En un mundo donde la automatización de procesos industriales es un elemento clave en el crecimiento y desarrollo de un país, saber cómo y por qué funciona un sistema automatizado es crucial para una persona trabajadora. Con el fin de visualizar un proceso complejo de manera sencilla y entendible, con el Sistema de Distribución Automatizado en 3D se busca digitalizar un proceso de automatización haciendo uso de simulaciones gráficas para poder comprender de manera rápida y efectiva lo que dicho proceso hace, dando como resultado que la persona trabajadora tenga una mayor comprensión sobre la labor que debe realizar. El objetivo principal del proyecto es el modelar y animar una estación didáctica Festo en 3D con el fin de digitalizar en la mayor proporción posible un proceso de automatización, utilizando un PLC S7 200 para la automatización, un software CAD para el diseño 3D y software de diseño electroneumático.

Palabras clave: automatización, CAD, modelo, PLC, simulación.

In a world where the automation of industrial processes is a key element in the growth and development of a country, knowing how and why an automated system works is crucial for a worker. In order to visualize a complex process in a simple and understandable way, the 3D Automated Distribution System seeks to digitize an automation process using graphic simulations to be able to quickly and effectively understand what such process does, address resulting in the worker has a better understanding of the work to be done. The main objective of the project is to model and animate a Festo teaching station in 3D in order to digitize an automation process as much as possible, using a PLC S7 200 for automation, CAD software for 3D design and design software electro-pneumatic.

Keywords: automation, CAD, model, PLC, simulation.

A continuación se muestra uno de los métodos usados ampliamente en la industria manufacturera y automotriz, el cual se puede usar de distintas maneras dentro del sector productivo, se trata de la simulación de un proceso por medio de software del Sistema de Distribución Automatizado en 3D mediante un estudio de movimiento.

Dicho estudio permite a la persona usuaria analizar el rendimiento de un sistema, sus partes y procesos, verificando posibles errores que estos puedan provocar para, de esta forma, modificar el sistema o sus componentes de ser necesario para su correcto funcionamiento.

Se hace uso de un software de programación por PLC, integrando diagramas eléctricos y neumáticos, para finalmente representar el modelo 3D mediante un software de CAD y simulación en 3D.

Modelar y animar una estación didáctica Festo en 3D, con el fin de digitalizar en lo mayor posible un proceso de automatización, utilizando conocimientos de modelado mecánico en 3D, simulación gráfica y programación, con la finalidad de visualizar un proceso complejo de una manera sencilla y entendible.

• Modelar las piezas principales que se usan en el proceso de funcionamiento de la estación didáctica Festo en un programa CAD.
• Ensamblar las piezas de la estación modelada haciendo uso de relaciones de posición adecuadas para su correcto ensamble.
• Realizar una simulación gráfica de movimiento para visualizar el proceso de la estación animada en marcha.
• Programar un Controlador Lógico Programable (PLC) para ejecutar el proceso de automatización requerido para la estación.

Diseño del proyecto

En las figuras 1 y 2 se muestran las vistas generales y el detalle del diseño, respectivamente. Los diseños se elaboraron en SolidWorks.

Figura 1. Vista general del diseño en SolidWorks. Fuente: elaboración propia

El uso de SolidWorks en este desarrollo es pertinente, ya que como indica el sitio adr formación.com (s. f.): “…es un software tipo CAD, de diseño mecánico, que utilizando un entorno gráfico basado en Microsoft Windows permite, de manera intuitiva y rápida, la creación de modelos sólidos en 3D, ensamblajes y dibujos. Se basa en el modelado paramétrico, reduciendo el esfuerzo necesario para modificar y crear variantes en el diseño, ya que las cotas y relaciones usadas para realizar operaciones se almacenan en el modelo”¹.

Figura 2. Vista general del diseño a detalle. Fuente: elaboración propia

En las figuras 3 y 4 se muestran la vista lateral y la vista frontal del diseño, respectivamente.

Figura 3. Vista lateral del diseño. Fuente: elaboración propia

Figura 4. Vista frontal del diseño. Fuente: elaboración propia

En la Figura 5 se presenta la vista general del diseño en Blender.

Figura 5. Vista general del diseño en Blender. Fuente: elaboración propia

La mecatrónica actualmente es primordial para la realización de proyectos automatizados, como lo indica Festo (s. f): “La industria actual de la fabricación avanzada depende totalmente de la mecatrónica y de las técnicas de automatización lo cual las convierte en unos campos profesionales de rápido crecimiento La Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica, la electrotécnica, la electrónica, la tecnología de la información y el pensamiento sistémico, utilizada para el diseño de productos y procesos de automatización. La automatización industrial se encarga principalmente de la automatización de los procesos de fabricación, control de calidad y manipulación de materiales. Ambas requieren unas habilidades muy demandadas, que actualmente son también escasas”².

El funcionamiento principal del proyecto se basa en recolectar información mediante un sensor simulado dentro de la estación Festo, el cual envía la señal de acción que desencadenará el proceso.

El uso del modelado 3D para la realización de simulaciones gráficas es adecuado, ya que como indica el sitio Autodesk.mx (s. f.): “El modelado 3D consiste en utilizar software para crear una representación matemática de un objeto o forma tridimensional. El objeto creado se denomina modelo 3D y se utiliza en distintas industrias”³.

Tal como lo señala Festo (s. f.): “La estación Festo es un programa de configuración en 3D que permite confeccionar combinaciones de productos específicos de Festo en formato CAD. De esta manera, en el futuro se encontrarán accesorios con mayor rapidez y fiabilidad y de forma más sencilla"⁴.

El modelo 3D se creó tomando como referencia la estación original, usando el software de Diseño Asistido por Computadora (CAD, por sus siglas en inglés) llamado SolidWorks, para desarrollar los planos y modelos 3D para, posteriormente, realizar un estudio de movimiento. Véase la Figura 6.

Figura 6. Interfaz del estudio de movimiento. Fuente: elaboración propia

El sistema es programado mediante Ladder, que es un lenguaje de programación de interfaz gráfica utilizando el entorno de programación Step 7 como IDE principal. Véase la Figura 7.

Figura 7. Step 7. Fuente: elaboración propia

El desencadenante del inicio de marcha de la estación es controlado mediante un sensor de proximidad, como se muestra en las figuras 8 y 9.

Figura 8. Sensor de proximidad. Fuente: elaboración propia

Figura 9. Sensor de proximidad. Fuente: elaboración propia

Dentro del almacén de fichas, al detectar una, activa el cilindro que empuja a la ficha y lo lleva al lugar destinado (figuras 10 y 11).

Figura 10. Sensado de ficha. Fuente: elaboración propia

Figura 11. Colocado de ficha. Fuente: elaboración propia

Posteriormente, el pistón de empuje se desactiva y vuelve a su posición original. En dado caso que se encuentre más de una ficha en el almacén, estas caen, pero sin volver a activar el proceso hasta que este haya terminado por completo. Todo esto es manejado mediante un programa diseñado en Step 7 S200, el cual automatiza todo el proceso anteriormente mencionado. La programación realizada en Step 7 se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Programación en Step 7. Fuente: elaboración propia

El Manual del sistema de automatización S7-200 (Siemens, 2008) señala: “El S7-200 vigila las entradas y cambia el estado de las salidas conforme al programa de usuario que puede incluir operaciones de lógica booleana, operaciones con contadores y temporizadores, operaciones aritméticas complejas, así como comunicación con otros aparatos inteligentes. Gracias a su diseño compacto, su configuración flexible y su amplio juego de operaciones, el S7-200 es especialmente apropiado para solucionar numerosas tareas de automatización”⁵.

Adicionalmente, haciendo uso del software para diseño neumático y eléctrico de circuitos Festo FluidSIM, y basándose en el funcionamiento de la estación de distribución de Festo, se crearon los circuitos electroneumáticos concernientes a la automatización del proyecto en cuestión. Estos circuitos se muestran en las figuras 13 y 14, respectivamente.

Figura 13. Circuito neumático de la estación de la distribución de Festo. Fuente: elaboración propia

Figura 14. Circuito eléctrico. Fuente: elaboración propia

Para la simulación gráfica, las piezas diseñadas en el software CAD SolidWorks son exportadas al programa Blender de modelado y diseño 3D, el cual permite realizar dicha simulación haciendo uso de las herramientas de animación, iluminación, texturizado y renderizado que proporciona. A continuación, se muestran imágenes de las interfaces del programa en distintos puntos del proceso.

Figura 15. Blender, interfaz y modelo 3D. Fuente: elaboración propia

Figura 16. Blender, interfaz de animación y eventos. Fuente: elaboración propia

Figura 17. Blender, interfaz de texturizado. Fuente: elaboración propia

Se diseñó un modelo 3D de la estación didáctica Festo mediante el uso del software de CAD SolidWorks y se realizó el ensamble usando el mismo programa. Los circuitos eléctricos y neumáticos de la estación se diseñaron usando el software Festo FluidSIM”, así como una simulación del funcionamiento de este. En cuanto a la programación y automatización del proceso llevado a cabo por la estación, se realizó en el software Step 7 mediante uso del PLC S7-200.

Se logró simplificar, modelar y animar una estación didáctica de Festo en un software CAD para modelado mecánico en 2D y 3D, mediante un software de programación realizando el programa de control necesario para automatizar la estación didáctica Festo. Las fichas se guardan en el almacén, el pistón empuja la ficha del fondo y se activa el brazo giratorio, enseguida toma la ficha haciendo uso de aire a presión a través de la ventosa para, finalmente, dejarla al otro lado para su posterior uso.

1. adr formación soluciones elearning. ¿Qué es SolidWorks? [En línea] [Fecha de consulta: 15 de febrero de 2022]. https://www.adrformacion.com/knowledge/ingenieria-y-proyectos/_que_es_solidworks_.html
2. FESTO. Soluciones educativas de mecatrónica y automatización industrial – desde los fundamentos de la tecnología hasta la total automatización industrial. [En línea]. 2021. [Fecha de consulta: 14 de febrero de 2022]. https://www.festo-didactic.com/es-es/productos/mps-sistema-de-produccion-modular/soluciones-educativas-de-mecatronica-y-automatizacion-industrial-desde-los-fundamentos-de-la-tecnologia-hasta-la-total-automatizacion-industrial.htm?fbid=ZXMuZXMuNTQ3LjE0LjE4LjU4NS41Mzc0Mw
3. AUTODESK. Software de modelado 3D. [En línea]. s.f. [Fecha de consulta: 13 de febrero de 2022]. https://www.autodesk.mx/solutions/3d-modeling-software#:~:text=El%20objeto%20creado%20se%20denomina,simular%20y%20renderizar%20dise%C3%B1os%20gr%C3%A1ficos
4. FESTO. Software de configuración CAD Festo Design Tool 3D. [En línea]. [Fecha de consulta: 14 de febrero de 2022.] https://www.festo.com/mx/es/e/soluciones/digitalizacion/software-de-ingenieria/festo-design-tool-3d-id_330026/
5. SIEMENS. Manual del sistema de automatización S7-200. Edición 08/2008. Disponible en https://cache.industry.siemens.com/dl/files/582/1109582/att_22068/v1/s7200_system_manual_es-ES.pdf