7 8 yahir de jesus mariaca beltran - sergio reyes galindo

S.E.P. S.E.I.T D.G.I.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
TECNOLÓGICO
cenidet
“REDISEÑO DE UNA IMPRESORA DE SERIGRAFÍA”
T E S I S QUE
PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN
CIENCIAS EN INGENIERÍA
MECATRÓNICA P R E S E N T A N :
ING. YAHIR DE JESUS MARIACA BELTRÁN
ING. SERGIO REYES GALINDO A
ASESOR: DR. JOSÉ MARÍA RODRÍGUEZ LELIS
CUERNAVACA, MORELOS JUNIO DEL 2004

Dedicatoria
A Mis Padres
Eulogio Reyes Sánchez
Sofía Galindo Herrera
Por Haber Ayudado A Lograr Esta Meta
A Mi Esposa
Deyanira Jazmín Rodríguez Hernández
Que Siempre Esta Junto A Mí Cuando La Necesito
A Mi Hija
Sofía Jimena Reyes Rodríguez
Que Es Mi Alegría Más Grande
A Mis Hermanas
Laura, Areli, Amelia Y Edith
Para Que Este Sea Una Motivación Para
Seguir Adelante
A Mis Abuelitos Y A Mis Tíos
Por Haberme Dado Su Cariño
GRACIAS
SERGIO REYES GALINDO

Agradecimientos
Al Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica (Cosnet) y
a la Secretaria de educación Publica por el apoyo económico que recibí.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(Cenidet) por la formación académica que me fue otorgada a través de
sus profesores.
Al Dr. José Maria Rodríguez Lelis por brindarme su amistad y
haberme aconsejado a lo largo de este trabajo. Gracia por confiar en
nosotros cuando lo necesitamos y quitarnos un vampiro de encima.
Al M. en C. Jorge Colín Ocampo por la amistad y los consejos
brindados.
A Manuel, Alejandro, Raúl, Yahir, Alfredo, Sosimo, Lalo, Navarro,
Arturo, Wadi, Jaime, Mario, Miriam. A todos ustedes gracias por los
momentos de relajo, que hizo la estancia menos pesada
A mis suegros por preocuparse y estar al pendiente de mi familia
cuando lo necesite.
A la maestra Claudia Cortés, al maestro Jorge Bedolla y al Dr. Marco
Antonio Oliver, que ayudaron a mejorar nuestro esfuerzo.
A todos los que confiaron en mi, espero no defraudarlos.
GRACIAS
SERGIO REYES GALINDO

Dedicatorias
A mis padres:
Por su dedicación y apoyo
incondicional en todos los
momentos de mi vida, y
porque con su ejemplo me
han enseñado a superarme y
hacer de mí un hombre de
bien. No tengo palabras
para expresarles mi
agradecimiento, les dedico
este y cada uno de mis
logros.
A mis hermanos:
Rocío, Israel y Esbeydy…
Por su cariño, porque todo
lo que significa compartir
una vida juntos.
A toda mi familia:
Que siempre me ha apoyado
y confiado en mí.
Para ti:
Jessica
Porque a tu lado entendí
cuan valiosa es una mujer
en la vida de un hombre.
Yahir

Agradecimientos
• Al COSNET y a la SEP por el apoyo económico brindado durante la
realización de esta tesis. Y al centro nacional de investigación y desarrollo
tecnológico (Cenidet), por la disponibilidad brindada para la culminación
de este trabajo.
• A mi asesor, Dr. José María Rodríguez Lelis, por su acertada orientación
durante el desarrollo de este trabajo. Gracias por brindarme su confianza y
sobre todo su amistad.
• Al honorable jurado revisor de este trabajo, M. C. Claudia Cortés García, M.
C. Jorge Bedolla Hernández, Dr. Marco Antonio Oliver Salazar, por sus
atinadas críticas para mejorarlo.
• A todos los maestros de Cenidet por compartir sus conocimientos.
• A mis amigos de siempre: Sergio Reyes, Agustín Hernández, Manuel
Nandayapa, Raúl Ñeco, Salomón Abdalá, José Navarro, Arturo Abundes,
Mario Ruiz, Miriam Flores, Eduardo Ramírez, Jorge Colín y a todos los
compañeros y amigos que no escribo sus nombres por temor a omitir
alguno, que compartieron conmigo esta experiencia.
• Finalmente, gracias a Dios porque además de permitirme vivir, me muestra
cada día su infinita bondad.
Yahir

Resumen
En este trabajo se presenta el diseño de una máquina semiautomática para impresión
serigráfica, en los modos de operación de plano y redondo. El formato de impresión es de
50 X 100 cm. y opera con motores de CD de imán permanente. El control de velocidad se
realiza a través de variación de voltaje en el devanado de armadura. El diseño mecánico es
robusto, económico y ergonómico, las curvas de operación muestran que se pueden realizar
impresiones en el intervalo de 0.668 a 4.588 segundos por ciclo. Se presentan diagramas,
planos, cálculos y programas desarrollados, lo que puede permitir su industrialización.
Abstract
In this work we presented the semiautomatic machine design for serigraphic printing,
in round and flat mode operation. The dimension printing format is 50 X 100 cm. and
works with permanent magnet CD motors. The velocity control is carried trough variation
voltage to the armature winding. The mechanical design is robust, economic and
ergonomic. The operation curves show that it is possible to print a 0.668 to 4.58 second per
cycle period. We presented diagrams, calculations and developed programs, making
possible their manufacture.

ÍNDICE
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ...............................................................1
CAPÍTULO II BREVE HISTORIA DE LA SERIGRAFÍA......................4
CAPÍTULO III DISEÑO MECÁNICO DE LA
MÁQUINA DE SERIGRAFÍA ......................................17
3.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................... 17
3.2 CRITERIOS DE DISEÑO................................................................................... 17
3.3 DESCRIPCIÓN GENERAL................................................................................ 25
3.4 CÁLCULO DE FUERZAS Y MOMENTOS DE LA MÁQUINA..................... 28
3.4.1 Cálculo del momento total en los tornillos del bastidor 1............................ 28
3.4.2 Cálculo del diámetro de los tornillos del bastidor 2..................................... 31
3.4.3 Cálculo del momento total en los tornillos de la mesa corrediza................. 35
3.4.4 Cálculo del diámetro de los tornillos del dispositivo de impresión en cilíndrico
(DPC) .................................................................................................................... 38
CAPÍTULO IV CONTROL ELECTRÓNICO.........................................42
4.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................... 42
4.2 SISTEMA ELECTRÓNICO................................................................................ 42
A) BLOQUE DE SENSORES.............................................................................. 43
B) BLOQUE DE CONTROL ............................................................................... 45
C) BLOQUE DE INTERFACES.......................................................................... 48
D) BLOQUE DE ACTUADORES ....................................................................... 50
4.3 FASES DE DISEÑO DE CONTROL ................................................................. 55
CAPÍTULO V PRUEBAS Y AJUSTES ..................................................63
5.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................... 63
5.2 ELEMENTOS Y DESCRIPCIÓN DE LA SECUENCIA................................... 63
5.2.1 IMPRESIÓN EN PLANO............................................................................ 66
5.2.2 IMPRESIÓN EN REDONDO ..................................................................... 67
CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS..............71
6.1 CONCLUSIONES............................................................................................... 71
6.2 TRABAJOS FUTUROS...................................................................................... 73
REFERENCIAS..........................................................................................74
APÉNDICES...............................................................................................75

II
LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO II
Figura 2.1 Proceso de impresión serigráfica manual........................................................ 4
Figura 2.2 Línea cronológica de la serigrafía................................................................... 5
Figura 2.3 Mesa tipo libro y pantalla de impresión.......................................................... 6
Figura 2.4 Máquina plana manual serigráfica .................................................................. 7
Figura 2.5 Corte transversal de una mesa de succión....................................................... 7
Figura 2.6 Portamalla de tipo ajustable ............................................................................ 8
Figura 2.7 Distancia de fuera de contacto "offset"........................................................... 8
Figura 2.8 Dispositivo de impresión serigráfica manual de amplio formato. .................. 9
Figura 2.9 Máquina de serigrafía neumática de diseño rudimentario. ........................... 12
Figura 2.10 Impresora serigráfica de elevación vertical plana....................................... 13
Figura 2.11 Impresora serigráfica manual de objetos cilíndricos................................... 15
Figura 2.12 Impresora para discos compactos modelo TIC SF2-220. ........................... 16
CAPÍTULO III
Figura 3.1 Impresora industrial de objetos planos modelo No. PM-S5585 [9].............. 18
Figura 3.2 Cabezal de la máquina serigráfica modelo PM-S400M [9].......................... 19
Figura 3.3 Impresora industrial de objetos planos No. PM-24565 [9]........................... 19
Figura 3.6 Impresora industrial de objetos redondos modelo No. PM-S400R1 [9]....... 22
Figura 3.7 Diseño general de la máquina de serigrafía en modo de impresión en plano25
Figura 3.8 Diseño general de la máquina de serigrafía en modo de impresión en cilíndrico
............................................................................................................................... 27
Figura 3.9 Distribución de los tornillos del bastidor 1. .................................................. 28
Figura 3.10 Esquema y nomenclatura del bastidor 1. .................................................... 29
Figura 3.11 Distribución de los tornillos del bastidor 2. ................................................ 31
Figura 3.12 Esquema y nomenclatura del bastidor 2. .................................................... 32
Figura 3.13 Distribución de los tornillos de la mesa corrediza. ..................................... 35
Figura 3.14 Esquema y nomenclatura de la mesa corrediza........................................... 36
Figura 3.15 Distribución de los tornillos del DPC ......................................................... 38
Figura 3.16 Esquema y nomenclatura del DPC.............................................................. 39
CAPÍTULO IV
Figura 4.1 Arreglo de bloques del sistema electrónico .................................................. 42
Figura 4.2 Estructura básica de una interfaz................................................................... 48
Figura 4.3 Clasificación de los motores de imán permanente........................................ 52
Figura 4.4 Fases de proyecto de un sistema de control .................................................. 56
Figura 4.5 Sensores de proximidad acondicionadas para PLC ...................................... 58

III
Figura 4.6 Diagrama de flujo para la construcción del programa .................................. 60
Figura 4.7 Interfaz de entrada realizada con optoacopladores ....................................... 61
Figura 4.8 Interfaz de salida realizada con optoacopladores.......................................... 61
Figura 4.9 Sistema de interfaz de entrada-salida y PLC................................................. 62
CAPÍTULO V
Figura 5.1 a) Vistalateral de los componentes de la maquina de serigrafia, b) Estación de
botones. ................................................................................................................. 64
Figura 5.2 Espejos reflejantes para el carro de impresión.............................................. 65
Figura 5.3 Espejos reflejantes para el carro de portamallas ........................................... 66
Figura 5.4 Curva de Voltaje-Velocidad de los motores ................................................. 69
Figura 5.5 Curvas de Presión-Tiempo para los motores ................................................ 70
LISTA DE TABLAS
CAPÍTULO III
Tabla 3.1 Tabla de selección de tejido ........................................................................... 20
Tabla 3.2 Características de maquinas serigráficas industriales..................................... 22
Tabla 3.3 Criterios generales de diseño.......................................................................... 23
Tabla 3.4 Especificaciones de la maquina de serigrafía................................................. 24
CAPÍTULO IV
Tabla 4.1 Clasificación de sensores según la magnitud física....................................... 44
Tabla 4.2 Criterios de selección de sensores de proximidad.......................................... 45
Tabla 4.3 Comparación entre diferentes tipos de unidad de control .............................. 47
Tabla 4.4 Tipos y funciones de las interfaces de entrada y salida.................................. 49
Tabla 4.5 Ventajas y desventajas de los motores eléctricos........................................... 54
Tabla 4.6 Comparación entre actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos............. 57

IV
NOMENCLATURA
Letras latinas
wb1 Peso del bastidor 1
mb1 Masa del bastidor 1
g Gravedad
Fb1 Carga total del bastidor 1
Mob1 Momento en el bastidor 1
db1 Distancia del bastidor 1 al punto de apoyo
MoT Momento en cada tornillo
FT Fuerza que soporta cada tornillo
MoTOT Momento que soporta el total de tornillos
NT Número de tornillos
wb2 Peso del bastidor 2
mb2 Masa del bastidor 2
Fp Fuerza del pistón
Fb2 Fuerza del bastidor 2
F1b2 Carga del bastidor 2
d1b2 Distancia del bastidor 2 al punto de apoyo
F2b2 Fuerza de fijación en los tornillos del
bastidor 2
d2b2 Distancia entre tornillos del bastidor 2
FS Factor de seguridad
A Área de la sección transversal del tornillo
d Diámetro del tornillo
wm Peso del la mesa corrediza
mm Masa de la mesa corrediza
Fm Carga total de la mesa corrediza
Mom Momento en la mesa corrediza
dm Distancia de la mesa corrediza al punto de
apoyo
DPC Device Printer Cilindrical, (Dispositivo de
impresión en cilíndrico)
wDPC Peso del DPC
mDPC Masa del DPC
FDPC Fuerza total del DPC
F1DPC Carga del DPC
d1DPC Distancia del DPC al punto de apoyo
F2DPC Fuerza de fijación del tornillo al DPC
d2DPC Distancia entre los tornillos del DPC
PWM Pulse Width Modulation (Modulacion de
ancho de pulsos)
PLC Programer Logic Controler (Controlador

V
Lógico Programable)
DSP Digital Signal Processing (Procesamiento
Digital de Señales)
FS Fuerza de Salida
FE Fuerza de Entrada
K Coeficiente de Carga
P Presión
SE Sección del Embolo
SV Sección del Vástago
A/D Analógico – Digital
D/A Digital – Analógico
L-C Inductivo – Capacitivo
Letras griegas
σT Esfuerzo a la tensión
σy(max.) Máximo esfuerzo a la tensión

CAPÍTULO I
1.1 INTRODUCCIÓN
El diseño mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica:
máquinas, aparatos, estructuras, dispositivos e instrumentos. En su mayor parte el diseño
mecánico hace uso de las matemáticas, la ciencia de los materiales y la mecánica aplicada
[1]. Es en la industria, ya sea de transformación o extractiva y en ocasiones en servicios,
donde se requiere del diseño de maquinaria de propósito particular y donde existen el
mayor número de oportunidades para su desarrollo.
El manejo y transferencia de información por medios impresos, ha dado lugar a una
serie de tecnologías que permiten producir grandes volúmenes de material impreso. En
particular, se encuentra la serigrafía. Este proceso tiene un amplio margen de operación en
cuanto a formatos de impresión, velocidades, definición, etc. [2]. Por esto, las máquinas de
impresión serigráficas son susceptibles de ser modificadas constantemente, generando la
necesidad de personal y metodologías que permitan realizar estas modificaciones. En
México, esta capacidad es muy difícil de encontrar y en la mayoría de los casos, el rediseño
se lleva de forma empírica.
Las máquinas que actualmente se encuentran en el mercado, de impresión gráfica,
son capaces de producir grandes volúmenes de impresiones en un lapso corto de tiempo.
Además, estas se encuentran sujetas a esfuerzos repetitivos, por lo que su manufactura se
realiza con materiales resistentes. Esta condición y la calidad de impresión que se
requiere, elevan sus costos [3]. Por otro lado, la máquinas desarrolladas de forma empírica,

2
aunque más económicas, por lo general de un diseño rústico, se manufacturan con amplios
márgenes de error y desajuste.
Otra situación importante que se puede observar tanto en diseño de alta tecnología,
como en aquellos empíricos, es que los formatos de impresión se restringen a superficies
planas solamente, o a superficies cilíndricas. Al conocimiento de los autores, la
combinación de ambos formatos se llega a encontrar en el mercado para tamaños menores o
iguales a un tamaño carta, y con costos excesivamente altos.
Cabe resaltar que en el mercado industrial de máquinas serigráficas, solo se pueden
adquirir impresoras de amplio formato con un solo modo de impresión y algunos
dispositivos serigráficos con ambos modos de operación, pero limitados a formatos cortos.
Por esta razón se propone desarrollar en esta tesis, el diseño y construcción de una máquina
de serigrafía, que tenga las siguientes características:
a) Modo de impresión en plano para amplio formato.
b) Modo de impresión en cilíndrico para amplio formato.
c) Cabezal de impresión, a base de accionamientos eléctricos y neumáticos.
d) Portapantallas con mallas de amplio formato.
e) Mesa de trabajo al vacío y soporte para objetos cilíndricos.
La unificación e implementación de las características antes mencionadas, nos
garantiza un prototipo que cubra la necesidad de imprimir en ambas geometrías para
formatos amplios, en un solo dispositivo serigráfico. Y así obtener una máquina de diseño
mecatrónico capaz de imprimir en ambos modos, con base a una rápida conversión sobre el
sistema mecánico y programa de control.
En el capítulo 1 y 2 de la presente tesis, se realizó la introducción y narración de la historia
de la serigrafía, así como la descripción del proceso de impresión y el desarrollo
tecnológico que ha sufrido hasta nuestros días esta técnica de impresión.

3
En el capitulo 3, se describen los criterios de diseño que se tomaron en cuenta para la
construcción del diseño mecánico, así como las características principales de las máquinas
comerciales, en este capítulo también se incluyen las especificaciones del diseño final, la
descripción de las partes principales que la componen y el cálculo de tornillos de sujeción
de las partes principales de la máquina.
El capitulo 4, describe principalmente, el diseño del sistema electrónico de la máquina, esto
incluye a su vez, la descripción de la interfaz del circuito lógico programable (PLC), los
motores, sensores y la electroválvula. Así como la descripción del control y desarrollo de la
programación del PLC.
El capitulo 5 se describen las pruebas que se realizaron a la máquina de serigrafía, que son
los parámetros que caracterizan los niveles de operación. También se describe la secuencia
de los movimientos, para ambos modos de impresión, y además las consideraciones que se
requieren para imprimir, en cada una de las geometrías.
El capitulo 6, describe las conclusiones de la presente tesis, así como los problemas
que se presentaron durante el diseño y puesta en marcha del prototipo. Se presentan
también los rediseños que se realizaron, para resolver las fallas en los puntos críticos del
sistema, y se finaliza con los trabajos a futuro que se pueden realizar para enriquecer el
presente proyecto de tesis.

CAPÍTULO II
2.1 BREVE HISTORIA DE LA SERIGRAFÍA
La serigrafía como su definición indica, es una técnica de impresión, que consiste en
el paso de la tinta por medio de un rasero, a través de una plantilla que sirve de película o
esténcil, unida a una malla tensa en un bastidor. Esta técnica por lo tanto involucra ciertos
procesos y conceptos, que son descritos de manera general en apéndice A de la presente
tesis.
La serigrafía no es un método de impresión reciente; básicamente, los primeros
indicios de ésta datan del año 1000 a. C., en las cavernas de los Pirineos entre España y
Francia, donde se observan más de 200 impresiones de una mano apoyada sobre rocas. A
partir de esta fecha la serigrafía tiene eventos importantes a través de la historia, eventos
que se muestran en la figura 2.2. En esta figura se establece la línea cronológica de la
evolución de este proceso de impresión a través de la historia. [4]
En los años 20s, el proceso de impresión serigráfico se desarrolla industrialmente,
gracias a la invención del esténcil fotográfico y la introducción de prensas manuales en la
industria textil. El operador aplicaba directamente la presión sobre el rasero, pantalla y
material a imprimir, después de realizar cientos de impresiones en un prolongado tiempo, el
proceso resultaba muy cansado y monótono. Este proceso de impresión se muestra en la
figura 2.1.
Figura 2.1 Proceso de impresión serigráfica manual.

Línea cronológica de la Serigrafía
-1000
500
1071
1300
1700
1800
1891 1906 1907 1911 1914 1916 1920 1923 1925 1930 1939 1940 1948 1950 1951 1960 1980 1995 1998 1999
Acontecimientos históricos
Año
Figura 2.2 Línea cronológica de la serigrafía
Acontecimientos históricos
más relevantes en la historia de la serigrafía
Año -1000, en las cavernas de los pirineos entre España y Francia, se
imprimen 200 imágenes negativas de una mano sobre las rocas [4].
Año 500, En China en las cavernas de Tun Huang se imprimen con
plantillas de papel y tinta china, imágenes de Buda de 20m de
longitud [4].
Año 1300, En Japón se crean pantallas de papel arroz y cabellos
humanos, posteriormente surgen los tejidos de seda y los marcos de
Bambú [4].
Año 1800, En Francia e Inglaterra se incorporó el uso de esténciles y
se crea el primer proceso moderno de impresión [5].
Año 1907, Samuel Simón de Manchester Inglaterra, obtiene la primer
patente serigráfica al utilizar un líquido aislante para formar esténciles
[4].
Año 1914, John Pilsworth de Estados Unidos, inventa el método
serigráfico Selecta Sine, para imprimir en varios colores [6].
Año 1916, La serigrafía se desarrolla industrialmente, al descubrir la
plantilla fotográfica que logró formar esténciles de mejor calidad [4].
Año 1925, La serigrafía se mecaniza a base de prensas planas y poco
después Mr. Autremont de Ohio E. U., inventa la película de recorte,
que agiliza la elaboración de esténciles para lograr la invención del
sistema Pantone de tintas [6].
Año 1940, el químico Colin Sharp, modifica y optima el esténcil
fotográfico y desarrolla el método de impresión de tipo directo [4].
Año 1960, Se inventan los tejidos serigráficos sintéticos de poliéster y
poliamidas [12].
Año 1995, se crea la Screen Printing & Graphic Imagin Association
International, al adoptar el proceso digital de impresión y diseño
serigráfico [12].

Por otro lado, la primera máquina serigráfica de uso industrial fue desarrollada por
una firma escocesa llamada McCormack durante los años 50s. Esta máquina se utilizó para
imprimir carteles publicitarios de gran tamaño, esta máquina se constituía de una mesa
estacionaria de “tipo libro”, de una pantalla de malla sintética y un rasero. El rasero era
muy grande, incómodo y cansado para el operador de la máquina. Algunas de estas
máquinas se diseñaron específicamente para la impresión de botes de leche y botellas de la
Coca Cola Company, donde se utilizó esmalte cerámico para fusionarlo con el vidrio [6].
La figura 2.3 presenta el dibujo de conjunto de la mesa serigráfica tipo libro y
pantalla de impresión, la mesa de “tipo libro” consta básicamente de una base y marco de
madera sujetos entre sí por unas bisagras metálicas. El portamallas está compuesto de un
perfil “tipo C” con un par de tornillos de sujeción. La pantalla serigráfica que se encuentra
fija al portamallas por 2 tornillos, está compuesta por un marco de madera y una malla
sintética tensa, engrapada firmemente a lo largo del marco.
Fig. 2.3a Fig. 2.3b
Figura 2.3 Mesa tipo libro y pantalla de impresión.
Las primeras prensas de serigrafía se componían de una mesa lisa, donde se acoplaba
un soporte de madera y se sujetaba al marco por medio de bisagras, estas mesas también de
tipo libro, se empleaban para la impresión manual y son el origen de las máquinas de
impresión que se utilizan hoy en día. Para los años 60s, las máquinas mas usadas eran las
de tipo libro y se les denominaban maquinas planas, esta denominación se les dio a causa
de sus características geométricas, las cuales se muestran en la figura 2.4

7
Figura 2.4 Máquina plana manual serigráfica
En la máquina de impresión plana, la base de impresión, se construía de algún
material rígido, tratando de mantener la superficie totalmente plana, para cuidar
deformaciones que afectaran la impresión. En la mesa de impresión, los materiales que se
utilizaron para su ensamble se constituían básicamente de plásticos principalmente de
aluminio y acero. Principalmente en estas máquinas, la sujeción del objeto a imprimir se
logra base de succión por vacío.
Se muestra un corte transversal de una mesa de succión en funcionamiento, en la
figura 2.5. Aquí el material a imprimir permanece fijo por la succión que se genera por una
bomba que extrae el aire a través de los orificios de la mesa.
Figura 2.5 Corte transversal de una mesa de succión

8
El sistema para ajustar la distancia entre el tablero y la pantalla se conoce como
husillo. El ajuste es crítico durante la impresión y en las máquinas manuales el ajuste se
realiza con topes [7]. En la figura 2.6 muestra, se aprecia un portamallas de tipo ajustable,
capaz de soportar pantallas de diferentes tamaños.
Figura 2.6 Portamalla de tipo ajustable
En la figura 2.7 se muestra la distancia entre la malla y el material a imprimir, o
distancia fuera de contacto u “offset”. Esta distancia permite que el material no la toque
antes de efectuar la impresión y para que la malla tensa se separe inmediatamente después,
del paso del rasero de impresión.
Figura 2.7 Distancia de fuera de contacto "offset"
En el año de 1961 se inventan los tejidos serigráficos sintéticos de poliéster, que
introducen la aplicación masiva multipantalla, en la impresión serigráfica de varios colores.
Ésta técnica basa su funcionamiento en la impresión multipantalla, donde el número de
colores a imprimir es el mismo número de pantallas que se requieren en el proceso; para
ello se necesita de un “set point” o registro para posicionamiento de estas, que ayude a

9
mantener la pantalla en su lugar, cada vez que se requiera aplicar un color de tinta sobre el
material a imprimir.
A su vez se desarrollaron dos tipos de ajuste de registro:
1. El primero y más usual es el compuesto por un dispositivo mecánico para ajuste del
tablero de la mesa, que permite que se mueva en cuatro direcciones de lado a lado y
de adelante a atrás, y se sujeta a base de seguros mecánicos, evitando así cualquier
movimiento de la pantalla.
2. El segundo método y que menos se utiliza por su amplio rango de error, es el ajuste
directo de la pantalla, que se logra con varios movimientos manuales al marco y se
mueve igualmente en cuatro direcciones diferentes.
Las máquinas serigráficas de impresión manual de los años 60s, es normal que tengan
una regleta o “rasero” de un sólo brazo, esto facilitaba que el operador imprimiera áreas
muy grandes con una simple pasada. La regleta se fijaba al brazo soporte por medio de
tornillos y el brazo corría a lo largo de la pantalla. El brazo de la regleta tenía un contrapeso
que se empleaba para levantar el brazo cuando se finalizaba la impresión y también para
que efectuara una buena extensión de tinta con una pequeña presión. La figura 2.8 muestra
una fotografía donde se aprecia un rasero de gran tamaño, para imprimir manualmente
imágenes de amplio formato, en una sola pasada de la regleta.
Figura 2.8 Dispositivo de impresión serigráfica manual de amplio formato.

10
Hoy en día existen tableros verticales que sustituyen a los de tipo libro, para evitar
que la tinta resbale por la pantalla una vez que se eleva. En estos tableros la pantalla se
eleva en posición vertical por medio de cadenas mecánicas en los cuatro puntos del marco,
se asegura la distancia de despegue en cada operación así como la colocación de la pantalla.
Este tipo de máquinas se emplea en la producción de grandes formatos, donde se requiere
evitar que la tinta resbale al levantarse la pantalla y quede el sobrante en los márgenes
laterales del marco, esto impide que la tinta se recoja en cada impresión realizada y
provoque la interrupción del ciclo, posteriormente sólo hay que añadir más tinta cuando se
requiera [14].
Las primeras máquinas de los años 50s eran sencillas, pero gracias al rediseño que
sufren constantemente por motivo de la alta demanda de impresión en nuevos materiales,
las máquinas serigráficas fueron evolucionando a una forma más compleja. Aunque es
imposible describir todas las innovaciones de todas las máquinas, la mayoría consta de las
siguientes características:
• Un marco de “acción de libro”.
• Una elevación vertical plana.
• Una prensa cilíndrica.
• Impresión en redondo.
• Pantallas rotatorias.
• Impresión multicolor.
A principios de los años 50s se desarrolló el diseño de “marco de acción de libro”,
este diseño está basado en máquinas serigráficas manuales mecanizadas. En este tipo, la
pantalla se levanta y se sitúa por medio de un mecanismo sincronizado, con una regleta que
se conduce mecánicamente y un carro para la conducción del rasero. En la mayoría de las
máquinas de este tipo, la tinta vuelve a su posición de pre-impresión, por una guía

11
mecánica. La regleta o aplicador se coloca detrás del rasero. El ángulo y la presión de la
regleta y rasero deben ser iguales, para efectuar una perfecta uniformidad de la tinta sobre
la pantalla y así realizar una buena impresión.
Un diseño de tipo acción de libro, se presenta en la figura 2.9 de una máquina
serigráfica de diseño rudimentario, que cuenta con mecanismos neumáticos de elevación de
pantalla y movimientos del rasero. En esta máquina la guía mecánica está dada por la
carrera del mismo vástago del pistón.
El inicio de la impresión comienza con la pantalla desplazada a la izquierda del
cabezal, para que la mesa de absorción quede a la vista y con tres topes o guías para la
colocación del material a imprimir. La pantalla se sitúa sobre el material a imprimir y
desciende al mismo tiempo que el rasero comienza a realizar la impresión, de este modo se
fuerza a la tinta al paso por la malla.
Cuando termina el ciclo, vuelve a elevarse y la regleta cubre la pantalla de tinta
mientras asciende, esto mantiene fresca la imagen a imprimir y queda preparada para el
próximo ciclo. Una vez seco el material impreso, se sitúa el siguiente y comienza de nuevo
el ciclo.
Estas máquinas son conocidas como máquinas semiautomáticas, donde la acción de
la pantalla y la impresión están mecanizadas, pero el material a imprimir se coloca
manualmente.
Hay máquinas ¾ semiautomáticas, donde la operación de colocar papel se realiza
manualmente y el resto, como la impresión y secado del material, se realiza
mecánicamente. También las hay automáticas en su totalidad, donde desde la entrada del
material hasta su retiro, se hace mecánicamente [14].

12
Figura 2.9 Máquina de serigrafía neumática de diseño rudimentario.
Por otro lado, 5 años después, en 1955 se implementa el sistema de “elevación
vertical plana”. Consiste de una pantalla serigráfica, que se eleva verticalmente con
respecto a la mesa, en el ciclo de impresión. El control de la tinta es más eficaz y el ciclo de
impresión es más rápido, ya que la pantalla sólo se eleva unos 3mm, para permitir la
alimentación del material a imprimir.
Las características básicas de esta máquina son similares a la anterior, porque se varía
la entrada y salida del material a imprimir. Existen dos tipos de máquinas de elevación
vertical:
1. Una de ellas es de base de impresión estacionaria, donde el material se coloca en
los soportes, la pantalla desciende y el material se arrastra por unas pinzas
mecánicas a las cintas transportadoras de secado, este sistema es tanto para
máquinas ¾ como para automáticas.
2. La segunda forma, es donde el tablero o marco se desprende de su posición inicial,
para permitir un mejor ajuste de los materiales a imprimir y así regresar a su
posición original, donde se continúa con el proceso de impresión. La figura 2.10
muestra una máquina serigráfica semiautomática de elevación vertical plana, que

13
imprime sobre objetos planos, donde se observa que los brazos mecánicos soportan
la pantalla con una mesa de impresión estática.
Figura 2.10 Impresora serigráfica de elevación vertical plana.
Una de las ventajas del sistema de registro de dos modalidades, consiste en que la
velocidad de la máquina, no está limitada por la velocidad del operador, ya que mientras se
alimenta la máquina, la secuencia de impresión se lleva a cabo y si se añadiera un
alimentador mecanizado a esta máquina, podría considerarse como automática. La
velocidad y tamaño de las máquinas varían de acuerdo a su control, ya sean ¾ o
automáticas; por ejemplo, las máquinas con áreas pequeñas de impresión son rápidas, pero
a mayor tamaño baja un poco su velocidad de operación, por tanto se fabrican máquinas de
todos los tamaños [14].
A inicios de los años 60s se inventa la “prensa cilíndrica”, que es un concepto
diferente de la prensa plana, estás máquinas están compuestas por un tambor de vacío
cilíndrico, que tiene la guía en la parte superior del cilindro. La regleta y el rasero
permanecen fijos mientras se mueve la pantalla. El agarre y ajuste del material funciona por
medio de cintas, que lo fijan en el tambor, donde se sostiene por medio de unas pinzas.
Estas lo mantienen en contacto mientras se imprime, razón por la cual el cilindro rota bajo
la pantalla y ésta a su vez se mueve a través de su ciclo de impresión, donde fuerza el rasero
y a la tinta a pasar a través de la pantalla.

14
Hoy en día estas prensas cilíndricas suelen ser totalmente automáticas, pues hacen
todo el ciclo automático, las hay con cambio de pantallas automático, aunque las más
usuales son de cambio de pantalla manual, gracias a que las pantallas tienen un mecanismo
de registro y los cambios de colores se pueden efectuar con un ajuste mínimo. Estas
máquinas dependiendo del tamaño, pueden alcanzar hasta velocidades de hasta 4.000
impresiones por hora [14].
Las máquinas de “impresión en redondo”, se introdujeron a finales de los años 60s,
gracias a la gran necesidad de imprimir sobre materiales de geometría irregular, estas
máquinas se diseñan bajo el principio de la forma cilíndrica. El cilindro de impresión se
reemplaza por el cilindro que sujeta la botella o el objeto a imprimir, el cual se soporta a la
base por sujeciones de rodillo. La acción es exactamente la misma que las máquinas de
prensa cilíndricas. La pantalla se va deslizando por encima del objeto a imprimir y éste va
rodando, mientras la regleta y rasero, que están en el interior de la pantalla, fuerzan la tinta
para su paso.
La figura 2.11 muestra una impresora serigráfica de materiales de forma cilíndrica,
que pueden ser vasos, botes e incluso hasta lápices o plumas, este tipo de impresora en
particular es de uso manual y solo imprime sobre objetos pequeños.
Hoy en día estas máquinas se fabrican en gran variedad de tamaños, para poder
imprimir desde el más pequeño objeto como puede ser un tapón o bote de perfume, hasta
tambores para líquidos más grandes. Normalmente se diseñan para ajustarse a los soportes
de los envases, lo cual permite gran variedad de tamaños y formatos específicos [14].
En los años 70s se realizó una variación del diseño de las máquinas de impresión en
redondo, y se les denominó máquinas de “pantalla rotatoria”, estas máquinas difieren de
los principios convencionales de la serigrafía. La pantalla tiene la forma de un cilindro
perforado, hecho a base de dos aros de metal ligero en sus extremos que le dan rigidez y
tensión. La regleta está hueca, permitiendo que la tinta pase directamente a través de la
pantalla, es decir, la tinta va en el interior de la pantalla con la regleta. La pantalla gira
alrededor de la base de impresión y el soporte a imprimir es forzado a través de la abertura

15
de la pantalla. Las pantallas rotatorias están hechas como las pantallas convencionales, con
mallas a diferente número de hilos por pulgadas. Las máquinas se fabrican en tamaños
standard marcando la anchura de los materiales a imprimir donde la circunferencia de la
pantalla marca la longitud de la impresión [14].
Figura 2.11 Impresora serigráfica manual de objetos cilíndricos.
En los años 80s se desarrollaron unas máquinas impresoras de serigrafía que
unificaron el método multipantalla, la acción tipo libro y la impresión a color, son las
máquinas de tipo “carrusel” algunas veces llamadas “pulpos”, están basadas en el
principio de marco con bisagras. Se diseñaron para la impresión multicolor en prendas
deportivas y camisetas.
El principio de funcionamiento consiste de una base de impresiones múltiples, que
rotan sobre un pivote central. Por encima de cada plancha se sitúa una cabeza de impresión
giratoria, esta cabeza consiste de un marco que sujeta la parte posterior de la máquina, así
mismo la regleta y el rasero se sujetan a otro mecanismo que efectúa la impresión de
adelante hacia atrás de la pantalla o viceversa. El ciclo de impresión se inicia al colocar el
material sobre la plancha plana, y se realiza la primera impresión del primer color, luego
gira la plancha que pasa debajo de la segunda pantalla para imprimir el segundo color, y así
sucesivamente hasta completar el ciclo, que puede ser de tantos colores como mesas de
impresión se tengan.

16
En la actualidad existen máquinas que automatizan este proceso de impresión,
innovando en el ámbito de velocidad y calidad de impresión. En la Figura 2.12 se presenta
una máquina impresora serigráfica semiautomática, que imprime sobre discos compactos
y posee un dispositivo de elevación vertical plano, que se utiliza para elevar la cabeza de
impresión una vez que se realizó la impresión sobre el disco; esta máquina imprime en dos
colores diferentes gracias al sistema de impresión de doble cabeza y se realimenta
manualmente de material a imprimir.
Figura 2.12 Impresora para discos compactos modelo TIC SF2-220.
Cuando todos los colores están impresos, el material se transfiere al túnel de curado,
donde se termina de secar el CD, por medio de radiaciones infrarrojas o gas. Estas
máquinas se diseñan en distintos tamaños, con diferentes números de planchas o tableros,
que normalmente van de 4 a 16 cuerpos. Pueden ser diseñadas con parámetros de
producción y trabajos específicos [14].
Hoy en día, la maquinaria de la industria serigráfica se encuentra en constante cambio y
requiere de rediseños constantes que sean capaces de satisfacer la demanda de la aparición
de nuevos materiales a imprimir. Es por esta razón que se propone en la presente tesis,
diseñar y construir una máquina serigráfica, que imprima sobre objetos de geometría plana
y redonda para amplio formato.

CAPÍTULO III
DISEÑO MECÁNICO DE
LA MÁQUINA DE SERIGRAFÍA
3.1 INTRODUCCIÓN
El diseño mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica; piezas,
estructuras, mecanismos, máquinas, dispositivos e instrumentos diversos. El diseño de
ingeniería se puede definir como “el proceso de aplicar las diversas técnicas y los principios
científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente
detalle para permitir su realización”. [8]
En este capítulo se presentan los criterios de diseño, así como la descripción general
de la máquina, y finaliza con el cálculo de las fuerzas y momentos de la máquina.
3.2 CRITERIOS DE DISEÑO
Para el diseño de la máquina impresora de serigrafía de impresión en plano y
redondo, se utilizaron como criterios de diseño las características de máquinas industriales,
cabe mencionar que estas máquinas solo imprimen sobre objetos planos o redondos en

18
pequeño formato de impresión. El diseño mecánico que se propone en el presente trabajo,
se realiza para ambos modos de operación y para impresiones de amplio formato.
Características principales de las máquinas serigráficas comerciales.
Las máquinas serigráficas industriales de impresión en plano y redondo, poseen 7
características principales para funcionamiento. Estas características se describen a
continuación:
1. Las máquinas de impresión industriales se construyen con bases
rígidas y materiales livianos, con el propósito de reducir vibraciones. Como ejemplo
de este tipo constructivo se muestra la maquina industrial serigráfica para objetos
planos, en la figura 3.1.
Figura 3.1 Impresora industrial de objetos planos modelo No. PM-S5585 [9]
En este modelo se aprecia una estructura soporte robusta sus dimensiones
oscilan entre 1 y 1.5 metros de altura. Estas máquinas en su mayoría están diseñadas
ergonómicamente con el propósito de reducir la fatiga y el cansancio del operador.
2. La mayoría de las máquinas de serigrafía, cuentan con un husillo para
ajustar la distancia fuera de contacto u “offset”. La variación de esta distancia

19
permite el control de la presión del rasero sobre la malla. Por ejemplo en la figura
3.2 se presenta un cabezal neumático cuyo offset se varía por medio de la manivela
del husillo.
Figura 3.2 Cabezal de la máquina serigráfica modelo PM-S400M [9]
3. Todas las máquinas impresoras de serigrafía, poseen solo cabezales
de impresión neumáticos. Estos están compuestos por un solo bastidor, dos
portaraseros y la guía mecánica del cabezal. En la figura 3.3 se presenta un cabezal
neumático para impresión sobre objetos planos.
Figura 3.3 Impresora industrial de objetos planos No. PM-24565 [9]
4. Otra característica importante de las máquinas de serigrafía es el
formato de impresión. Por ejemplo la figura 3.4 muestra la malla y el portamalla de

20
una máquina de impresión en plano de amplio formato, aquí la malla está soportada
por dos brazos ajustados por diez manivelas que permiten su orientación y anclaje.
5. Toda máquina de serigrafía posee una malla de impresión, el tipo de
tejido y número de hilos de cada malla depende de su aplicación. En la tabla 3.1 se
muestra una tabla de selección de tejido utilizadas en las máquinas serigráficas
industriales.
Aplicación Tipo de tejido Número de hilos
Impresión en soporte plano Saatilene 90-140
Impresión en soporte irregular Saatilon 90-140
Impresión con tinta UV convencional Saatilene 140.34
150.34
165.31
180.31
Impresión con tinta UV de base actuosa Saatilene 140.34
150.34
180.31
Barnices UV Saatilene 120-150
Barnices (en base a solventes) Saatilene 62-120
Tinta fluorescente Saatilene 62-120
Tabla 3.1 Tabla de selección de tejido

21
6. En las máquinas de impresión en objetos planos, se tiene una mesa de
trabajo que permite fijar el material a imprimir y dispositivos para el retiro del
material impreso. En la figura 3.5 se muestra una máquina de impresión en plano de
amplio formato modelo PM-S6090, esta posee un dispositivo de “tipo libro” para
retirar el material impreso.
7. En las máquinas de impresión sobre objetos cilíndricos, a diferencia
del proceso de impresión en plano, donde el cabezal se mueve a lo largo del bastidor
y la pantalla permanece en reposo; el proceso de impresión en redondo, el cabezal
se mantiene en reposo y la malla se mueve en conjunto con la pieza cilíndrica. Este
dispositivo posee a su vez otro dispositivo de elevación, que permite el cambio de la
pieza a imprimir.
En la figura 3.6 se muestra una máquina impresora de impresión en redondo
modelo PM-S400R1, donde se puede apreciar el dispositivo de impresión debajo del
portapantallas.

22
Figura 3.6 Impresora industrial de objetos redondos modelo No. PM-S400R1 [9]
La tabla 3.2 enumera específicamente las características generales que se tomaron,
de las máquinas serigráficas industriales, para obtener los criterios y especificaciones del
diseño de la máquina de serigrafía del presente trabajo.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE MÁQUINAS
SERIGRÁFICAS INDUSTRIALES
1. Bases de trabajo rígidas de materiales livianos.
2. Husillos milimétricos de ajuste de offset.
3. Cabezales de impresión neumáticos.
4. Formatos de impresión.
5. Malla y portamallas de tipo ajustable.
6. Mesas de trabajo de fijación por succión.
7. Dispositivo soporte de impresión en cilíndrico (DPC).
Tabla 3.2 Características de maquinas serigráficas industriales.
Para el diseño final del prototipo, se tomaron en cuenta otros criterios generales que
vale la pena mencionar, los cuales se enumeran a continuación en la tabla 3.3.

Tabla 3.3 Criterios generales de diseño.
Criterios de diseño generales de la máquina impresora de serigrafía propuesta
1. Utilización de dimensiones ergonómicas del sistema estructural soporte.
2. La estructura principal soporte ligera, resistente a la corrosión y fácil de ensamblar.
3. Que la mayoría de la tornillería de ensamble estructural, fuese del mismo diámetro, para facilitar el armado y la menor utilización de diferentes medidas de herramientas.
4. Los bastidores deben soportar los pesos del motor, transmisión, correderas, cabezal de impresión, pistones, raseros, malla y portamallas, así también la presión aplicada del cabezal de
impresión a la superficie a imprimir.
5. EL husillo manual de ajuste de la “distancia fuera de contacto”, debe soportar el peso del bastidor , así como variar su distancia de 0 a 50.8 cm.
6. La mesa de trabajo para impresión en plano, debe soportar objetos de dimensiones máximas de 100 x 50 cm.
7. La mesa de trabajo debe de ahorrar espacio, mantener el objeto fijo mientras se imprime y facilitar la extracción del objeto plano impreso. Sin omitir un mecanismo de desmonte rápido
para alternar entre la impresión en plano y redondo.
8. El “dispositivo de impresión en cilíndrico” debe soportar el peso de objetos cilíndricos de diámetros de 10 a 30 cm., y 50 cm., de largo.
9. El mecanismo de elevación del “dispositivo de impresión en cilíndrico” debe soportar el peso del mismo, así también el peso del objeto a imprimir y la presión de los pistones del
cabezal de impresión sobre la superficie del objeto.
10. Los motores deben poseer un control preciso de velocidad y posición, así como un torque lo suficientemente potente para mover el cabezal de impresión, la malla y portamallas y vencer
la presión de los pistones sobre la superficie a imprimir.
11. Las correderas deben soportar los pesos del cabezal de impresión, la malla y portamallas y la presión de los pistones.
12. El portamallas debe ser ligero y resistente, capaz de soportar pantallas de 100 x 50 cm., además de poseer un dispositivo de fijación uniforme y desmonte rápido.
13. Cabezal de impresión ligero, resistente y atractivo a la vista, capaz de soportar dos pistones neumáticos de ¾ de diámetro y dos raseros de impresión de dimensiones de 50 x 5 x 1 cm.
14. Lógica neumática y control electrónico, de fácil y rápida programación en procesos secuenciales por el usuario, con un mínimo de interrupciones del proceso de impresión.

De lo anterior, el diseño mecánico final incluye amplio formato y dos diferentes
modos de impresión, las especificaciones de la máquina de serigrafía que se propone en
esta tesis, se enumeran en la tabla 3.4.
Especificaciones de la máquina impresora de serigrafía propuesta
1. Estructura soporte rígida con dimensiones de 700x700x1500 mm, a base de aluminio
extruído y placa base de hierro de ½ pulgada.
2. Husillo de elevación milimétrico, con una carrera máxima de 50 mm.
3. Bastidores de hierro de 1000x150 mm, que soporten el cabezal de impresión, con
accionamientos eléctricos y neumáticos, y raseros de 50 cm de longitud, para
impresiones de amplio formato en ambos modos de operación de plano y redondo.
4. Superficie máxima de impresión en plano de 50x100 cm y diámetros máximos de
impresión en cilíndrico de 30 cm.
5. Malla con tipo de tejido Saatilene con 120 hilos por pulgada.
6. Portamalla de aluminio de amplio formato, para impresión en redondo con un diámetro
máximo de 30 cm y con dimensiones de 50x100 cm en modo plano.
7. Mesa de trabajo corrediza con dispositivo de fijación por vacío, de dimensiones de
70x110 cm.
8. Dispositivo de impresión en cilíndrico y soporte mecánico de materiales de geometría
redonda, capaz de soportar objetos de 10 a 30 cm de diámetro.
9. Peso de la máquina, 187 kg.
Tabla 3.4 Especificaciones de la maquina de serigrafía.
Para determinar los materiales adecuados de construcción, pesos, dimensiones y
costos, así como para el diseño de las partes principales de máquina impresora de
serigrafía, se realizó el estudio del cálculo de los momentos y fuerzas involucrados en el
sistema estructural. Este estudio se presenta al final del presente capítulo.

25
3.3 DESCRIPCIÓN GENERAL
De acuerdo a los criterios de diseño mencionados en el inciso anterior, la máquina
impresora de serigrafía, sea capaz de imprimir sobre objetos de geometría plana y redonda
de manera semiautomática. En la figura 3.7 se muestra el diseño general de la máquina de
serigrafía.
Figura 3.7 Diseño general de la máquina de serigrafía en modo de impresión en plano
La máquina de serigrafía está constituida de seis subensambles, que se muestran a
continuación:
1. Estructura soporte.
La estructura soporta un peso de 80 kg en cantilever, este incluye el peso de
los bastidores, cabezal, husillo, mesa, DPC y pieza a imprimir.

26
2. Husillo.
El husillo, se diseña para soportar una fuerza de 200 N, esto incluye el peso
del bastidor completo y cabezal de impresión.
3. Bastidor 1.
El bastidor 1, se diseña para soportar una fuerza de 100 N, esta incluye el peso
del motor, transmisión, corredera y cabezal de impresión.
4. Bastidor 2.
El bastidor 2, se diseña para soportar una fuerza de 150 N, este incluye el peso
del motor, transmisión, corredera, cabezal de impresión y fuerza del pistón.
5. Mesa corrediza.
La mesa se diseña para soportar una fuerza de 25 N en cantilever, que es la
fuerza que ejercen los pistones sobre la mesa.
6. Dispositivo de impresión en cilíndrico.
El DPC, se diseña para soportar una fuerza de 50 N, que incluye el peso del
material a imprimir y la fuerza del pistón.
En el apéndice B se observa la explotación de los subensambles y las listas de las
piezas.
La figura 3.8 muestra el diseño general de la máquina de serigrafía, en modo de
impresión en cilíndrico, y las partes principales que la conforman. Cuando se realiza el
cambio de modalidad, la mesa corrediza se retira y la pantalla de impresión del bastidor 2
se cambia por otra de menor dimensión.

27
.
Figura 3.8 Diseño general de la máquina de serigrafía en modo de impresión en cilíndrico

28
3.4 CÁLCULO DE FUERZAS Y MOMENTOS DE LA
MÁQUINA
3.4.1 Cálculo del momento total en los tornillos del bastidor 1
Para el cálculo del momento total de los tornillos del bastidor 1, se tiene la siguiente
nomenclatura:
Fb1 = Carga total del bastidor 1.
db1 = Distancia del bastidor 1 al punto de apoyo.
g = Constante gravitacional 9.81 m/s2
mb1 = Masa de bastidor 1.
Wb1 = Peso del bastidor 1.
Mob1 = Momento flexionante en el bastidor 1.
FT = Carga total que soporta cada tornillo.
MoT = Momento flexionante que soporta cada tornillo.
MoTOT = Momento flexionante del total de los tornillos.
En la figura 3.9 se muestra la distribución de los tornillos de sujeción del bastidor 1
Figura 3.9 Distribución de los tornillos del bastidor 1.
La figura 3.10 muestra el esquema y nomenclatura del bastidor 1, aquí la distancia db1
es igual a 0.491m.

29
Figura 3.10 Esquema y nomenclatura del bastidor 1.
La carga total en el bastidor 1, Fb1, se calcula en función del peso del bastidor y de:
gmw bb 11 = (3-1)
El peso es:
N
s
m
kgwb 07.212)8.9)(64.21( 21 ==
De donde Fb1 toma el valor de:
11 bb wF = (3-2)
NFb 07.2121 =

30
El momento del bastidor 1, Mob1, se calcula con base a:
111 bbb dFMo = (3-3)
Dando valores se tiene que:
NmmNMob 13.104)491.0)(07.212(1 ==
De la tabla 1 en el apéndice C, se puede ver que un tornillo M8x20 soporta una carga
de 24.954N. Para verificar si los tornillos soportan el momento de flexión, el momento MoT
que soporta cada tornillo se tiene de:
1bTT dFMo = (3-4)
De donde:
NmmMoT 25.12)491.0)(954.24( ==
Ahora para 16 tornillos M8x20, se tiene que el momento total es:
TTTOT NMoMo = (3-5)
Con lo que:
NmNmMoTOT 196)16)(25.12( ==
Por tanto, de acuerdo a condiciones comerciales, se tiene la seguridad de que 16
tornillos M8x20 soportarán la fuerza Fb2 = 212.07N que se ejerce en el bastidor 1.

31
3.4.2 Cálculo del diámetro de los tornillos del bastidor 2
Para el cálculo del diámetro mínimo de los tornillos del bastidor 2, se tiene la siguiente
nomenclatura:
Fb2 = Carga total del bastidor 2. FT = Carga total que soporta cada tornillo.
F2b2 = Fuerza de sujeción de los tornillos. MoT = Momento flexionante que soporta cada tornillo.
d1b2 = Distancia del bastidor 2 al punto de apoyo. MoTOT = Momento flexionante del total de los tornillos.
d2b2 = Distancia entre tornillos. σT = Esfuerzo a la tensión
σy(max) = Esfuerzo máximo permisible.
mb2 = Masa del bastidor 2. A = Área de la sección del tornillo.
Wb2 = Peso del bastidor 2. d = Diámetro mínimo del tornillo.
Fp = Fuerza del pistón.
En la figura 3.11 se muestra la distribución de los tornillos de sujeción del bastidor 2
Figura 3.11 Distribución de los tornillos del bastidor 2.
La figura 3.12 muestra el esquema y nomenclatura del bastidor 2, aquí la distancia
d1b2 toma el valor de 0.49145m, la distancia entre tornillos d2b2 es igual a 0.0762m y la
fuerza de fijación de los tornillos es F2b2.

32
Figura 3.12 Esquema y nomenclatura del bastidor 2.
La carga total del bastidor 2, F1b2, se calcula en función del peso del bastidor y de:
gmw bb 22 = (3-6)
El peso es:
N
s
m
kgwb 89.225)8.9)(05.23( 22 ==
De la tabla 2 en el apéndice C, se puede ver que la fuerza del pistón con diámetro de
émbolo de 16mm, a una presión de 6bar es de 121N, de donde Fp a una presión de 1bar es:
N
N
Fp 17.20
6
121
==
La fuerza del bastidor 2, Fb2, se calcula con base a:
pbb FwF += 22 (3-7)

33
NNNFb 06.24617.2089.2252 =+=
Con base a las fuerzas de equilibrio de la ecuación (3-8) [11], se determina la fuerza
de fijación de los tornillos F2b2.
22222121 bbbb dFdF = (3-8)
Despejando F2b2 y dando valores se tiene que:
N
m
mN
d
dF
F
b
bb
b 44.1588
0762.0
)49145.0)(29.246(
22
2121
22 ===
El esfuerzo a la tensión σT , se calcula en función de la resistencia máxima σy(máx.), (en
la tabla 3 del apéndice C se puede ver que el acero soporta un esfuerzo cortante de 248
Mpa), el factor de seguridad (la tabla 4 del apéndice C muestra un factor para cargas
determinables de 2.5) y de:
Fs
y
T
(max)σ
σ = (3.9)
De donde:
Mpa
Mpa
T 2.99
5.2
248
==σ

34
El área de la sección del tornillo, A, se calcula en función de la fuerza de fijación de
los tornillos y de:
A
F b
T
22
=σ (3-10)
Despejando A, y dando valores se tiene:
26
6
1001.16
102.99
44.1588
mx
Pax
N
A −
==
El diámetro d del tornillo, se calcula en función de:
4
2
d
A π= (3-11)
Despejando d y dando valores se tiene que:
mmmx
mxA
d 5.4105.4
)1001.16(44 3
26
==== −
−
ππ
Por tanto, de acuerdo a condiciones comerciales, se tiene la seguridad de que los
tornillos M8x20 soportarán la fuerza Fb2 = 246.06N, ya que el diámetro mínimo del tornillo
es de 4.5mm.

35
3.4.3 Cálculo del momento total en los tornillos de la mesa corrediza
Para el cálculo del momento total de los tornillos de la mesa corrediza, se tiene la siguiente
nomenclatura:
Fm = Carga total de la mesa.
dm = Distancia de la mesa al punto de apoyo.
mm = Masa de la mesa corrediza.
Wm = Peso de la mesa.
Mom = Momento flexionante en la mesa.
FT = Carga total que soporta cada tornillo.
MoT = Momento flexionante que soporta cada tornillo.
MoTOT = Momento flexionante del total de los tornillos.
En la figura 3.13 se muestra la distribución de los tornillos de sujeción de la mesa
corrediza.
Figura 3. 13 Distribución de los tornillos de la mesa corrediza.
La figura 3.14 muestra el esquema y nomenclatura de la mesa corrediza, aquí la
distancia dm es igual a 1.582m.

36
Figura 3.14 Esquema y nomenclatura de la mesa corrediza.
La carga total en la mesa corrediza Fm, se calcula en función del peso de la mesa wm y
de:
gmw mm = (3-12)
El peso es:
N
s
m
kgwm 82.243)8.9)(88.24( 2
==
N
N
Fp 17.20
6
121
==
La fuerza de la mesa corrediza, Fm, se calcula con base a:
pmm FwF += (3-13)
NNNFm 99.26317.2082.243 =+=

37
El momento de la mesa Mom, se calcula con base a:
mmm dFMo = (3-14)
NmmNMom 63.417)582.1)(99.263( ==
De la tabla 1 en el apéndice C, se puede ver que un tornillo M8x20 soporta una carga
de 24.954N. Para verificar si los tornillos soportan el momento de flexión, el momento MoT
que soporta cada tornillo se tiene de:
1bTT dFMo = (3-15)
De donde:
NmmMoT 48.39)582.1)(954.24( ==
Ahora para 24 tornillos M8x20, se tiene que el momento total es:
TTTOT NMoMo = (3-16)
Con lo que:
nmNmMoTOT 52.947)24)(48.39( ==
Por tanto, de acuerdo a condiciones comerciales, se tiene la seguridad de que 24
tornillos M8x20 soportarán la fuerza Fm = 263.99N que se ejerce en la mesa corrediza.

38
3.4.4 Cálculo del diámetro de los tornillos del dispositivo de impresión
en cilíndrico (DPC)
Para el cálculo del diámetro mínimo de los tornillos del DPC, se tiene la siguiente
nomenclatura:
DPC =
Device Printer Cilindrical (Dispositivo de
Impresión en Cilíndrico).
FDPC = Carga total del DPC. FT = Carga total que soporta cada tornillo.
F2DPC = Fuerza de sujeción de los tornillos. MoT =
Momento flexionante que soporta cada
tornillo.
d1DPC = Distancia del DPC al punto de apoyo. MoTOT =
Momento flexionante del total de los
tornillos.
d2DPC = Distancia entre tornillos. σT = Esfuerzo a la tensión
A = Área de la sección del tornillo.
mDPC = Masa del DPC. d = Diámetro mínimo del tornillo.
WDPC = Peso del DPC.
En la figura 3.15 se muestra la distribución de los tornillos de sujeción del DPC.
Figura 3.15 Distribución de los tornillos del DPC

39
La figura 3.16 muestra el esquema y nomenclatura del DPC, aquí la distancia d1DPC
toma el valor de 0.647m, la distancia entre tornillos d2DPC es igual a 0.0254m y la fuerza de
fijación de los tornillos es F2DPC.
Figura 3. 16 Esquema y nomenclatura del DPC.
La carga total del DPC, FDPC, se calcula en función del peso del DPC y de:
gmw DPCDPC = (3-17)
El peso es:
N
s
m
kgwDPC 85.114)8.9)(72.11( 2
==
N
N
Fp 17.20
6
121
==

40
La fuerza del DPC, FDPC, se calcula con base a:
pDPCDPC FwF += (3-18)
NNNFDPC 03.13517.2086.114 =+=
Con base a las fuerzas de equilibrio de la ecuación (3-19) [11], se determina la fuerza
de fijación de los tornillos F2DPC.
DPCDPCDPCDPC dFdF 2211 = (3-19)
Despejando F2DPC y dando valores se tiene que:
N
m
mN
d
dF
F
DPC
DPCDPC
DPC 54.3439
0254.0
)647.0)(03.135(
2
11
2 ===
El esfuerzo a la tensión σT, se calcula en función de la resistencia máxima σy(máx.), (en
la tabla 3 de apéndice C se puede ver que el acero soporta un esfuerzo cortante de 248
Mpa), el factor de seguridad (la tabla 4 del apéndice C muestra un factor para cargas
determinables de 2.5) y de:
Fs
y
T
(max)σ
σ = (3.20)
De donde:
MPa
MPa
T 2.99
5.2
248
==
σ
σ

41
El área de la sección del tornillo, A, se calcula en función de la fuerza de fijación de
los tornillos y de:
A
F DPC
T
2
=σ (3-21)
Despejando A, y dando valores se tiene:
26
6
1074.34
102.99
54.3439
mx
Pax
N
A −
==
El diámetro d del tornillo, se calcula en función de:
4
2
d
A π= (3-22)
Despejando d y dando valores se tiene que:
mmmx
mxA
d 65.61065.6
)1074.34(44 3
26
==== −
−
ππ
Por tanto, de acuerdo a condiciones comerciales, se tiene la seguridad que los
tornillos M8x20 soportarán la fuerza FDPC = 135.03N, ya que el diámetro mínimo del
tornillo es de 6.65mm.

42
CAPÍTULO IV
CONTROL ELECTRÓNICO
4.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describen los bloques de control de la máquina de serigrafía, así
como las características de implementación de circuitos electrónicos para controlar las
entradas de señales a un dispositivo de control lógico programable. Se describen además las
características de selección de los actuadores para realizar los movimientos de la máquina
de serigrafía y la programación del PLC (Programmable Logic Controller, por sus siglas en
ingles) para realizar los movimientos.
4.2 SISTEMA ELECTRÓNICO
El sistema electrónico, como se muestra en la figura 4.1, esta formado por cuatro
bloques principales. Estos bloques determinan el nivel de voltaje o corriente que se utiliza
para el control de la máquina de serigrafía. Los bloques son: a) bloque de sensores, b)
bloques de interfaces, c) bloque de control, d) bloque de actuadores.
Figura 4.1 Arreglo de bloques del sistema electrónico
Sensores Unidad de
Control
Interfaz de
entrada
Interfaz de
salida
Actuadores

43
A) BLOQUE DE SENSORES
Este corresponde a las entradas de señales adquiridas por los sensores del sistema.
Estos son dispositivos que monitorean cantidades físicas como distancia, velocidad,
temperatura, aceleración, etc; y su respuesta es una señal eléctrica.
Una clasificación general de los sensores esta basada en la conexión de fuentes de
energía; ésta, puede ser externa o interna y se denominan pasivos o activos
respectivamente. Otra clasificación se basa en la forma de salida de la señal, estas señales
son de tipo analógico, digital generador de pulsos y digital binario. En la tabla 4.1 se
muestra una clasificación de sensores de acuerdo a la magnitud física detectada
Para efectos de este trabajo, se hará hincapié en sensores de proximidad. Estos
permiten detectar objetos a distancia. Los sensores de proximidad basan su funcionamiento
en cuatro técnicas, las cuales son: a) inductivos, b) capacitivos, c) ultrasónicos, d) ópticos.
Los sensores inductivos están constituidos por un arreglo L-C con alta frecuencia de
resonancia. Estos, crean un flujo magnético en la parte frontal que al ser cortado por un
material, ocasiona una señal analógica proporcional a la distancia. Estos sensores detectan
piezas metálicas en un rango de 1 a 30 mm.
Los sensores capacitivos utilizan también un arreglo L-C. El capacitor esta formado
por dos aros metálicos concéntricos que genera un campo electroestático. Este al ser
cortado por un material con características dieléctricas, ocasiona una señal eléctrica. La
sensibilidad, se afecta por el cambio de las condiciones ambientales. Estos sensores
detectan piezas en un rango de 0.4 a 100 mm.
Los sensores ultrasónicos se basan en el principio de emisión-recepción de ondas
ultrasónicas. Estos, son capaces de detectar materiales transparentes a diferencia de los
sensores ópticos. La desventaja de éstos, es la interferencia del flujo de aire en el medio
donde se trabaja. Estos sensores detectan piezas en un rango de 50 a 750 mm.

44
MAGNITUD FÍSICA DETECTADA TIPO DE SENSOR CARACTERISTICAS
Potenciómetro Analógico
Encoders Digital Generador de Pulsos
Posición Lineal o Angular
Sincro y Resolver Analógico
Transformador Diferencial AnalógicoPequeños Deslizamientos
o Deformaciones Galga extensométrica Analógico
Dinamo Tacométrica Analógico
Encoders Digital
Velocidad Lineal o Angular
Detector Inductivo u Óptico Digitales
Acelerómetro DigitalAceleración
Sensor de Velocidad +
Calculador
Analógico
Fuerza y Par Medición Indirecta mediante
Galgas o Trafos Diferenciales
Analógico
Membrana + detector de
desplazamiento
AnalógicoPresión
Piezoeléctricos Analógico
De Turbina AnalógicoCaudal
Magnético Analógico
Termopar Analógico
Bimetalitos Digital Binario
Resistencia PT100 Analógico
Resistencia NTC Analógico
Temperatura
Resistencia PTC Digital Binario
Inductivos Digital Binario, Analógico
Capacitivos Digital Binario
Ópticos Digital Binario, Analógico
Presencia o Proximidad
Ultrasónicos Analógico
Tabla 4.1 Clasificación de sensores según la magnitud física [12]
Los sensores ópticos se basan en la emisión-recepción de un haz de luz. Estos utilizan
una frecuencia luminosa en la gama de infrarrojos, y la detección del haz de luz se hace por
medio de reflexión. Las características de este tipo de sensor de proximidad frente a otros
son: elevada inmunidad a electromagnetismo y frecuencia de conmutación, permiten

45
identificación de colores y son capaces de detectar objetos del tamaño de décimas de
milímetro. Estos sensores detectan piezas en un rango de 3 a 2987 mm. José Luís Romeral
[12] propone un criterio de selección de sensores de proximidad el cual se muestra en la
tabla 4.2.
MATERIAL DISTANCIA TIPO DE DETECTOR
< 50 mm INDUCTIVO
METÁLICO > 50 mm ULTRASÓNICO U
ÓPTICO
< 50 mm CAPACITIVO
SÓLIDO
NO METÁLICO > 50 mm ULTRASÓNICO U
ÓPTICO
< 50 mm INDUCTIVOMETÁLICO
> 50 mm ULTRASÓNICO
< 50 mm CAPACITIVO
POLVO O
GRANULADOS NO METÁLICO
< 50 mm CAPACITIVOMETÁLICO
< 50 mm CAPACITIVOLÍQUIDO NO METÁLICO
> 50 mm ÓPTICO
Tabla 4.2 Criterios de selección de sensores de proximidad [12]
B) BLOQUE DE CONTROL
La unidad de control es la que realiza las secuencias de operaciones dentro de un
sistema. La unidad de control, también llamado PLC, tiene un cableado interno
independiente del sistema.
Los primeros sistemas de control, basados en el cableado de los componentes y
accionados por medio de dispositivos mecánicos robustos, reducían su aplicación para otras
tareas. Para adaptar otros elementos de control o actuadores, se requería de modificar la
forma de cableado en el sistema.

46
La evolución de las unidades de control originó la introducción de microprocesadores
como base de su operación. Los sistemas controlados por medio de equipos construidos con
base en computadoras personales y microprocesadores, tienen la desventaja de que los
usuarios que desconozcan de la programación de éstos, recurran a personal técnico
especializado.
Los sistemas de control basados en PLC proveen de flexibilidad al cambio de
secuencias. También la posibilidad de realizar funciones múltiples al cambiar únicamente
un programa.
En la tabla 4.3 se muestran las características de cada una de las unidades de control
tomado como base su funcionalidad para adaptarse a diferentes procesos de control.
La mayoría de los equipos de control utilizan PLC, debido a sus prestaciones de
flexibilidad, juegos de instrucciones, velocidad de respuesta, capacidad de comunicación,
entre otras.
PROGRAMACIÓN DEL PLC
La programación de los PLC se basa en las características y juegos de instrucciones
determinadas por el fabricante. Es por esto que existen PLC que contienen juegos de
instrucciones para distintos lenguajes de programación. Los lenguajes mas utilizados por
los fabricantes de PLC son: a) esquema de contactos, b) mnemónico o lista de instrucciones
c) de bloques funcionales o grafcet.
La programación con esquema de contactos, es la representación gráfica de elementos
de contactos abiertos o cerrados. La función deseada para el control depende de las
conexiones de los contactos. Este tipo de programación presenta deficiencias cuando se
requieren funciones tales como: secuenciadores, registros de memoria, entre otros.

47
CARACTERISTICAS SISTEMAS
DE RELÉS
LÓGICA
A MEDIDA
PLC
Volumen Alto Bajo Bajo
Consumo Alto Bajo Bajo
Velocidad Baja Alta Media
Interconexión de varios procesos Difícil Difícil Fácil
Desgaste Alto Bajo Bajo
Ampliación Alta Baja Media
Flexibilidad Poca Nula Alta
Alto Medio Bajo
Costo para E/S > 15:
Pequeñas Series
Grandes Series Alto Bajo Medio
Personal Especializado Poco Mucho Medio
Lógica Combinacional Sí Sí Sí
Lógica Secuencial Limitada Sí Sí
Instrucciones Aritméticas No Sí Sí
Reguladores No Sí Sí
Textos No Sí Sí
Gráficos No Sí Sí
Comunicaciones No Sí Sí
Toma de Decisiones Bajo nivel Sí Sí
F
U
N
C
I
O
N
E
S Software Estándar No No Sí
Tabla 4.3 Comparación entre diferentes tipos de unidad de control [12]
La programación por lista de instrucciones, contiene sentencias literales equivalentes
a las sentencias de lenguajes informáticos de programación. Los fabricantes de PLC han
adaptado lenguajes como el Basic para la programación de PLC’s.
La programación con grafcet es una evolución de los diagramas de flujo, ya que
representa directamente la secuencia de las etapas dentro de un ciclo o sistema de
producción [12].
Los puntos que se deben de tomar en cuenta cuando se realiza una programación de
PLC son:

48
1. Determinar qué debe hacer el sistema de control y en qué orden lo debe realizar.
2. Identificar las señales de entrada y salida del PLC.
3. Representar mediante un modelo el sistema de control, indicar todas las funciones
que intervienen en ella, la relación entre ellas y la secuencia que debe seguir.
4. Asignar direcciones de entrada, de salida o internas a cada uno de los
componentes que aparecen en el modelo.
5. Codificar la representación anterior en instrucciones o símbolos aceptados por el
PLC.
6. Transferir las instrucciones obtenidas a la memoria del PLC desde la unidad de
programación.
7. Depurar el programa y obtener una copia de seguridad.
C) BLOQUE DE INTERFACES
De la figura 4.1, el bloque de interfaces es considerado único a causa de que una
interfaz, como se muestra en la figura 4.2, es el enlace entre dos bloques. Estos pueden ser
entrada-unidad de control y unidad de control-salida. Este bloque sirve como protección a
la unidad de control contra descargas eléctricas y otro tipo de perturbaciones que ocurren en
el sistema.
Figura 4.2 Estructura básica de una interfaz
Las funciones básicas de la interfaz son: a) enlaces a nivel de hardware, b) enlace a
nivel de código. La complejidad de la interfaz es función de las señales que recibe, las
señales de entrada a una interfaz, son de tipo digital y continuo, en esta última de
codificación analógica o digital.
SISTEMA A
(V1, código 1)
SISTEMA B
(V2, código 2)
INTERFAZ
SEÑAL/DATOS
CONTROL
SEÑAL/DATOS
CONTROL

49
Los niveles de voltaje y corriente en los diferentes bloques pueden estar o no al
mismo nivel. La interfaz de enlace para esta condición se realiza a nivel de hardware. Para
el enlace de bloques a nivel código, se realizan codificaciones digitales y analógicas, según
sea el caso, auxiliándose de convertidores A/D o D/A. En este tipo de enlace también la
interfaz se logra a través de software. La tabla 4.4 muestra las características de las
interfaces de entrada y salida.
TIPOS CODIFICACIÓN SENTIDO FUNCIONES DE LA INTERFAZ
ENTRADAS
– Adaptación de niveles de tensión.
– Filtrado de perturbaciones.
– Aislamiento galvánico.
TODO
O
NADA
BINARIA
1 bit
SALIDAS
– Adaptación de niveles de tensión.
– Amplificación de corriente.
– Aislamiento galvánico.
ENTRADAS – Adaptación y filtrado de señal.
– Conversión A/D.
ANALÓGICAS
(0, ± 10 V)
(4, 20 mA) SALIDAS – Conversión D/A.
– Adaptación a 0, ± 10 V o 4, 20 mA.
ENTRADAS – Selección de canal y multiplexado.
– Conversión de códigos.
SALIDAS – Conversión de código (Bin. ↔ ASCII ↔ 7
Segmentos)
– Amplificación de corriente
SEÑALES
CONTINUAS
DIGITALES
(8, 16… bits)
BIDIRECCIONALES – Conversión de código (serie ↔ paralelo)
– Protocolo de código (hard + soft)
Tabla 4.4 Tipos y funciones de las interfaces de entrada y salida [12]
Las interfaces de entradas y salidas para señales digitales binarias son seleccionadas
de acuerdo a las características de cada uno de ellos. Estas características son: tipo de
alimentación, tipo de aislamiento, margen de ruido estático, margen de ruido dinámico,
entre otras, siendo estas las más relevantes.

50
D) BLOQUE DE ACTUADORES
Los actuadores son parte esencial en todo sistema que requiera hacer movimientos o
aplicar una fuerza. Básicamente los actuadores se clasifican de acuerdo a la forma de
energía que utilizan. Los más comunes que se utilizan en la industria son los del tipo
eléctrico, neumático, hidráulico y térmico.
Para efectos de este trabajo los actuadores que serán estudiados son los neumáticos y
los eléctricos, ya que este tipo de actuadores proporciona un desplazamiento que se
ocasiona por la transformación de energía.
La mayoría de impresores de serigrafía utilizan actuadores neumáticos, a causa de las
altas fuerzas que suministran la velocidad de movimiento. La demanda actual de sistemas
de impresión requiere de la búsqueda de nuevas alternativas en el control de movimientos,
entre éstos están los sistemas de impresión digital que utilizan control de movimientos con
base en motores.
ACTUADORES NEUMÁTICOS
Un cilindro neumático es un actuador que permite obtener movimientos lineales al
aplicar una presión en uno de los lados del cilindro. Los cilindros neumáticos que se
utilizan ampliamente son los de doble efecto. Estos, se emplean fundamentalmente en los
casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición
inicial. La fuerza de avance y de retroceso para este tipo de cilindro esta dada por:
· ·s EF K P S= (4.1)
( )· ·E E VF K P S S= − (4.2)
En donde
SF : Fuerza de salida
EF : Fuerza de entrada
K : Coeficiente de carga
P : Presión

51
ES : Sección del embolo VS : Sección del vástago
Las desventajas principales de este sistema son sus costos a causa de la preparación
del aire. La fuerza solo es económica hasta presiones de 20 bar. Otra gran desventaja es la
utilización de accesorios neumáticos, los cuales hacen que se eleven los costos aun más.
Para sistemas de impresión en los cuales se requiera el control de la velocidad y la posición,
se requieren de accesorios que no controlan del todo dichas variables.
ACTUADORES ELÉCTRICOS
Los actuadores eléctricos tienen varias clasificaciones. Estos se clasifican de acuerdo
al tipo de alimentación que reciben, esto es, de corriente alterna o de corriente directa.
Los motores de corriente alterna de inducción de Jaula de Ardilla, han sido los
motores eléctricos más populares en el siglo XX. Su rango de potencia de salida parte desde
70W hasta 500kW, con 75% de su operación a 1500 rpm. La principal ventaja de los
motores de inducción de Jaula de Ardilla, es su construcción y mantenimiento simple, sin
conmutador o anillos deslizantes, bajo costo y fiabilidad moderada. Las desventajas son el
pequeño entrehierro, la posibilidad de formación de grietas en las barras del rotor causadas
por el calentamiento en las etapas de inversión de giro, baja eficiencia y bajo factor de
potencia en motores síncronos [13].
La utilización de los motores de corriente directa cada vez es mayor a causa de sus
características de par e inversión de giros fácil. El uso de imanes permanente en la
construcción de motores ha dado grandes ventajas, ya que el flujo de excitación es
constante. La figura 4.3 muestra la clasificación de los motores de imanes permanentes.
En motores con imán permanente la energía eléctrica no se absorbe en el sistema de
excitación de campo, por lo cual no hay pérdida en la excitación, lo que significa un
incremento sustancial en la eficiencia.

52
Figura 4.3 Clasificación de los motores de imán permanente
También tiene características de alto torque, mayor rendimiento dinámico en
comparación con motores con excitación electromagnética, ya que tienen mayor densidad
de flujo magnético en el entrehierro, son de simple construcción y mantenimiento, además
que reducen los precios para algunos tipos de máquinas.
Los motores con imán permanente pueden ser divididos dentro de unidades de
velocidad constante, servo unidades y unidades de velocidad variable
Una unidad de velocidad constante habitualmente emplea un motor síncrono
exclusivo que puede mantener la velocidad constante sin un convertidor electrónico y una
realimentación.
Un servo sistema es un sistema que consiste de dispositivos que continuamente
monitorean la información de velocidad y posición, compara estos valores a una salida
deseada y hace las correcciones necesarias para minimizar las diferencias. Un servo motor
es una unidad con realimentación de velocidad o posición para un control preciso, donde la
respuesta en el tiempo y la precisión con que el motor sigue las instrucciones de velocidad
y posición son extremadamente importantes.
Las características principales de los motores de CD con conmutador, son su facilidad
de control de la velocidad, operación bajo condiciones adversas, cambio de giro controlado
Motores de Imán
Permanentes
Motores de CD
con Conmutador
Motores de CD
sin Escobillas
Motores Síncronos
sin Escobillas
Motores Universales
de CA sin Escobillas

53
fácilmente, y un sistema de control básico que satisface las necesidades de otras
aplicaciones. El control de velocidad se hace mediante la variación de voltaje en las
terminales de armadura, lo cual se logra con el cambio del valor de la resistencia de
armadura. Otra forma de control de velocidad para este tipo de motor se realiza mediante la
variación del flujo del campo de excitación.
Los motores sin escobillas no utilizan un conmutador para realizar la rotación del
flujo magnético, sin embargo están equipados con sensores de posición en la flecha que
realizan la función de un conmutador. Este tipo de motor es alimentado con voltajes de
forma de onda cuadrada, los elementos básicos de un motor sin escobillas son: salida con
inversión de fase, rectificador, sensores de posición, compuerta generadora de señal,
detector de corriente, encoder de velocidad, controlador, ya sea un microcontrolador o una
computadora personal con una tarjeta DSP (Digital Signal Processing, por sus siglas en
ingles).
El control de la velocidad se hace mediante la introducción de una forma de onda que
depende de la frecuencia en que son controlados los anchos del pulso, esta técnica es
conocida como modulación de ancho de pulsos o PWM (Pulse Width Modulation, por sus
siglas en ingles).
Los motores a pasos se utilizan ampliamente en sistemas digitales ya que tienen la
ventaja de convertir pulsos eléctricos en desplazamientos angulares. La construcción de
este tipo de motores se basa en la creación de polos salientes tanto en el estator como en el
rotor. Los elementos de un motor a pasos consisten de un generador de pulsos, un circuito
lógico, un amplificador de potencia y una fuente de poder, al igual que en los motores sin
escobillas los motores a paso controlan la velocidad y posición por medio de la frecuencia
de los pulsos generados.
La aplicación de los motores requiere de cierta combinación entre velocidad y torque.
En la tabla 4.5 se muestran las ventajas y las desventajas de los de los diferentes tipos de
motores con base en la forma de construcción

54
Tipo de
motor
Ventajas Desventajas
CD – Versátil para sistemas de velocidad
variable
– Fácil mantenimiento en caso de ser
requerido es requerido
– El control es comparativamente simple
– El sistema de control básico satisface
los requerimientos de muchas
aplicaciones
– Diferentes métodos para el control de
velocidad
– La velocidad puede ser controlada
desde cero hasta un máximo por el
método de cambio del voltaje de
armadura
– La característica de velocidad-torque en
un voltaje dado es básicamente
horizontal
– Tiene gran torque
– Puede operar en intervalos cortos de
tiempo y repetitivos sin sufrir
alteraciones
– Funciona en lazo abierto
– No requiere de electrónica para su
funcionamiento
– Utiliza conmutador
– Pérdida de energía en el rotor que limita la
transferencia de calor y limita también la
corriente en los campos de armadura
– El método de control de velocidad por
flujo de campo requiere un bobinado
adicional
– Caída de voltaje en la resistencia del
circuito de armadura
– Caída de voltaje en las escobillas
– Caída de voltaje por reacción de armadura
A Paso – Tienen alto torque, el doble en
comparación a motores sin escobillas y
5 veces mas en comparación a CD
– Elimina las cajas de engranes
– Funciona en lazo abierto
– Genera desplazamientos pequeños
manteniendo el par
– Útiles para aplicaciones que requieren
velocidades bajas con altos torques
– Puede operar en intervalos cortos de
tiempo y repetitivos sin sufrir
alteraciones
– Gran control de posición
– Son pequeños en sus dimensiones
– Solo operan en velocidades bajas
– Requiere de circuitos electrónicos para
funcionar
– Son costosos para algunas aplicaciones
Tabla 4. 5 Ventajas y desventajas de los motores eléctricos.

55
Tipo de
motor
Ventajas Desventajas
Brushless – Operan bajo el principio de rotación de
campo magnético
– El rotor no requiere de sensor de
posición para la técnica de control de
voltaje a frecuencia constante
– La corriente no es transmitida a través
de conmutador o anillos deslizantes
– Tiene dos modos de operación
– Producción de un torque constante
– Operan en cualquier velocidad
– Buena regulación de velocidad
– Tienen características lineales de
voltaje-torque
– Opera sin problemas en periodos de
tiempo largos
– Tiene gran torque
– Son alimentados con voltajes de onda
cuadrada
– Existen pérdidas de energía en el estator
– Utiliza sensores de posición para poder
efectuar la conmutación
– Utiliza detectores de corriente
– Utiliza realimentación directa de la
posición angular
– En motores clasificados como menores de
1W el consumo de energía por sensores
de posición puede reducir la eficiencia
– En aplicaciones compactas no es posible
acomodar el sensor de posición
– Son costosos
– Requieren de sistemas de control
electrónico externos complejos
– Necesita un acondicionamiento
electrónico externo para operar en lazo
abierto
– Calentamiento al operar en intervalos
cortos y repetitivos
Tabla 4.5 Continuación.
4.3 FASES DE DISEÑO DE CONTROL
De forma general, el diseño de control para un sistema, está dado por las necesidades
específicas de cada aplicación. En la figura 4.4 se muestran las etapas de desarrollo de un
sistema de control.
Las variables involucradas para el control de la máquina son: desplazamientos de los
carros de impresión y portamalla, limitación de distancias de impresión, inicios y paro del
proceso y elección de la unidad de control
De acuerdo a la figura 4.4 y lo descrito anteriormente, el control de la máquina está
basado en la búsqueda de nuevas tecnologías para el control de movimientos. Éstos se
realizan por medio de actuadores eléctricos, cuyas características con respecto a actuadores
neumáticos se muestran en la tabla 4.6

56
Figura 4.4 Fases de proyecto de un sistema de control
Las características de torque y velocidad de los motores eléctricos hacen que este tipo
de actuadores se utilicen cada vez más en el sector industrial. La máquina de serigrafía
utiliza dos motores de imanes permanentes de 24 V de alimentación, el control de
velocidad se realiza mediante la variación de voltaje en las terminales de armadura.

57
Neumáticos Hidráulicos Eléctricos
Opciones – Cilindros
– Motor de paletas
– Motor de pistón
– Cilindros
– Motor de paletas
– Motor de pistones
axiales
– Corriente continua
– Corriente alterna
– Motor paso a paso
Ventajas – Baratos
– Rápidos
– Sencillos
– Robustos
– Rápidos
– Alta relación
potencia-peso
– Autolubricantes
– Alta capacidad de
carga
– Estabilidad frente a
cargas estáticas
– Precisos
– Fiables
– Fácil control
– Sencilla instalación
– Silenciosos
– Comunicación con otros
motores por medio de
concentradores
Desventajas –Dificultad de control
continuo
– Instalación especial
(compresor, filtros)
– Ruidoso
– Difícil
mantenimiento
– Instalación especial
(filtros, eliminación
aire)
– Frecuentes fugas
– Caros
– Potencia limitada
Tabla 4.6 Comparación entre actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos
La máquina de serigrafía requiere de movimientos longitudinales para ambas
direcciones. Los cambios de giro de los motores se realizan por medio de un puente “H”, de
esta forma los carros pueden deslizarse en direcciones de izquierda a derecha y viceversa.
Los circuitos integrados utilizados para los puentes “H” son los LMD18200, sus
características principales son: corriente de 3 A, Voltajes desde 12 V hasta 60 V.
En el apéndice E se muestra la tarjeta de circuito impreso para las fuentes y los
puentes “H” utilizados para los motores de CD.
Los límites de carrera de los carros se realizan por medio de sensores de proximidad
del tipo óptico. Con referencia a la tabla 4.2, la selección de los sensores se basa en la
velocidad de respuesta, elevada inmunidad a electromagnetismo, y frecuencia de
conmutación. Además de que el rango de operación es desde 0 a 3 mm en sensores
reflectivos y de 0 hasta 2987mm en sensores láser. El sensor es de tipo reflexivo, esto es,
que tiene el emisor y el receptor en un mismo encapsulado. En particular, el sensor
HOA1405 que se utiliza para la máquina de serigrafía, tiene un rango de operación de hasta
5 mm de distancia.

58
La figura 4.5 muestra los sensores de proximidad, estos están montados sobre los
carros de impresión y portamalla. Los sensores tienen un circuito seguidor o buffer inverso
a causa de que la caja de control esta retirada de los mismos. El circuito utilizado para
acondicionar los sensores ópticos es el M74HC4049, este circuito nos proporciona a la
salida una señal digital binaria de un uno lógico. En el apéndice E se muestra la tarjeta de
circuito impreso del acondicionador de señal de los sensores
Figura 4.5 Sensores de proximidad acondicionadas para PLC
La activación de elementos electromecánicos en la máquina produce señales de
entrada al PLC. Estos se utilizan como inicios, interrupciones y selección de procesos
dentro de la máquina de serigrafía.
De esta manera las entradas y salidas del PLC son:
1. Entradas: Sensores de proximidad e interruptores electromecánicos.
2. Salidas: Motores eléctricos y electro-válvula.
Por lo tanto el número de entrada al PLC, asignándole variables internas del PLC son:
I01 = Interruptor de límite para inicio de proceso
I02 = Sensor de proximidad para límite izquierdo, colocado en el carro de impresión
I03 = Sensor de proximidad para límite derecho, colocado en el carro de impresión
I04 = Estación de botón para inicio de procesos

59
I05 = Estación de botón para interrupción de procesos
I06 = Sensor de proximidad para límite izquierdo, colocado en el carro de portamalla
I07 = Sensor de proximidad para límite derecho, colocado en el carro de impresión
I09 = Interruptor para selección de modo de impresión
Para las salidas desde el PLC hacia los actuadores y asignándole variables internas
del PLC son:
Q02 = Avance del motor para el carro portamallas.
Q03 = Reversa del motor para el carro portamallas.
Q04 = Avance del motor para el carro de impresión.
Q05 = Avance del motor para el carro de impresión.
Q06 = Electro-válvula.
Una vez que se tiene el número de entradas y salidas, se selecciona el PLC con base
en estas dos últimas. El PLC a elegir debe tener un número de entradas y salidas mayor al
que se requiere, esto por si se requiere hacer modificaciones en las variables de control.
Los PLC comerciales por lo general cuentan con 8 entradas y 4 salidas. El PLC que
se adapta a las necesidades de la máquina es uno de la marca Moeller EASY-621-DC-TC.
Este cuenta con 12 entradas y 8 salidas. Las entradas son de tipo digital binario y dos de
estas cuentan con entrada analógica de 0 a 10 V. Los niveles de voltaje en la entrada son de
24 V y 140mA. Las salidas son de tipo transistor los valores de operación admisibles son de
20.4 a 28.8 V y para la corriente 24 a 44 mA, estos como valores máximos.
El software de programación del PLC es de esquema de contactos o escalera. El
programa se construyó con base a las variables anteriormente citadas y su diagrama de flujo
se muestra en la figura 4.6

Figura 4.6 Diagrama de flujo para la construcción del programa
De acuerdo al diagrama de flujo de la figura 4.6 la numeración dentro del diagrama corresponde a
un conjunto de instrucciones que se mencionan a continuación:
1. Modo de impresión
2. Encendido de la impresión en plano
3. Inicio de la impresión en plano
4. Avance del motor para impresión en plano
5. Límite derecho para impresión en plano
6. reversa del motor para impresión en plano
7. Activación de la electro-válvula
7A. Desactivación de la electro-válvula
8. Límite izquierdo para impresión en plano
9. Paro del motor para impresión en plano
10. Interrupción del proceso de impresión
11. Avance del motor para impresión en redondo
12. Límite derecho para impresión en redondo
13. Reversa del motor para impresión en redondo
14. Paro del motor para impresión en redondo
15. Límite medio para impresión
16. Temporizador de tiempo 1
16A. Temporizador de tiempo 2
16B. Temporizador de tiempo 3
17. Límite izquierdo para impresión en redondo
18. Inicio del proceso de impresión en redondo
El esquema completo de la programación se encuentra en el apéndice E

Por último, las interfaces realizadas, están en función de los niveles de voltaje de los
sensores y el PLC. Los niveles de voltaje son:
1. La señal de los sensores en la máquina son de 5 V.
2. Las entradas y salidas del PLC son de 24 V.
3. Los niveles de voltaje requeridos por los actuadores del sistema son de 12 V y 24
V.
Por tanto, la interfaz de entrada realiza un enlace de 5 V a 24 V y la interfaz de salida
realiza el enlace de 24 V a 12 V y 24 V. En la figura 4.7 se muestra el esquema de la
interfaz de entrada realizada con optoacopladores
Figura 4.7 Interfaz de entrada realizada con optoacopladores
En la figura 4.8 se muestra el esquema de la interfaz de salida realizada con
optoacopladores
Figura 4.8 Interfaz de salida realizada con optoacopladores

62
Como se mencionó anteriormente las interfases son dispositivos de seguridad, que
protegen al PLC contra descargas eléctricas y contra variaciones electromagnéticas que
puedan existir en el ambiente.
La figura 4.9 muestra los enlaces realizados por la interfaz de entrada y la de salida
Figura 4.9 Sistema de interfaz de entrada-salida y PLC
En el apéndice E se muestra las tarjetas para circuito impreso de las interfaces,
además del diagrama general del sistema de control que se utiliza en la máquina de
serigrafía.

63
CAPÍTULO V
PRUEBAS Y AJUSTES
5.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describen las pruebas que se realizaron a la máquina de serigrafía;
estas pruebas son los parámetros que caracterizan los niveles de operación de la máquina.
También se describe la secuencia de los movimientos, para ambos tipos de impresión, y
además las consideraciones que se deben de tomar, en el caso de imprimir en cada una de
las formas geométricas; estas consideraciones son: la puesta a inicio en cada uno de los
modos de impresión, la colocación de los espejos reflexivos y la presión permitida para
realizar los movimientos.
5.2 ELEMENTOS Y DESCRIPCIÓN DE LA SECUENCIA
Los componentes de la máquina de serigrafía que efectúan la secuencia están
compuestos por sensores y actuadores, los cuales se muestran en la figura 5.1 y se
describen a continuación:
A: Carro de impresión.
B: Carro portamalla.
C: Electro-válvula.
D1: Motor para el carro de impresión.
D2: Motor para el carro portamalla.
E1, E2: Sensores ópticos reflectivos.

64
F: Actuadores neumáticos.
G: Mesa de trabajo en formato plano.
H, I: Botones con interruptores de límite de palanca.
J: Interruptor de palanca.
La estación de botones contiene los elementos H, I, J y esta ubicada en la parte
derecha de la mesa de trabajo.
a) b)
Figura 5.1 a) Vistalateral de los componentes de la maquina de serigrafia, b) Estación de botones.
Para imprimir, uno de los cabezales debe estar fijo y el otro realiza un movimiento de
izquierda a derecha o viceversa.
Los motores que actúan sobre la máquina dan movimientos longitudinales a los
carros de impresión y portamalla. Los sensores ópticos están colocados sobre los carros, la
activación de los sensores esta dado por espejos reflejantes, en la figura 5.2 se muestran los

65
espejos para los sensores del carro de impresión y en la figura 5.3 se muestran los espejos
para los sensores del carro portamallas. Los espejos se ajustan de acuerdo a las dimensiones
de la imagen a imprimir. Cada uno de los carros tiene dos sensores para los límites de
carrera izquierda y derecha, la colocación de los sensores se muestra en la figura 4.5.
Figura 5.2 Espejos reflejantes para el carro de impresión
El interruptor de límite de palanca es accionado por la mesa de trabajo, la cual se
desplaza transversalmente a los carros de impresión y portamalla. El interruptor de palanca
es que define que tipo de proceso para impresión se realiza. Los botones son para iniciar o
finalizar el proceso que se este llevando a cabo.
Los cilindros neumáticos accionan a los raseros de esparsión y de impresión. Estos
cilindros tienen una válvula pre-accionadora neumática de 5 vías / 2 posiciones.
Todos los componentes son conectados al PLC que es donde se determina la
secuencia de los movimientos. Esta secuencia puede ser modificada sólo cambiando la
programación del PLC sin necesidad de volver a cablear los componentes o hacer
conexiones nuevas.

66
Figura 5.3 Espejos reflejantes para el carro de portamallas
La máquina de serigrafía realiza impresión en objetos planos y en objetos cilíndricos.
Para impresiones en objetos planos el carro portamallas debe estar fijo y el carro de
impresión debe tener movimiento. Los raseros ejercen presión en la malla o esténcil
alternadamente. Para impresiones en objetos redondos debe ser al contrario, el carro de
impresión debe estar fijo y el carro portamallas es el que tiene movimiento. En este modo
de impresión los raseros también ejercen presión sobre la malla o esténcil.
5.2.1 IMPRESIÓN EN PLANO
Para la impresión en objetos planos solo se utilizan dos espejos reflejantes para
determinar los límites de carrera, ver figura 5.2. La secuencia de movimientos es la
siguiente:
1. Se selecciona el modo de impresión, para impresión en plano el interruptor de
palanca debe estar desactivado.
2. Se acciona el botón verde que es de encendido para impresión en plano.
3. Se acciona el interruptor de límite de la mesa de trabajo, este interruptor se
acciona deslizando la mesa hacia adentro hasta el tope y es para iniciar la

67
impresión, en este momento el carro de impresión avanzara hacia la derecha y el
rasero de impresión se acciona.
4. Al llegar al espejo reflejante del límite derecho, el carro avanza en sentido
contrario y la dirección será hacia la izquierda. El rasero de impresión se
desactiva y el rasero de esparsión entra en operación.
5. Al llegar al espejo reflejante del límite izquierdo el carro se detiene, el rasero de
impresión se activa y el de esparsión se desactiva.
El carro se encuentra en la posición de inicio del proceso cuando se han concluido
con los pasos del 1 al 5, a partir del paso cinco el proceso se vuelve cíclico el cual empieza
en el paso tres y termina en el paso cinco. En este modo de impresión se tiene un paro de
seguridad que se activa con el botón rojo. Cuando se activa, el proceso se termina y el carro
permanece en el sitio donde se activó el paro. Para volver a iniciar el proceso se inicia
desde el paso dos. El carro portamalla en este tipo de impresión no tiene movimiento.
5.2.2 IMPRESIÓN EN REDONDO
Para la impresión en objetos cilíndricos se utilizan cinco espejos reflejantes, dos para
el carro de impresión, figura 5.2 y tres para el carro portamalla, figura 5.3. La secuencia de
movimientos es la siguiente:
1. Se selecciona el modo de impresión, para impresión en redondo el interruptor de
palanca debe estar activado. Al accionar el interruptor de palanca los motores de
ambos carros avanzan hacia el lado derecho.
2. Al llegar a los espejos del lado derecho, para los dos carros, estos se detienen.
3. Se acciona el botón verde que es el inicio para las impresiones, los carros avanzan
hacia el lado izquierdo de la máquina.
4. El carro de impresión al llegar al espejo del lado izquierdo se detiene, el carro
portamalla al llegar al espejo intermedio se detiene, se acciona un relevador de
tiempo interno y de nuevo avanza en la misma dirección anterior al paro. El
rasero de esparsión se activa en el momento en que se llega al espejo reflejante.

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