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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 18, Nº 72, Septiembre 2014
DISEÑO MECATRÓNICO DE UNA MÁQUINA DE
INUTILIZACIÓN DE ENVASES DE AGROQUÍMICOS
Buchelli Carpio, Luis1
Mora Valverde, Fernando2
Cárdenas Cobo, Jesennia1
1
Facultad de Ciencias de la Ingeniería, UNEMI, Milagro, Ecuador.
2
BASF The Chemical Company, Guayaquil, Ecuador.
(Recibido 19/09/14 - Aceptado 04/11/14)
Resumen: El presente proyecto trata sobre los pasos a seguir en el diseño y automatización de una
máquina electroneumática, para la inutilización de envases de agroquímicos mediante punzonado
mecánico. El objetivo principal de este diseño es disminuir la cantidad de incidentes de riesgo
laboral por intoxicación de agroquímicos en trabajadores, así como también reducir los tiempos de
procesamiento de cada recipiente y la cantidad de agua de lavado. Para el análisis del proceso se
utilizó la metodología de la Red de Petri lo cual permitió determinar los pasos lógicos del proceso.
El software utilizado fue el SolidWorks para determinar esfuerzos mecánicos y el FluidSim para el
diseño electro-neumático, la selección de los sensores y la programación lógica en un micro PLC
LOGO-SIEMENS. La utilización de dichos software permitió reducir el tiempo de construcción e
implementación del diseño. Con la implementación de la máquina, los riesgos por intoxicación se
redujeron a una sola persona de las seis que estaban expuestas en forma directa e indirecta, se redujo
el consumo de agua en 81% y se disminuyó el tiempo del proceso en un 56 %.
Palabras claves: Automatización, Mecatrónica, Red de Petri, FluidSim, LOGO-SIEMENS.
DESIGN MECHATRONIC OF A DEACTIVATION MACHINE
OF AGROCHEMICAL CONTAINERS
Abstract: This project is about the next steps in the design and automation of an electro-pneumatic
machine for the deactivation of agrochemical containers by mechanical punching. The main
objective of this design is to reduce the number of incidents of occupational hazard agrochemical
poisoning in workers, as well as to also reduce the time working and use of washing water. The
Petri Net methodology was used for the analysis of the process which allowed to determine the
logical steps of the process. The software used was the SolidWorks to determine mechanical
stress and the FluidSim design pneumatic, the selection of sensors and logic programming in a
micro SIEMENS- LOGO PLC. The use of such software made it possible to reduce the time of
construction and implementation of the design. With the implementation of the machine, risks
poisoning were reduced to one of the six that were exposed in a direct and indirect manner, fell
the consumption of water in 81% and it decreased by 56% the time of the process.
Keywords: Automation, Mechatronics, Petri Net, FluidSim, SIEMENS- LOGO.

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Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.
I. INTRODUCCIÓN
Actualmente la cantidad de envases de
agroquímicos que se utilizan en la Región 5 en el
Ecuador, sobrepasa los centenares de unidades en
diferentes presentaciones [1], las cuales se deben
recolectar (para que no sean vendidos, desechados
a la basura o utilizados para alimentos), lavar tres
veces (enjuagar 3 veces y agitarlo con un 25%
de agua del volumen del tanque elimina en un
99.9% los rastros del agroquímico) [2], y después
de estar limpios deben ser transportados para su
reciclaje. El trabajo del lavado de recipientes de
agroquímicos que realizan las personas en las
aerofumigadoras para plantaciones de banano,
los cuales a mano deben perforar y enjuagar tres
veces el tanque es muy lento y riesgoso dada
la toxicidad de este material, como también la
gran cantidad de agua que se utiliza. Por todo
lo descrito anteriormente surge la necesidad
de diseñar una máquina que realice dichas
actividades de manera automática [3], de tal
manera que el objetivo principal es disminuir
los riesgos de enfermedades ocupacionales en
los operadores, reducir la cantidad de agua de
lavado y disminuir los tiempos de procesamiento
de cada recipiente.
II. DESARROLLO
1. Diseño mecatrónico de la máquina
El diseño de una máquina comienza cuando se
diseñan los mecanismos empleando herramientas
de Dibujo Asistido por Computador (CAD) por
parte de los ingenieros mecánicos. Una vez que
se ha completado el modelo CAD y construido
la máquina físicamente, los ingenieros eléctricos
implementan el sistema eléctrico, seleccionan
la instrumentación del proceso, seleccionan el
controlador lógico secuencial y lo programan.
Cuando se realizan las primeras pruebas de
funcionamiento, accionan todos los mecanismos y
sistemas integrados en la máquina. En esta etapa,
cualquier problema de malfuncionamiento que
requiera del rediseño en partes de la máquina,
puede conducir a grandes gastos, demora en la
entrega y además puede significar la diferencia
entre ganancia o pérdida para el constructor de la
máquina.
La participación de los ingenieros eléctricos de
forma más temprana, es crítica en el proceso de
diseño ya que reduce significativamente el riesgo
de fallos de la máquina.
La conceptualización mecatrónica del diseño,
mostrada en la Figura 1, facilita la solución a
este reto, conectando herramientas de diseño de
máquinas y creando una representación virtual
de la misma antes que los ingenieros diseñen el
prototipo físico de máquina.
Figura 1. Diseño desde el punto de vista mecatrónico.
Mediante programas de ingeniería asistida por
computador (CAE), se puede realizar un modelo
matemático virtual de la máquina y probar
movimientos, realizar análisis de materiales,
interactuar con el sistema de control y ver las
operaciones lógicas de la misma. Con el modelo
virtual, se puede probar y mejorar el diseño antes
de crear cualquier componente físico. La clave
para un buen modelo virtual es la integración de
las herramientas de Diseño Mecánico, Eléctrico y
de Sistema de Control, lo cual permite demostrar
a los clientes como funcionará la máquina antes
de ser construida [4].
El diseño mecatrónico del prototipo de ésta
máquina consta de las fases listadas en la Figura 2
mostrada a continuación.

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Figura 2. Fases del diseño mecatrónico de la máquina.
1.1 Diseño Mecánico
A. Cálculo de la fuerza de perforación del reci-
piente.
El recipiente plástico de polietileno de alta densidad
debe ser perforado con un agujero no menor a
30mm para garantizar su inutilización; un punzón
rectangular debe perforar al recipiente en cada una
de sus caras. Para determinar la fuerza de corte de
punzonado, cuando se tiene un proceso isotérmico
se utiliza la ecuación [5]:
V=∫ τdA (1)
Donde
τ: es el esfuerzo cortante a la rotura del material [Mpa]
dA: es el diferencial de área de incidencia del corte.
Según la normativa de estándar Británico BS-2782,
método 340B3, el esfuerzo de corte en materiales
plásticos está dado por [6]:
(2)
Donde
V: es la fuerza cortante [N].
B: es el ancho de la punta rectangular [mm]
T: es el espesor del recipiente [mm]
f = 1.2-1.5: factor de empaquetamiento y fricción
entre el material y el punzón
Según la Figura 3, el esfuerzo cortante a la rotura
es 25 MPa [7]:
Figura 3. Diagrama esfuerzo-deformación para el
Polietileno de alta densidad.
Entonces, para el punzón rectangular de 32mm de
lado que atraviesa el recipiente plástico de 3mm
de espesor, la fuerza cortante es V=7546 N (1698
lbf). Esta fuerza no es más que la fuerza de salida
proporcionada por el vástago del cilindro
B.Cálculodeldiámetrodeloscilindrosneumáticos.
La presión está definida por [8]:
F=∫ PdA (3)
Donde
F: es la fuerza de salida proporcionada por el
vástago del cilindro [N].
P: es la presión del aire comprimido [Pa]
dA: es el diferencial de área circular de incidencia
de la presión en el émbolo.
Integrando, para un área circular constante y
despejando el diámetro de dicha sección, se tiene
que:
Φ=√(4F/(πP(1-f))) (4)

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Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.
Donde
Φ: Diámetro del cilindro neumático [plg]
F: fuerza de salida del vástago del cilindro [lbf].
P: es la presión del compresor [105 psig]
f: es el factor de fricción que reduce la fuerza de
salida (10%).
El cálculo proporciona un diámetro de:Φ=5.2
pulgadas (132mm). Por lo tanto, a partir de este
dato se selecciona un cilindro neumático comercial
de 6 pulgadas de diámetro.
C. Caudal del cilindro y selección del compresor.
La ecuación simplificada [9] que determina el
caudal de aire libre para el cilindro neumático es:
(5)
Donde
V ̇: es el caudal requerido para el cilindro neumático
[cm3/min]
Lc:eslacarrerarealizadaporelvástagodelcilindro[cm].
Φ: es el diámetro interno del cilindro neumático [cm]
θ: eseldiámetrodelvástagodelcilindroneumático[cm]
n: es el número de ciclos por minuto
P’: presión de funcionamiento del cilindro
neumático [Kpa].
El caudal de aire libre es de 331800 cm3/min (11.7
cfm) tanto para el cilindro neumático superior de
carrera 1m como el cilindro inferior de 0.25m,
cuando funcionan a una presión de diseño de
P’=620 KPag (90psig) y una cantidad de 2.4 ciclos/
min. En la Figura 4 se proporciona el diagrama de
avance y retroceso del pistón durante el punzonado.
Figura 4. Diagrama de avance y retroceso del pistón al
punzonar el envase.
El consumo de aire libre para presurizar el
recipiente de 55 galones y que expulse a presión el
líquido por debajo, está dado por la ley de los gases
ideales para procesos isotérmicos [10]:
(6)
V ̇pr: es el caudal para presurizar el recipiente
[litros/min]
Vr:eselvolumendelrecipientedeagroquímico[litros].
P': Presión en el recipiente para expulsar el
agroquímico mediante el lavado [(4 psig)]
∆t: es el tiempo para presurizar el recipiente [20seg]
V ̇pr=780 lt/min (27.5 cfm)
El consumo total de aire libre de la máquina es
1111.8 lt/min (39.3 cfm), dado por el consumo
de los cilindros más la presurización del
recipiente:
Una aproximación empírica de la potencia
requerida por el compresor es:
(7)
W ̇: es la potencia necesaria del compresor [Hp]
V ̇total: es el caudal total de aire libre requerido por
la maquina [pies cúbicos/min, cfm].
Por lo que se debe seleccionar un compresor
comercial con potencia 10Hp [7.5KW]
D. Diseño de la estructura de la máquina
Conociendo los elementos principales que
componen la máquina y sus necesidades de
funcionamiento,se seleccionan las partes utilizando

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las especificaciones comerciales de venta en el
Ecuador; luego de esto, se procede a realizar el
diseño estructural empleando el software AutoCad,
mostrado en la Figura 5.
Figura 5. Diseño en AutoCad 3D de los elementos
comerciales seleccionados.
E. Análisis de los esfuerzos estructurales de la
máquina.
Al seleccionarse el cilindro neumático de 6
pulgadas de diámetro, el compresor puede
entregar presiones de hasta 115psig (792KPa)
que provocarían fuerzas de 2925 lbf (13005
N). La estructura de la máquina soportará estas
tensiones en sus columnas, por lo que se realiza
un análisis estructural para determinar las
máximas deformaciones y esfuerzos que puedan
provocar daños en la misma.
Existen dos tipos de análisis estructural: el
estático y el de fatiga, notándose que el más
crítico es el análisis estático. Este análisis se
efectuó con el software de SolidWorks 2014.
El resultado del análisis con este software se
muestra en la Figura 6.
Figura 6. Análisis estructural en un software de
ingeniería asistida por computador SolidWorks.
Luego del análisis realizado, la máxima
deformación en la estructura es de 0.94mm y se
ubica en la doble viga “C” de longitud 900mm,que
soporta el cilindro neumático superior y es menor
al criterio de la relación L/360 para cargas vivas,
según el Código Internacional de Construcción
(IBC 2012 tabla 1604.3), lo cual asegura un buen
diseño estructural.
1.2 Diseño Eléctrico
Para el diseño eléctrico se tomó en cuenta la
parte más crítica: la selección de los sensores y
actuadores para el movimiento de punzonado.
F. Selección de sensores y actuadores.
En la Figura 7 se muestra el diagrama de flujo
del proceso de funcionamiento de la máquina,
de acuerdo a las necesidades del problema de
perforar y lavar el envase. Se infiere de dicha
figura la necesidad de los sensores y actuadores
mostrados en la Tabla I.

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Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.
Figura 7. Diagrama de flujo del proceso del
funcionamiento de la máquina.
Tabla I. Selección de sensores y actuadores.
G. Diseño del Sistema electro neumático.
Conociendo los sensores y actuadores y el
funcionamiento general del sistema, se diseñó el
sistema electro neumático mostrado en la Figura 8.
Figura 8. Diseño del sistema electro neumático.
1.3 Diseño del Sistema de Control
H. Selección del controlador lógico programable
(PLC).
Para la selección del controlador lógico
programable, se tomaron en cuenta la cantidad de
entradas y salidas, y si son digitales o analógicas.
En este caso todas las señales son digitales.
El controlador lógico seleccionado es Logo
Siemens OBA7 con dos módulos de entradas y
salidas digitales.
Sensores Nombre Actuadores Nombre
Start, Normalmente cerrado
(NC)
I1
Salida del Pistòn “A”,
Electroválvula 5/3
biestable
Q1
Stop, Normalmente abierto
(NO)
I2
Salida del Pistòn “A”,
Electroválvula 5/3
biestable
Q2
Sensor pistón “A” subida,
NO
I3
Salida del Pistòn “B”,
Electroválvula 5/2
biestable
Q3
Sensor pistón “A” bajada,
NO
I8
Inyección de Agua,
Electroválvula 2/2
Q4
Sensor de puerta abierta,
NO
I4
Inyección de Aire,
Electroválvula 2/3
Q5
Sensor pistón “B” subida,
NO
I6
Contactor de moto-
rreductor, punta de
lavado
Q6
Sensor pistón “B” bajada,
NO
I5
Contactor de
motorreductor de
plataforma, giro de
recipiente
Q8
Nivel Alto de Cisterna de
residuos, NO
I7
Aviso Luminoso
(opcional)
Q7
Sensor de presión del agua,
NO
I9
Sensor de presión del aire,
NO
I10
Selector Manual, NO I16
Manual Motor de Giro del
recipiente, NO
I11
Manual de salida del pistón
“A”, NO
I12
Manual de retroceso del
pistón “A”, NO
I13
Manual de inyección del
agua
I14
Manual de inyección del
aire, NO
I15
Total Entradas 15 Total Salidas 8

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El diseño del sistema de control secuencial se
realiza siguiendo los pasos mostrados en la Figura
9. En la Figura 10 se muestra su conexión eléctrica.
Figura 9. Diagrama de flujo para el diseño de control por
medio del PLC.
Figura 10. Conexión eléctrica del PLC.
I. Programación del dispositivo programable
(PLC).
Tomando como base al diagrama de flujo de
procesos se construyó el diagrama, mostrado en
la Figura 11, para la programación del dispositivo
programable (PLC) en una representación
matemática gráfica como es la Red de Petri [11].
Figura 11. Red de Petri para la secuencia del PLC

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Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.
La programación del PLC se realiza en base a
los tiempos y movimientos de la Red de Petri. La
misma se muestra en la Figura 12 realizada en el
software Logo Soft Confort de Siemens.
Figura 12. Programación grafica del PLC en el software
Logo Soft Comfort.
2. Construcción e implementación de la máquina
diseñada
A continuación en las Figuras 13 y 14 se muestran
respectivamente: la vista interna de la construcción
de la máquina y su instalación.
Figura 13. Vista interna de la construcción de la
máquina.
Figura 14. Instalación de la máquina.
J. Indicadores de resultado y de monitoreo
Para evaluar el proceso de inutilización de enva-
ses de agroquímicos entre el triple lavado manual
realizado por los trabajadores y el realizado por la
máquina, se emplean los indicadores de gestión,
listados y calculados en la Tabla II mostrada a con-
tinuación. A saber:
Índice de Tiempo Total (ITT)
Índice de Utilización de Agua (IUA)
Tabla II. Índices de resultado y monitoreo
Para determinar si el proceso industrial de nuestra
máquina logró el objetivo general que es la inuti-
lización de envases, se utilizan los indicadores Ín-
dice de envases inutilizados e Índice de expuestos
a intoxicación, los cuales se determinan de la ma-
nera siguiente:
Índice Detalle Valor Observación Lugar
ITT 4min/9min 0,44
Reducción
del 56% Pista
Estrella-
San Juan-
Provincia de
Los Ríos-
Ecuador
IUA 30litros/156litros 0,19
Reducción
del 81%
IEI 122/301 0.40
Reducción
del 60%
IEX
1 persona/6
personas
0,17
Reducción
del 83%

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 18, Nº 72, Septiembre 2014
Índice de envases inutilizados (IEI)
Índice de expuestos a intoxicación (IEX)
Finalmente, se realizaron las pruebas a los envases
agroquímicos de 55 galones, con el objeto de eva-
luar el proceso de inutilización. Ver Figura 15.
Figura 15. Pruebas de inutilización realizadas a los
envases de agroquímicos de 55 galones.
III. CONCLUSIONES
El diseño de una máquina es un proceso en el que se
debe tener en cuenta los tres principales sistemas: el
mecánico, el eléctrico y el de control. Ninguno de
ellos puede trabajar sólo, todos dependen entre sí.
Con la ayuda de diferentes software presentados, se
reduce el tiempo de construcción e implementación
y facilitan la relación con el cliente buscando
satisfacer sus necesidades sin incurrir en costos
innecesarios y reclamos.
Con la implementación de esta máquina, los
riesgos por intoxicación se redujeron a una sola
persona de las seis que estaban expuestas en
forma directa y en forma indirecta, los familiares
de los trabajadores y personas relacionadas con la
aerofumigadora, al no haber fuga de recipientes a
los poblados vecinos.
Se redujo el consumo de agua en 81%, al utilizar
sólo 30 litros por cada tanque de 55 galones
comparado al triple lavado manual que utiliza 156
litros.
El tiempo del proceso disminuyó en 56%, al
reducirse a 4 minutos por lavado de tanques de
55 galones, con respecto al corte con machetes o
sierras de arco utilizados en el procedimiento de
lavado manual. Las Figuras 13, 14 y 15 muestran
fotografías de la instalación diseñada y construida.
Como futura línea de investigación, se recomienda
realizar un estudio de los desechos de todos los
agroquímicos que se aglomeran en la cisterna de
residuos, para un reproceso final de reciclaje, ya
que normalmente sirven como líquido de enjuague
en la inyección de agroquímicos a las aeronaves de
fumigación. Además, se recomienda añadir otro
proceso que permita triturar los envases, reducir
su volumen y bajar los costos de transporte.
IV. REFERENCIAS
[1] CropLife Ecuador, Reporte anual 2012, página
23, 24/07/2014. Documento en línea disponible en:
http://www.croplifeecuador.org/reporte2012.pdf
[2] nstituto Ecuatoriano de Normalización, NTE
INEN 2078: Plaguicidas, Eliminación de residuo
sobrante y de envases, primera edición, paginas
4-8, año 1998, revisión 2012.
[3] Castelli T. Gabriela Fernanda, Ensayo
comparativo entre el triple lavado de envases de
productos fitosanitarios y el enjuague con boquillas
hidrolavadoras, ISBN: 978-987-05-0920-2,
Edición del Autor, año 2003.
[4] National Instruments, Mecatrónica, Cinco
Retos y Soluciones de Diseño para Constructores
de Máquinas, pagina 1-2, 2008, 24/07/2014, http://
www.ni.com/white-paper/145/es/pdf.
[5] Resistencia de Materiales. Cuarta edición,
Pytel Singer, La Harla, pagina 152 y Año de
edición: 1994

10. 99
Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.
[6] British Estándar, BS 2782-3: Methods 340ª and
340B: 1978 update 2008, página 5, 24/07/2014,
www.dlqyw.net
[7] Springer Handbook of Condensed Matter
and Materials Data, Martienssen, Werner,
Warlimont, Hans (Eds.), 2005, XVIII, part 3.3
polymers, página 7. 24/07/2014. Documento
en línea disponible en: http://j.gs/1081524/
www.springer.com/cda/content/document/
cda_downloaddocument/9783540443766-c3.
pdf?SGWID=0-0-45-140869-p29397945
[8] Mecánica de Fluidos, D. A. Dámano Ecología
y Energía Cuernavaca, Mexico, MihirSen,
Universidad de Notre Dame, EEUU, 2009, página
49, http://www3.nd.edu/~msen/MecFl.pdf
[9] Neumática e Hidráulica, CreusSole Antonio,
Alfaomega, pagina 36, primera edición, año
2007.
[10] Termodinámica, Y. Cengel, M. Boles, sexta
edición, McGraw Hill página 138, año 2009.
[11] Las redes de Petri: teoría y práctica. Teoría
y análisis, G. W. Brams, Masson, 1986, ISBN:
8431103930.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a los representantes de las compañías
BASF y AIFA en Ecuador, por todo el apoyo
brindado en la construcción de esta máquina.