtulo 4
Etapa preliminar del diseño
4.1. PDS
EDICIÓN: 1
ESPECIFICACIONES DEL PRODUCTO DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN PROTOTIPO
PARA EL DECORADO DE PASTELES CIRCULARES BAKERBOT
Número de referencia: PDS001
FECHA: 09.09.2012
Prólogo
Para las personas que se dedican al oficio de la reposteŕıa les beneficia que sus pasteles tengan
un elemento decorativo como un mensaje de afecto, felicitación, agradecimiento, reconocimiento,
etc. hacia otra persona; pues esto hace más llamativo al público su producto, otorgándole un valor
agregado y más fácilmente comercializable.
Cuando un proceso se hace de manera repetitiva, trae como consecuencia cansancio, fatiga y
molestia para aquel que lo está desarrollando lo cual daña la calidad del trabajo elaborado. La
habilidad no se pierde con el tiempo, pero śı las capacidades f́ısicas como son la vista y desgaste en
las articulaciones que son muy utilizadas en el proceso de decoración. La limitada economı́a de las
personas les impide adquirir productos que les ayuden en su labor, particularmente en la decoración
de pasteles.
23
CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
Algunas personas tienen cierto temor hacia la tecnoloǵıa porque piensan que es muy complicado
utilizarla, creen que necesitan de capacitación exhaustiva para poder operar las máquinas; es por ello
que debe diseñarse una interfaz amigable para el usuario a fin de que éste encuentre que la operación
de la máquina sea de forma intuitiva. La interfaz gráfica permitirá a personas sin conocimientos en
materia de electrónica y programación operar la máquina de una manera sencilla.
Actualmente existen máquinas que son capaces de plasmar prácticamente cualquier diseño en
pasteles; sin embargo, su elevado costo impide que estén al alcance de la mayoŕıa de las personas o
negocios en el páıs. En los negocios pequeños el grabado de una figura decorativa se realiza gene-
ralmente a mano utilizando utensilios (duyas, pinceles para fondat, rodillos para fondat, aerógrafos,
ect.) cuya principal limitante es la habilidad y experiencia que la persona posea; sin embargo, el
problema comienza cuando el proceso se vuelve monótono lo cual produce desgaste f́ısico y/o mental.
Con el prototipo planteado se pretende automatizar el proceso; la idea es que se aproveche el
tiempo que normalmente se dedica a esta labor en realizar otras actividades.
Alcances
Este prototipo está orientado para el servicio en pequeñas pasteleŕıas donde el volumen de
producción de la máquina no tiene que ser grande, además el tiempo que tarde en decorar un pastel
está determinado por la complejidad de la imagen que se desee producir.
Tomando en cuenta que al hornear un pan intervienen muchos factores como los ingredientes,
la temperatura, la altura sobre el nivel del mar, que son dif́ıciles de estandarizar y controlar, es
imposible obtener pasteles con las mismas caracteŕısticas de forma y tamaño, aun usando el mismo
molde. Por lo anterior se requerirá que el usuario compense (corte) las deformaciones del pan de tal
manera que la superficie y la base queden lo más planas posibles para poder pasar al proceso de
decorado. Un sistema posicionador independiente al robot cartesiano colocará el embetunador en el
lugar correcto.
Requisitos de desempeño
El prototipo podrá plasmar diseños sobre el pastel elegidos por el usuario que consten de con-
tornos sencillos cerrados o abiertos; ello implica que los bordes no deben cruzarse. Para el trazo
de figuras y mensajes más estilizados se contarán con diseños previamente definidos que el usuario
podrá seleccionar mediante la interfaz gráfica. Las dimensiones máximas deseables del sistema no
deben exceder 90 cm×90 cm×90 cm. De acuerdo con la norma NOM-120-SSA1-1994 Prácticas de
higiene y sanidad para el proceso de alimentos, los contenedores de crema chantilly y las boquillas
del sistema de inyección (duyas) deben ser de materiales de grado alimenticio, por esta razón se
utilizará el acero inoxidable 304, aluminio y nylamit grado alimenticio.
El sistema posicionador estará basado en un robot cartesiano que no presenta singularidades; lo
que permite establecer un control de posición y velocidad de forma sencilla sin tener que evitar o
24 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
hacer consideraciones adicionales en ninguna posición dentro del espacio de trabajo.
Los actuadores del posicionador serán motores a pasos de 1,8 ◦/paso para lograr una buena
resolución en el trazo de las figuras. Los circuitos lógicos y de control serán alimentados con tensiones
de 5 V a 1 A y los motores con la circuiteŕıa de potencia serán alimentados de forma independiente
con tensiones de 24 V a 10 A. El tiempo de decoración depende de la complejidad de cada diseño
en el dibujo y de la habilidad de la persona; es por esta razón que es dif́ıcil establecer un tiempo
espećıfico de operación; sin embargo, éste generalmente oscila entre los 10 min y 40 minutos, por lo
que el robot deberá alcanzar mı́nimo esos tiempos.
Requisitos de manufactura
El prototipo necesitará el maquinado de varias piezas que conformarán al sistema mecánico que
produzcan el movimiento de un robot cartesiano y de los mecanismos de inyección. Se usarán coples
que se adapten a los ejes de motores, elementos con rosca y gran variedad de piezas para integrar
todos los sistemas. Por lo que es necesario el torno para realizar muchas de ellas y el CNC.
Por otro lado se hace necesario el diseño de una estructura de soporte que permita la operación
de las distintas aéreas funcionales a una cierta altura, como lo seŕıa el robot cartesiano. El ensamblaje
debe ser lo más sencillo posible, evitando el uso de muchos elementos desde el diseño, para que no
lleve mucho tiempo armarlo. Lo ideal seŕıa que, el diseño sea por bloques y sólo se requiera de
conexiones eléctricas, neumáticas y la colocación de las piezas que contengan la materia prima, al
ensamblarse en un espacio definido para su instalación.
Estándares de aceptación
El prototipo debe contar con los mı́nimos requerimientos de higiene, esto porque se está tra-
bajando con un producto que es de consumo humano; por loque los materiales deben de tener
cierto grado alimenticio para que no afecte la integridad de las personas. Por lo menos los elementos
que están en contacto directo con la materia prima (chantilly) deben contar con las caracteŕısti-
cas descritas anteriormente, refiriéndose con ello al sistema de inyección (émbolos, mangueras y
contenedores).
Deberán realizarse pruebas para verificar que el sistema de inyección aproveche lo mas que se
pueda la materia prima, aśı como para asegurar que en el proceso de embetunado dosifique el
chantilly suficiente y lo extienda uniformemente sobre toda la superficie. Se tendrá que caracterizar
el sistema de inyección de todos los subsistemas, cuidando que el llenado no sobrepase la capacidad
del inyector y que la materia prima se distribuya correctamente en el recipiente. Es indispensable
realizar pruebas con los actuadores y regular la velocidad de llenado para que este se haga de la
forma más rápida posible pero de manera controlada.
Otro aspecto importante es el sellado de los inyectores. Si hay fugas de chantilly en lo que se
realiza el llenado, es probable que éste entre en contacto directo con elementos no manufacturados
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CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
con materiales de grado alimenticio y llegar a contaminarse. Por otro lado el material desviado
reducirá el nivel del contenedor, afectando la medida que ya se teńıa programada.
Esta descompensación se hará acumulativa cada vez que se necesite más material y tenga que
llenarse el inyector de nuevo, es por eso que un sellado justo, es vital por lo menos para las funciones
de decorado de bordes y trazado de contornos de figuras, por lo que deben hacerse muchas pruebas
para evitar que este problema se presente para cuidar la calidad del decorado.
Disposición
Existe el riesgo de que los requerimientos de higiene necesarios no se cumplan óptimamente, el
diseño estará pensado para alcanzar un nivel de funcionalidad, mas no alcanzar un producto que se
venderá a futuro, debido a que se trata de únicamente de un prototipo.
Los materiales de grado alimenticio estandarizados que exige la norma, serán sustituidos por
materiales de uso común con cierto nivel de higiene o bien suplantados por materiales de reúso
diseñados originalmente para otras actividades.
Requisitos operacionales
El equipo deberá instalarse en lugares con alimentación eléctrica, el usuario tiene que contar con
una computadora en donde pueda ejecutar la interfaz gráfica.
La superficie del pastel debe ser plana, esto tendrá que realizarse previamente por el usuario,
de igual modo, el llenado inicial de los contenedores debe hacerse por el operador antes de iniciar
el proceso.
Para el decorado, el usuario podra cargar una imagen de la biblioteca, para la decoración de los
bordes, podrá usar los patrones prediseñados incluidos en la interfaz.
El mecanismo de inyección aśı como los contenedores deben ser desmontables, para su limpieza
y para su llenado, en el caso de los contenedores.
El diseño contemplará el fácil mantenimiento del equipo, esto implica aparte de poder desacoplar
los inyectores o quitar los contenedores; retirar las mangueras de llenado, para su limpieza después
de terminado el proceso; para su mantenimiento o sustitución. Cada elemento o pieza mecánica
sujeto a mayor desgaste, podrá desmontarse para poder remplazarse por uno nuevo en caso de
aveŕıa.
26 “La Técnica al Servicio de la Patria” UPIITA-IPN
CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
4.2. Análisis funcional
4.2.1. Árbol de funciones
Figura 4.1: Áreas funcionales del prototipo.
En esta etapa, se identifican cada una de las funciones que debe de realizar el prototipo; para ello
se escogió la metodoloǵıa de árbol de funciones; pues con ello se parte de la función principal y es
más sencillo de estructurar y visualizar cada una de las tareas o sub funciones que el prototipo debe
realizar; este diagrama permite conocer las distintas problemáticas a enfrentar. Además, presenta
la ventaja de que es más sencillo de entender cuando se le de a conocer a otra persona y a partir de
éste es más sencillo de exponer de qué se trata el proyecto y qué es lo que se desea lograr a grandes
rasgos.
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CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
4.3. Análisis morfológico
Como herramienta para ampliar el campo de alternativas para la resolución de cada una de las
tareas presentadas en el árbol de funciones, se ha desarrollado el análisis morfológico en forma de
cuadro. Para cada una de las funciones se propuso un número finito de soluciones; todas ellas surgen
como alternativas que cada integrante planteó en base a su criterio en cuanto a la opción más viable
de resolver el problema y experiencia de proyectos anteriores.
De las propuestas se optó por utilizar motores a pasos debido a que su control es más sencillo
ya que se puede trabajar en lazo abierto y para conocer la posición únicamente se necesita de la
resolución; a diferencia de un motor de CD donde forzosamente se necesita de un sensor (encoder)
para retroalimentar el sistema. Se escogió trabajar en lenguaje de programación C debido a la
experiencia que se tiene programando en este lenguaje y a que el uso de software no libre (por
ejemplo MATLAB R⃝) elevaŕıa los costos al requerir de una licencia para su uso.
Tabla 4.1: Funciones y alternativas de solución.
Funciones Principios de solución o subsistemas f́ısicos posibles
Saber si hay pastel Sensores capacitivos Limit switch Celda de carga
Inyectar chantilly Sistema neumático Tornillo - motor
Rotar el pastel Motor de CD Motor a pasos
Distribuir uniformemente el
chantilly
Espátulas independientes Espátula en “L”
Conocer si el embetunado ha
terminado
Lectura de encoder Número de pasos
Leer imagen Sistema embebido Interfaz en la computadora
Procesamiento de imagen
Programar algoritmo en
lenguaje C
Programar en
MATLAB R⃝
Programar en
BASIC
Trazar trayectorias Robot cartesiano Robot scara
Conocer si el trazo de contor-
nos ha concluido
Comunicación de la inter-
faz con la unidad de con-
trol
4.4. Formas para diseño propuestas
En teoŕıa, con un algoritmo de programación como la regla de la cadena se podŕıan dibujar todos
los puntos o pixeles de una imagen, sin embargo, el tamaño de la duya tendŕıa que ser muy pequeño
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CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
para tener una resolución adecuada y realizar trazos con detalles muy finos sobre el pastel. Por otro
lado, si la imagen está formada por varias trayectorias cada que se levante la duya existe el riesgo
de manchar el pastel, problema que los reposteros pueden solucionar modificando la figura original
pero en el prototipo esto no es posible, aśı que, el bakerbot está limitado a realizar trayectorias
de formas simples no cerradas y formas simples cerradas, según la clasificación que se muestra en
la Figura 4.2, además de que la generación de texto está limitada a las imágenes precargadas con
trayectorias ya programadas.
Figura 4.2: Formas.
Figura 4.3: Contornos que se podŕıan realizar (der). Contornos que no se podŕıan trazar (izq).
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CAPÍTULO 4. ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO
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Caṕıtulo 5
Propuestas y selección de diseño
conceptual
5.1. Propuestas de diseño para el trazo de dibujos
Para desempeñar la tarea de grabar los contornos en crema chantilly de la figura escogida por
el usuario sobre el pastel se ha optado por construir un robot cartesiano tipo CNC; cabe mencionar
que éste debe de poseer tres grados de libertad para hacer los trazos en el plano de la cara superior
y hacer la compensación en el eje vertical en caso de que se presenten variaciones en las alturas de
los pasteles:
Figura 5.1: Bosquejos en CAD del robot cartesiano decorador de pasteles.
31
CAPÍTULO 5. PROPUESTAS