Tlacuilo | Cuaderno de Investigación UVP No.12

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Cuaderno de Investigaciรณn

de la Universidad del Valle de Puebla

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DIRECTORIO Presidente de la Junta de Gobierno Mtro. Jaime Illescas López Rectora Dra. María Hortensia Irma Lozano e Islas Director de la División de Ingenierías Ing. Eduardo Torres García Editoras Responsables Mtra. Irma Higinia Illescas Lozano Dra. María Hortensia Irma Lozano e Islas Coordinadora Editorial y de Publicaciones Mtra. Laura Serrano Zenteno Diseño Editorial Mtra. Gabriela Arias Limón.

Tlacuilo, año 8, No. 12, diciembre del 2018, es una publicación cuatrimestral editada por la Universidad del Valle de Puebla S.C., calle 3 sur # 5759, Col. El Cerrito. CP. 72440, Puebla, Puebla, Tel. (222) 2669488, www.uvp.mx; Editoras Responsables: Dra. María Hortensia Irma Lozano e Islas. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2018-013111212700-102, ISSN: En trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional de Derechos de Autor. Responsable de la última actualización de este Número, Mtra.

Laura Serrano Zenteno, Coordinadora Editorial y de Publicaciones de la Universidad del Valle de Puebla S.C., calle 3 sur # 5759, Col. El Cerrito. CP. 72440, Puebla, Puebla. Fecha de la última modificación, 03 de diciembre de 2018. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan las posturas de la Universidad del Valle de Puebla, de la Editora Responsable o de la coordinadora de la publicación.

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ÍNDICE Aplicación de video-llamada mediante un modelo de servicio en la nube y WebRTC Roberto Carlos Carrillo Figueroa Página 6

Diseño de un manual de prácticas de laboratorio para la asignatura de Procesos de Manufactura Alfredo Valera Suárez Página 24

Procesos y procedimientos para el modelado y control de un Robot de dos ruedas mediante péndulo invertido utilizando la plataforma lego Mindstorms NXT en la Universidad del Valle de Puebla Mario Josué Pérez Cruz Página 35

CNC de bajo costo Edgar Daniel Benítez Monroy Página 69

Biodiesel: una alternativa para los combustibles fósiles Jorge Eduardo Lomelí Martínez Minerva Maricela Salinas González Página 83

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EDITORIAL El ser humano, desde el inicio de los tiempos, ha procurado innovar en ámbitos de la tecnología. Prueba de ellos es el uso de flechas, cuchillos, arcos, por mencionar algunos. A lo largo de la historia, el hombre se ha visto en la necesidad de mejorar su entorno, pero de igual forma, ha encontrado obstáculos que, en determinado momento, le dificultan o impiden llevar a cabo la innovación del conocimiento.

Prueba fiel del ingenio y el entorpecimiento del conocimiento se nos presenta Leonardo da Vinci como el precursor de muchos de los inventos de la época moderna.

Desde la antigüedad hasta la época actual, el ingenio ha desembocado en proyectos que nos brindan una vida más cómoda y asequible. Producto del esfuerzo, investigación y estudio, es que nos llega este volumen de la Revista Tlacuilo. En esta ocasión, el contenido temático se circunscribe al área de ingenieras, el cual brinda diferentes perspectivas.

Entre los trabajos que se pueden encontrar en el presente volumen se encuentra el intitulado “Aplicación de video-llamada mediante un modelo de servicio en la nube y WebRTC” presentado por Roberto Carlos Carrillo. Por otro lado, Jorge Eduardo Lomelí y Minerva M. Salinas nos presentan el trabajo “Biodiesel: una alternativa para los combustibles fósiles”.

Cabe señalar que estas investigaciones son producto de tesis de grado de la Universidad del Valle de Puebla y, de igual forma, todas ellas pertenecientes a la División de Ingenierías. El lector encontrará el trabajo sobre “Diseño de un manual de prácticas de laboratorio para la asignatura de Procesos de Manufactura” presentado por Alfredo Valera Suarez. De igual forma se presenta el trabajo intitulado “Procesos y procedimientos para el modelado y control de un Robot de dos ruedas mediante péndulo invertido utilizando la plataforma lego Mindstorms NXT en la Universidad del Valle de Puebla” de Mario Josué Pérez Cruz.

Para cerrar este número, el lector encontrará el trabajo de Edgar Daniel Benítez Monroy, quien presentó el trabajo denominado “CNC de bajo costo”. La Revista Tlacuilo tiene como finalidad acercar el conocimiento de sus tesistas a la comunidad universitaria, quienes puedan consultar en lo que se está trabajando.

Mtra. Laura Serrano Zenteno Coord. Editorial y de Publicaciones Universidad del Valle de Puebla

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Aplicación de video-llamada mediante un modelo de servicio en la nube y WEBRTC Roberto Carlos Carrillo Figueroa1 Introducción Con la aparición de los dispositivos electrónicos para grabación y reproducción de multimedia en el siglo xx, en base a la necesidad de transmitir dichos medios, la conceptualización de la palabra streaming no se definiría hasta abril de 1995, como la forma de transferir de una forma eficaz, archivos de audio y video dentro de la www (World Wide Web). Antes de esta fecha todo el acceso a recursos multimedia por vía Internet tenía que ser previamente descargado al disco duro para su posible interpretación. El streaming se desarrolló como una tecnología con la cual un archivo puede descargarse y reproducirse al mismo tiempo, lo que conlleva a tiempos de espera mínimos.

Los problemas en la transmisión de elementos multimedia en tiempo real habían sido difíciles de solventar debido a que se requerían costosos servicios de audio y video para poder implementar y utilizar esta característica dentro de la web, lo cual, para empresas pequeñas no era conveniente. Esto solo eran una parte de las limitantes para un servicio estable, a comienzos del año 2000 con el crecimiento de usuarios y de dispositivos multimedia capaces de conectarse a Internet, surgieron deficiencias en cuanto a la infraestructura (servidores, anchos de banda y topologías de red), administración (base de datos, centralización, escalabilidad) y funcionalidad (integración, codecs, protocolos de red, licencias, especificaciones y estandarizaciones) de las empresas que prestaban servicios de streaming.

Reseña del director de tesis: Eduardo Berra Villaseñor es profesor investigador de la Universidad del Valle de Puebla. Estudió ingeniería en sistemas computacionales en el Instituto de Tecnológico de Tehuacán, la maestría en desarrollo de software en el Instituto de Ciencia y Humanidades de la ciudad de Puebla. Docente investigador de la Universidad del Valle de Puebla, fundador de la línea de investigación Interfaces Naturales en la misma casa de estudios. Es maestro en desarrollo de software, ha publicado artículos de investigación a nivel nacional e internacional, ponente en conferencias en congreso a nivel nacional. Ha realizado diversos proyectos con drones, interfaces naturales y con el SDK de Kinect, Microsoft. Expositor en Campus Party 2013 con la conferencia “Control de drones mediante Kinect” en conjunto con el maestro Rodrigo Cuautle Parodi y 2016 con la ponencia Robot que controla robot.

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Como solución a gran parte de la problemática en infraestructura y administración, muchas empresas comenzaron a ofrecer soluciones en la nube para superar estas limitantes. Un ejemplo es presenta cuando a finales de 2003, Chris Pinkham y Benjamin Black presentaron un documento proponiendo a la compañía Amazon construir y vender un conjunto de servicios basados en la experiencia de la construcción y uso de su infraestructura (Black, 2009). Julie Bort (2012) señala que, aceptada su propuesta, toma forma Amazon Web Services (AWS) en 2006 bajo la tutela de Chris Pinkham con Christopher Brown como desarrollador.

Amazon Web Services comenzó a proporcionar servicios de infraestructura de ti para empresas en forma de servicios web, más conocido hoy como informática en la nube. Los beneficios clave de la informática en nube son, entre otros, la oportunidad que ofrece de sustituir los gastos de infraestructura de capital por costes variables inferiores que varían según su negocio. Gracias a la nube, las empresas ya no tienen que obtener servidores ni infraestructura de ti o realizar planificaciones con meses o semanas de antelación. En cambio, pueden poner en marcha en el momento cientos de servidores en cuestión de minutos y ofrecer resultados de manera más rápida (Amazon Web Services, 2014).

En conjunto con estos servicios surge en mayo del 2011 la primera implementación de WebRTC, la cual se encontraba en desarrollo desde 2008, reuniendo las tecnologías necesarias para solventar los problemas de funcionalidad y uso dentro de diferentes sistemas operativos, esto mediante el desarrollo de la programación web con Javascript y en conjunto con protocolos de red ya implementados en otras tecnologías, para uso específico de streaming de datos tipo media y otros protocolos para el establecimiento de una conexión entre User Agents.

Gracias al desarrollo de estas tecnologías, la disponibilidad, la implementación mediante WebRTC, los servicios de streaming y otras tecnologías (mensajes de texto, video llamadas, sincronización con redes sociales, entre otras) ya son posible dentro de aplicaciones y en conjunto con otros servicios, todo enfocado a desarrolladores de aplicaciones web y móviles.

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Actualmente la competencia entre los grandes sistemas operativos móviles ha hecho que las plataformas en la nube sean la mejor ruta a seguir, ya que están orientadas a agilizar el desarrollo de aplicaciones móviles (iOS, Android, Windows Phone, BlackBerry) y web (HTML5) volviendo complicado únicamente el desarrollo de la aplicación y no limitándose por infraestructura y funcionalidad.

Metodología Objetivos Objetivo General: Uso de una plataforma en la nube (BaaS) mediante el servicio de QuickBlox para la implementación, despliegue y administración de una aplicación web y móvil de video-llamada mediante la especificación y código abierto de WebRTC, para la comunicación entre docentes y alumnos de la Universidad del Valle de Puebla.

Objetivos Específicos: • Uso de un servicio en la nube (BaaS) para uso exclusivo de la Universidad del Valle de Puebla.

• Implementación de una aplicación de video-llamada para la web y para dispositivos móviles mediante WebRTC (IOS y Android).

• Modificación del código fuente para streaming de video con anchos de banda limitados.

Planteamiento del Problema En la actualidad cualquier contenido audio-visual se puede transmitir inalámbricamente desde un ordenador a otro desde cualquier parte del mundo, esto gracias a servidores web en la nube y una lógica de programación en constante desarrollo del lado del cliente, lo cual, hace posible que las aplicaciones que utilizamos para la transferencia de archivos multimedia tengan mejores capacidades.

La web 2.0 está reemplazando la forma tradicional de mensajes de texto por video llamadas las cuales permite una mejora en las capacidades interpersonales del ser humano dentro de esta nueva revolución comunicativa que se viene desarrollando desde el siglo XX hasta la fecha.

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La Universidad del Valle de Puebla (UVP) ha implementado mejoras tecnológicas para facilitar la comunicación entre todo el personal, tanto docentes como al alumnado. Un ejemplo es el correo universitario, el cual a través de “Hangouts” cuenta con la tecnología para soportar videollamadas, sin embargo, el servicio se ofrece con un alcance limitado en cuanto a: •Monitoreo, administración, tráfico, de datos y usuarios sin necesidad de complementos y con capacidades específicas orientadas a las necesidades de la empresa que las solicita.

• Aplicación de herramientas para análisis de uso detalladas.

• Integración con bases de datos y servicios fuera de la web (Ej. Infraestructuras de VoIP y SIP) A su vez por ser un software de terceros las siguientes deficiencias se ven manifestadas en su servicio: •Modificación del código fuente para mayor productividad y anidación con aplicaciones fuera del marco de trabajo de productos y servicios de Google.

•Es necesario contar con una cuenta de Google, lo cual crea fricción entre usuarios finales y el alcance de usuarios se ve limitado.

•Es necesaria la instalación de plug-ins y complementos para añadir nuevas funcionalidades en el servicio.

Resultados Implementación del sistema En el modelado arquitectónico se comenta que como solución a esta limitante de red, se implemente dentro del núcleo de WebRTC dentro de cada código fuente de las aplicaciones unas limitantes (constraints) en las tracks generadas dentro de la RTCPeerConnection(). Se describieron las características de esta limitante a implementar. A continuación se describe la solución implementada para cada plataforma: a) Implementación Web: En la Fragmento de Código 1 se visualiza el método getUserMedia() en el que se aplica la limitante con las características necesarias para este proyecto:

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Fig. 1: Limitante dentro del método getUserMedia().

El código describe un algoritmo en que de manera obligatoria se prescriben los valores por default que tomara este método de la fuente y los aplicara a cada track que se genere dentro de una RTCPeerConnection. b) Implementación móvil Android: Para la implementación en Android, se utiliza el sdk para Android que ofrece Quickblox, la cual envuelve el funcionamiento de WebRTC en una aplicación, en vez de utilizar el navegador como punto de acceso. Como consecuencia la estructura general del código cambia, aunque las definiciones en su mayoría siguen siendo las mismas. Además, al utilizar un sdk de un vendedor de software, la manipulación de código es limitada, por lo que la implementación de la solución se ve limitada.

En el Fragmento de Código 2 podemos observar las limitantes por defecto que vienen integradas en la aplicación:

Fig. 2 Fragmento de Código 2: Limitantes por defecto para Android.

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Pero de estas limitantes, la aplicación utiliza VGA_MAX_VIDEO_WIDTH y VGA_MAX_VIDEO_WIDTH como resolución máxima para la transmisión de audio y video como se muestra en el Fragmento de Código 3:

Fig. 3 Fragmento de Código 3: Limitante Usada por la Aplicación.

En el Fragmento de Código 3 se observa una variable DEFAULT_YUV_ FRAME_WIDTH y DEFAULT_YUV_FRAME_WIDTH la cual ofrece una resolución por default para el frame de video de 640x480, la cual se ajusta la limitante propuesta en la implementación de este proyecto y aunque en este caso no tengamos una limitante mínima, el motor de audio y video de WebRTC dinámicamente ajustará la resolución del flujo de media acorde a las condiciones de red de los nodos; la aplicación puede aplicar y actualizar las limitantes (Grigoryk, 2013). Con base a las condiciones de red de la universidad (mostradas en el modelado arquitectónico) resulta imposible que un motor de video pueda ajustar automáticamente a una resolución más alta que la propuesta, en primer lugar, por la limitante ya definida y en segundo lugar por las condiciones de red existentes.

El que no haya una limitante mínima afecta a la aplicación en el sentido de que el motor de video puede ofrecer una resolución menor a la limitante mínima propuesta (si las condiciones de red lo permiten), lo que conllevaría a retrasos y fallas que pueden contradecir lo propuesto en los requerimientos del software. c) Implementación móvil

IOS: Para la implementación en iOS, las condiciones de implementación de solución son similares que las de Android. En el Fragmento de Código 4 podemos observar las limitantes por defecto aplicadas al sdk para iOS de Quickblox:

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Fig. 4 Fragmento de Código 4: Limitantes por defecto para iOS.

El funcionamiento del stream de audio y video es igual a la situación mencionada anteriormente para Android; la aplicación no excederá esa resolución, pero al no existir una limitante mínima, la aplicación podrá tratar de enviar datos con resoluciones menores a las establecidas por esta solución y como consecuencia pueden aparecer retrasos y fallas que rebasan los requerimientos de este software.

Prueba de Entrega El objetivo de esta prueba es incrementar la confianza de que el sistema a entregar al cliente satisface sus requerimientos. Esta prueba es comúnmente conocida como un proceso de caja negra, porque se considera el funcionamiento del sistema como desconocido y se estudia solo el comportamiento de este mediante la entrada y salida de datos.

El escenario para el caso de prueba es el siguiente: Un estudiante de sistemas de la Universidad del Valle de Puebla necesita iniciar una video llamada con un compañero de idiomas que se encuentra en villas UVP, ya que se encuentran en colaboración desarrollando un software para el aprendizaje de inglés para niños de preescolar, el estudiante de idiomas se encuentra realizando prácticas profesionales en X (por seguridad omitiremos el nombre de la institución) y no puede abandonar su puesto de trabajo. El estudiante de sistemas se encuentra en desarrollo de la aplicación y solo necesita consultar y mostrar a su compañero si la

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interfaz es intuitiva y la sintaxis de la prueba desarrollada en ese momento es correcta: el compañero de villas solo cuenta con su teléfono móvil.

Ambos alumnos necesitan iniciar sesión en la aplicación web y móvil para realizar la video llamada dentro de la red universitaria, la cual trabaja con anchos de banda limitados y de naturaleza dinámica, necesitan mantener una conversación fluida con una calidad de audio y resolución de video moderado para poder escuchar y visualizar la información que necesitan, añadiendo a que necesitan establecerla lo más rápido posible.

Los alumnos al formar parte de comunidad universitaria, ya deben contar con sus credenciales oficiales para login de usuario al sistema, con lo cual el usuario con dispositivo móvil solo necesita descargar e instalar la aplicación y el usuario web solo tiene que ingresar a la liga de la aplicación web. Al inicio los usuarios se encontrarán con un menú como el de la Figura 5.6:

Fig. 5.6. Interfaz inicial de la aplicación web (figura de elaboración propia).

Al dar clic en el botón Iniciar Sesión se nos mostrará el formulario para inicio de sesión mediante credenciales, si el usuario no ingresa ningún dato la aplicación señalará el campo faltante en verde, con el mensaje de error en rojo, como se muestra en la Figura 5.7:

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Fig. 5.7. Mensaje de error en login por textbox vacío (figura de elaboración propia).

Si el formato de correo electrónico (e-mail) no es el correcto la aplicación mostrará el mensaje de error correspondiente, como se puede apreciar en la Figura 5.8:

Fig. 5.8. Mensaje de error por dirección de E-mail inválido (Elaboración propia).

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Si la contraseña es incorrecta o el usuario no se encuentra dado de alta en el sistema se mostrará el mensaje de error correspondiente como se muestra en la Figura 5.9:

Figura 5.9. Mensaje de error por usuario inexistente o contraseña equivocada (Elaboración propia).

Una vez conectados la prueba comienza, para esto ya se tienen que tener ambos dentro de su lista de amigos, inicialmente se mide el ancho de banda disponible por la red del edificio villas y de la facultad de sistemas:

Fig. 5.10. Ancho de banda disponible en la facultad de sistemas al momento de la prueba (figura de elaboración propia).

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Fig. 5.11. Ancho de banda disponible en el edificio villas al momento de la prueba (figura de elaboración propia).

Inicialmente podemos suponer, pese a la naturaleza dinámica de la red, que la conexión se establecerá con su máxima resolución de video, ya que tomando en cuenta la Tabla 5.4 dentro del modelado arquitectónico, el mínimo de ancho de banda para una resolución de 854x480 (640x480 para la limitante implementada en este proyecto) es de 500 Kbps. Pero como veremos en las pruebas a continuación, esta resolución no siempre se lleva a cabo. El resultado visual del video llamado se puede observar en la Figura 5.13:

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Fig. 5.12. Interfaz de aplicación durante la video llamada desde sistemas a villas mediante aplicación web desde un ordenador y un dispositivo móvil Android (figura de elaboración propia).

Haciendo uso del api Web-RTC internals la cual muestra, entre otras cosas, métricas de transmisión de video y ancho de banda en tiempo real, se puede observar en las Figuras 5.14 y 5.15 las gráficas de estas mediciones enmarcadas en recuadros azules:

Fig. 5.13. Resolución de video durante 1.5 segundos, enviado desde la aplicación web (figura de elaboración propia).

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Fig. 5.14. Resolución de video durante 3 segundos, recibidos desde el dispositivo móvil (figura de elaboración propia).

Podemos observar que cuando inicia la video llamada a las 16:33:25 la limitante pone como tope una resolución de 640x480, aunque los requerimientos de ancho de banda de la Tabla 5.14 del modelado arquitectónico no son exactas, se puede observar en la Figura 5.16, que en ese momento el ancho de banda de descarga oscila entre los 250 Mbps y 500 Mbps suficientes para la resolución máxima de nuestra limitante, lo mismo para el ancho de banda de subida.

Fig. 5.15: Y de subida disponible en tiempo real al momento del video llamado. (figura de elaboración propia).

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Pero repentinamente entre el tiempo 16:34:00 y 16:35:00 decrece la resolución a un aproximado de 300x220, caída que se puede corroborar en la Figura 5.16, la cual es menor a los 400 Kbps de descarga y menor a los 250 Kbps de subida, por lo que la limitante en conjunto con el evento Negotiationenneeded realiza los cambios correspondientes junto con el RTCPeerConnection() para que la resolución se ajuste al ancho de banda disponible en ese momento.

A lo largo del desarrollo de este proyecto de tesis se dio a conocer el universo que rodea a los sistemas de software en la actualidad, basado principalmente en los proveedores de servicios en la nube y sistemas orientados a este nuevo modelo. Además se estudió el cómo se transmite el flujo de datos tipo media en la actualidad, con lo cual se pudo establecer bases sólidas para el diseño de una aplicación para video llamadas con la especificación de WebRTC, la cual es un conjunto de especificaciones, API’s y protocolos de red que implementados sobre la infraestructura adecuada puede ofrecer un funcionamiento según sea el caso de uso que se le pueda destinar, sin necesidad de pagos de licencias o codecs, limitaciones en el código fuente, ni instalación de plugins adicionales.

La manera en que estuvo dirigido el proyecto hizo posible que se obtuviera una aplicación con las siguientes características: •Interoperabilidad a través de distintos dispositivos, sistemas operativos y navegadores web.

• Interfaces intuitivas y atractivas al usuario gracias a css y Javascript principalmente.

• La escalabilidad y flexibilidad que el sistema presenta, ya que gracias a Quickblox, dependiendo de las necesidades que surjan de la aplicación, esta pueda crecer o disminuir en los servicios de infraestructura, además que, gracias a su equipo de desarrollo, cada vez generan más sdk’s para distintos sistemas operativos.

•La aplicación de video llamada uvp es un sistema completo que cumple con todos los objetivos establecidos al inicio del proyecto.

Y debido a su adaptabilidad a nuevos y variados casos de uso, esta aplicación puede considerarse como punto de partida para desarrollo de nuevos proyectos, implementaciones y anidaciones a sistemas existentes.

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Como consecuencia la aplicación implementada y su solución en base a los objetivos generales y específicos demuestran un nivel aceptable para la realización de las siguientes funciones: • Iniciar sesión en un sistema de software mediante dispositivos hardware con diferentes características.

• Enviar solicitudes de amistad y entablar conversaciones de texto, audio y video llamado con otro dispositivo conectado a la red.

• Transmitir datos genéricos entre dispositivos.

• Visualizar datos de perfil de las personas dentro del sistema.

• Entablar video llamadas en anchos de banda congestionados y dinámicos.

Trabajo Futuro La idea de este proyecto, no es solo vislumbrarse como un proyecto con el objetivo terminado, sino como la primera etapa de un sistema que engloba el streaming de audio y video dentro de la web. La finalidad va más allá de transmitir audio y video mediante aplicaciones web y móviles, puesto que la especificación y código de WebRTC junto con sus características hace posible su anidación a sistemas como los que se describen a continuación: • Trabajar en conjunto con sistemas de VoIP existentes o a través de diferentes protocolos de transmisión de datos sobre la red fuera de la especificación.

• Anidación a aplicaciones, servidores y servicios web existentes.

También se comentan algunos nuevos casos de uso: • Es posible la trasmisión de audio y video en tiempo real con visitantes de la página web de la uvp sin registro previo, esto con fines informativos personalizados.

• La posibilidad de proporcionar datos genéricos con visitantes de la página web de la uvp sin registro previo con fines informativos y prácticos.

Faltaría mucho trabajo para llegar a soluciones como las antes mencionadas, pero debido a la versatilidad de las tecnologías propuestas

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el trabajo se vuelve costeable, práctico y posible para el que esté dispuesto a desarrollarlo.

Conclusión Como conclusión, este proyecto ha sido la mayor experiencia en cuanto a desarrollo e implementación de software por el hecho de haber obtenido como resultado un producto que puede tener tantas aplicaciones como posibilidades dentro de proyectos futuros. Como mayor virtud, en lo personal considero, de este proyecto es aquella que solventa problemas tan característicos que se viven en nuestro país como: • Servicios de red que no cumplen con las propuestas que dicen ofrecer al proveedor del servicio.

• Escaso apoyo económico para desarrollo e infraestructura de sistemas de software completos.

•Déficit de personal preparado para desarrollo completo de aplicaciones y tecnologías web.

Se obtuvo así, un producto con el cual los dispositivos electrónicos más comunes hoy en día y en específico una computadora, nos presta ayuda para entablar una comunicación más realista, aunque nunca como reemplazo a la comunicación propiamente en persona. Espero esta tesis sea de utilidad para aquellos que deseen utilizarla como punto de partida para nuevos casos de uso o simplemente para experimentación.

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Diseño de un manual de prácticas de laboratorio para la asignatura de Procesos de Manufactura Alfredo Valera Suarez 1 Introducción El conocimiento es un activo intangible y su transferencia representa un asunto estratégico. La Universidad del Valle de Puebla al formar alumnos acordes a la realidad social, capaces de asumir y solucionar los problemas y retos actuales, busca acercar a los alumnos de ingeniería a esta realidad por medio de los laboratorios. El objetivo de este trabajo fue diseñar un manual de prácticas de laboratorio para la materia de Procesos de Manufactura de la licenciatura Ingeniería Industrial, esto como una forma de plasmar el conocimiento y experiencia para futuras generaciones.

Esta investigación fue de tipo descriptivo, transversal con un diseño de campo no experimental. El instrumento de recolección de datos fue un cuestionario y la población estuvo conformada por cinco profesores que han impartido la materia. Los resultados determinaron la necesidad de diseñar una serie de prácticas relacionadas con Soldadura mig, Manejo de Torno, Fresadora y Metrología.

El aprendizaje del estudiante no se puede comprender sin las experiencias en el mundo real y no solo en papel, de ahí que los laboratorios adquieren un rol importante y necesario en la formación de ingenieros (Cuautle, 2013). Del mismo modo, para el desarrollo de competencias, las prácticas de laboratorio son cada vez más importantes en el proceso de enseñanzaaprendizaje, esto debido a que contribuyen a consolidar el conocimiento y acercan al estudiante de forma paulatina y natural al campo laboral, contribuyendo con el desarrollo de habilidades que no podrían lograrse por ningún otro medio (Hernández, 2001 y Hernández, Jiménez y Arévalo, Reseña de la directora de tesis: Mónica Pérez, es Ingeniera Industrial por el Instituto de Tecnológico de Puebla y Maestra en Ingeniería Administrativa por el Instituto de Estudios Universitarios en Puebla, México. Es docente investigadora de la Universidad del Valle de Puebla. Es integrante y miembro fundador del cuerpo académico de Ingeniería Aplicada. Ha desarrollado diversos proyectos en sistemas de manufactura esbelta y simulación de eventos discretos. Participante como asesor con mención honorifica en el concurso nacional viveconciencia de agenda ciudadana 2014, 2015 y 2018. Cuenta con publicación de artículos de investigación a nivel nacional e internacional, así como ponencias en congresos a nivel nacional.

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2002). El uso de laboratorios demanda tiempo extra al de una clase tradicional, sin embargo, a pesar del esfuerzo adicional es necesaria esta práctica ya que permite manifestar el conocimiento teórico y aprender de los propios errores, es decir prueba y error (Lugo, 2006).

La misión de la Universidad del Valle de Puebla (uvp) es la de formar profesionistas acordes a la realidad social, con actitud de servicio y de excelencia, emprendedores, con ejercicio de liderazgo, comprometidos consigo mismos y con la sociedad, capaces de asumir y solucionar los problemas y retos actuales, fomentando el análisis crítico en beneficio de la Humanidad y la Patria (uvp, 2017). Basado en lo anterior, para cumplir con dicha misión es importante acercar la práctica laboral a los estudiantes, siendo los laboratorios el mejor medio para ello.

Justificación de la investigación Los activos intelectuales de las organizaciones tienen un impacto significativo en la productividad, es por ello que el conocimiento se erige como el factor básico de producción y creación de riqueza (Tzortzaki y Mihiotis, 2014). Por lo anterior hay que generar conocimiento dentro de la organización por medio de los individuos (Nonaka y Takeuchi, 1995 y Takeuchi, 2013), después dicho conocimiento será transferido a otro individuo para que finalmente este sea integrado al que ya existe en la organización.

López y Tamayo (2012) determinaron que en la Licenciatura en Biología y Química de una universidad de Colombia, las actividades de laboratorio, se caracterizan por estar estructuradas de forma metodológica, donde los estudiantes siguen ciertos algoritmos (o pasos) para llegar a una conclusión predeterminada. Por su parte Espinosa-Ríos, GonzálezLópez y Hernández-Ramírez (2016) evidenciaron que con las prácticas de laboratorio aumentaba la motivación y el interés de los estudiantes, contribuyendo al desarrollo de habilidades científicas.

Del mismo modo Alvarado, Antúnez, Pírela y Prieto (2011) determinaron los parámetros fundamentales para la inserción de las prácticas en el laboratorio técnico de la carrera de diseño mecánico en una universidad venezolana. Finalmente, Pesa, Bravo, Pérez y Villafuerte (2014) realizaron

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un trabajo en el área científico-tecnológica donde resaltan el rol de laboratorio en la formación básica de ingenieros. Por lo anterior, y partiendo del hecho de que la uvp no cuenta con un manual de prácticas de laboratorio de la materia procesos de manufactura, se considera prudente el crear uno que ayude a los alumnos en su desarrollo académico y les permita trasladar los conocimientos teóricos adquiridos en clase a una forma práctica.

Delimitación Esta investigación se realizó en el periodo agosto 2016 – diciembre 2016 y enero – junio 2017 en el laboratorio de Manufactura de la Universidad del Valle de Puebla, campus Puebla.

Limitaciones •Para la correcta realización de las prácticas se requiere que el equipo de laboratorio de manufactura se encuentre en un óptimo funcionamiento.

•No se cuenta con los manuales de operaciones de la fresadora y el torno.

•Las herramientas de medición no cuentan con certificado de calibración y no existen planes de calibrado a la fecha.

•Se cuentan con un número limitado de herramientas de medición.

Metodología Se generó un estudio de tipo descriptivo, transversal, con un diseño de campo no experimental. La población estuvo conformada por cinco profesores que, a la fecha, hayan impartido la materia Procesos de Manufactura. El cuestionario empleado contó de tres secciones: Sección I.- Información general (10 preguntas).

Sección II.- Información referente a uso de laboratorio (15 preguntas en escala de Likert).

Sección III.- Información referente a propuestas de mejora (10 preguntas abiertas).

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A continuación, se les otorgo un total de 60 minutos a los sujetos de estudio para responderlo. Toda la información se manejó en el programa Excel V.9.

Los pasos que se llevaron a cabo para el presente proyecto se presentan en la Figura 1:

Fig. 1. Diseño de la investigación.

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Objetivos El objetivo general de la presente investigación es diseñar un manual de prácticas de laboratorio para la materia de Procesos de Manufactura de la licenciatura ingeniería industrial. Dicha clase se imparte en la Universidad del Valle de Puebla, campus Puebla.

Los objetivos específicos que se definieron son: •Analizar las competencias y relacionarlas con los contenidos de la materia para el diseño de las prácticas.

•Elaborar cuatro prácticas de laboratorio de manufactura utilizando la herramienta y maquinaria disponibles.

•Definir el material y equipo necesario para implementar las prácticas de la materia Procesos de Manufactura en el laboratorio.

Planteamiento del problema La forma de dirigir y administrar a las organizaciones ha presentado numerosos cambios con el paso del tiempo, sin embargo, debido a factores socioeconómicos, se debe favorecer la adaptación a las nuevas tendencias del mercado mediante estructuras flexibles que le permitan ser mucho más competitiva (Englehardt y Simmons, 2002).

Los manuales son una manera de transferir conocimiento, esto se presenta porque en ellos queda documentada la tecnología (entendida como conocimiento) sobre un tema (Torres, 1996). Por su parte Gómez (2001) menciona que el manual de procedimientos debe ser visto como un instrumento de apoyo, ya que en él se encuentran los pasos a seguir para ejecutar las actividades de un puesto determinado dentro de la organización.

Sin embargo, hay que tener clara la diferencia entre transferir conocimiento y tener información disponible para las personas. Estos dos procesos son diferentes entre sí: para convertirse en conocimiento, la información debe ser utilizada por el receptor y provocar cambios en su comportamiento.

Para Gray y Meister (2004) adquirir conocimiento conlleva modificaciones en las estructuras cognitiva ya que son representaciones mentales que organizan este activo y sirven como guía para percibir e inferir.

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Desarrollo Para el desarrollo de la investigación se llevaron a cabo reuniones con la Coordinación de Ingeniería Industrial, así como con los responsables del laboratorio para determinar los siguientes puntos: a) Estructura del manual de prácticas. b) Prácticas de laboratorio a desarrollar. c) Herramientas y materiales de la práctica.

Dicha información quedo registrada de la siguiente manera: a) Estructura del manual de prácticas portada

Estructura del manual de prácticas.

Tema(s) y subtema(s) de la materia relacionados con la práctica: Competencia.

Duración de la práctica. contenido

Introducción.

Materiales y equipo.

Desarrollo de la práctica.

Criterios de evaluación sugeridos. b) Prácticas de laboratorio a desarrollar Se decidió realizar cuatro prácticas, las cuales fueron: Metrología básica.

Torno.

Freidora.

Soldadura mig. c) Herramientas y materiales de la práctica La uvp cuenta con un laboratorio de manufactura, el cual está equipado con las herramientas que a continuación se enuncian: Fresadora.

Soldadora mig.

Sierra Cinta.

Torno horizontal.

Esmeril.

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La pertinencia de las prácticas, así como los temas que se abordaron, se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Análisis de pertinencia de las prácticas.

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La uvp cuenta con la infraestructura requerida para realizar prácticas de laboratorio, sin embargo, al momento no se cuenta con un manual de prácticas institucional que soporte los procesos de enseñanza-aprendizaje y que sea acorde a los perfiles de la licenciatura. De acuerdo al plan de estudios de la materia de Procesos de Manufactura esta es una asignatura teórica-práctica y se debe trabajar con máquinas y herramientas.

Resultados Se obtuvo que en promedio utilizan el laboratorio 14 horas al semestre, donde los profesores empleaban más el torno y la fresadora. Las prácticas más frecuentes con el torno son: desbastes y careados, mientras que con la fresadora las más frecuentes son: planicidad, ranurado y desbastes. Con la sierra cinta se realizan prácticas como: cortes de diferentes materiales con y sin ángulos, así como de afilado y limado de piezas.

Los docentes emplean un formato de revisión diferente, sin embargo, evalúan los mismos criterios y consideran que es importante que el alumno aprenda a realizar con sus propias manos la parte práctica complementándolo con la teoría.

Durante el periodo escolar febrero - junio de 2017 se implementaron algunas de las prácticas para depurar cualquier tipo de error o confusión que pudieran tener los alumnos. Al realizar dichas pruebas se encontraron deficiencias, por ejemplo, falta de herramientas, equipo carente de mantenimiento, entre otros. Asimismo, algunos alumnos no comprendían la redacción por lo que se realizaron los cambios correspondientes.

Esta propuesta de manual de manufactura debe seguirse paso a paso de forma secuencial para que el alumno comprenda todo lo aquí mostrado, de igual manera se sugiere que el profesor conozca de máquinas y herramientas para poder implementar este manual.

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Conclusiones Las prácticas diseñadas en esta propuesta de manual para la materia de procesos de manufactura están dirigidas a alumnos y profesores de la carrera de ingeniería industrial. Se logró estandarizar la forma de operar las prácticas de laboratorio de manufactura. A su vez, las prácticas fueron diseñadas de acuerdo a las competencias, propósitos y algunos contenidos de la materia considerando la infraestructura, horas y espacios disponibles, consiguiendo con esto, cumplir el propósito de la materia: 1.Conceptuales (saber): Aplicar los conceptos aprendidos durante el curso mediante prácticas.

2.Procedimentales (saber hacer): Trabajar con máquinas y herramientas mediante la toma de parámetros como el dimensional y mecánica de materiales.

Este manual abarca los temas de metrología básica, procesos de remoción de materiales aplicados en procesos de torneado y fresadora, procesos de unión permanente aplicados en soldadura tipo mig. Estas prácticas dependen de las condiciones en las que se encuentre el laboratorio de manufactura tanto en herramientas disponibles, equipos de seguridad y condiciones de los aparatos al momento de realizarlas.

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Procesos y procedimientos para el modelado y control de un Robot de dos ruedas mediante péndulo invertido utilizando la plataforma lego Mindstorms nxt en la Universidad del Valle de Puebla Mario Josué Pérez Cruz 1 Introducción La idea de desarrollar los procesos y procedimientos necesarios para la construcción de un péndulo invertido aplicado en un Robot de dos ruedas utilizando la plataforma lego surge ya que muchas veces el conocimiento dentro de esta área se limita a la teoría dejando a un lado la práctica más que por falta de conocimiento, por falta de tiempo, ya que el análisis del sistema (péndulo invertido) implica mucho tiempo.

El péndulo invertido es un tema clásico dentro de la teoría de control y de la robótica, ha sido tratado de diversas formas por varios autores en diversas partes del mundo, sin embargo, los métodos utilizados para la implementación difieren entre uno y otro.

Los autores Martínez Santa, Fernando; Guerrero Cifuentes, Cindy Estefany y Pérez Ramírez, José David, en su artículo “Diseño de un sistema de péndulo invertido sobre plataforma lego Mindstorms nxt, controlado mediante MatLab”. Los autores abordan el tema desde la perspectiva de tener un controlador a base del software MatLab, este programa de computadora basa sus procesos en matrices (como bien lo dice su nombre en inglés Matrix Laboratory). La investigación a realizar no descarta el uso de este software, sin embargo, no pretende usar dicho programa como controlador ya que el procesamiento de datos necesita ser en tiempo real para lograr el correcto control del sistema.

Ismael Sánchez Mendoza en su tesis de titulación en Ingeniería Técnica Industrial, especialidad en Electrónica Industrial Diseño y control de un 1

Reseña Director: El director de tesis es Ingeniero Industrial en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Puebla, Maestro en Ciencias de la Computación por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, se desempeña actualmente como Coordinador de Investigación en la Universidad del Valle de Puebla. Entre sus áreas de interés está el desarrollo de prototipos y aplicaciones didácticas de la robótica a nivel superior.

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prototipo carro-péndulo basado en lego Mindstorms nxt, muestra el modelo cinemático de su prototipo detallando cada uno de los pasos a seguir. El modelo cinemático es una de las piezas elementales, pero no conforman el todo del proyecto, la parte dinámica y de control quedan implícitas, hecho que dificulta la comprensión a las personas que no están involucradas en el tema. Esta tesis se fundamenta en el trabajo desarrollado anteriormente sobre el Estudio de las posibilidades didácticas en Ingeniería de control del lego Mindstorms nxt, ligando ese tema con el mío ya que ambos tienen como propósito un aporte didáctico capaz de facilitar el aprendizaje en la comunidad estudiantil de la Universidad del Valle de Puebla.

Hay diversas maneras de poder implementar el sistema de péndulo invertido, una de la manera (poco común y bastante ambiciosa) es la desarrollada en el Instituto Politécnico Nacional (ipn), por el Ingeniero Octavio Gutiérrez Frías titulado Estabilización del péndulo invertido sobre dos ruedas mediante el método de Lyapunov, este método al igual que otros como el método de lógica difusa, método de las cajas (Boxes method), modelo en modo deslizante, así como otros más. Las simulaciones en tiempo real fundamentan todo el camino recorrido en el tema del péndulo invertido siendo este un buen tema en el cuál aportar ese conocimiento necesario para que sea accesible a cualquier interesado sin tener que estar tan familiarizado con los conceptos.

Objetivos General: Implementar los procesos y procedimientos para el modelado cinemático y control de un Robot de dos ruedas mediante péndulo invertido utilizando la plataforma lego Mindstorms nxt en la Universidad del Valle de Puebla (2013).

Específicos: 1. Aplicar el algoritmo de Denavit-Hartenberg para obtener el modelo cinemático del Robot.

2. Solucionar la formulación Lagrange-Euler definiendo el modelo dinámico del Robot.

3. Definir el sistema de control utilizando variables de estado y el

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método del lugar de las raíces.

4. Implementar el algoritmo de control utilizando el software MatLab y ROBOTC en la Universidad del Valle de Puebla.

5. Explicar los procesos y procedimientos para la reproducción del péndulo invertido con la plataforma lego Mindstorms nxt.

Planteamientos Dentro de la licenciatura en Mecatrónica de la Universidad del Valle de Puebla, el plan de estudios incluye las materias de teoría de control, en quinto semestre, robótica i y robótica ii en séptimo y octavo semestre respectivamente. Materias amplias que permiten apreciar las matemáticas involucradas dentro de algún proceso automático el cual se desea controlar, las materias mencionadas tienen mucha relación entre sí y permiten a los alumnos comprender las bases para el desarrollo de prototipos de esta índole que aporten al desarrollo tecnológico.

El péndulo invertido es un planteamiento común dentro de la teoría de control y de la robótica. A su vez, el péndulo sirve para experimentar los conceptos de periodo y gravedad, está constituido por una barra rígida con una masa conocida al extremo la cual se pone de manera vertical e inversa al péndulo común que poseen los relojes con péndulo (Boubaker, 2013). El sistema de péndulo invertido es aparentemente inestable, lo cual lo convierte en un ejemplo clásico para el control automático. Además, tiene como objetivo controlar el movimiento de esta masa de modo que pueda permanecer vertical aun cuando algún factor externo la perturbe (Cárdenas, 2009, p. 6).

Tema presenta un inconveniente; es un tema muy amplio, por lo que no es posible materializar la teoría explicada en las aulas en un prototipo y, por tanto, el aprendizaje en los Alumnos de la Universidad se ve disminuido.

Los docentes requieren un conocimiento amplio de todos los elementos que se necesitan para lograr el control eficiente en este sistema. Sin embargo, existen muchas fuentes bibliográficas que lo abordan y suelen saltarse pasos esenciales ya que cuando los autores los redactan infieren que existe un conocimiento previo del tema, o bien, solo citan fuentes de donde se puede extraer información para comprender el tema en su totalidad haciendo que un problema de este tipo se vuelva complejo de

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entender para personas no versadas en el tema, pero que se interesan en él.

Para poder materializar un prototipo como este, el docente o alumno debe estar muy familiarizado con el tema, ya que su comprensión total involucra física, mecánica, matemáticas y, por su puesto, control; haciendo de ello el panorama necesario de conocimientos aún más amplio.

Dentro de la Universidad se cuenta con la plataforma de robótica educativa lego Mindstorms nxt la cual permite llevar a cabo experimentos de péndulo invertido y así aprovecharla para el mejor aprendizaje de los alumnos. Sin embargo, como ya se mencionó, al no contar con una compilación de procesos y procedimientos necesarios para el desarrollo del sistema, no se utiliza ni aprovecha la plataforma para este fin.

Resultados La implementación de este sistema requiere tomar en cuenta diversos factores físicos, así como seguir procesos y pasos específicos para lograr un resultado positivo. Antes que nada, es necesario construir el prototipo robótico, para así obtener ecuaciones que describan su comportamiento, lo cual implica conocer las leyes que rigen su movimiento (cinemática) y cómo evoluciona dicho movimiento de acuerdo al tiempo (dinámica).

Una vez que se conoce dicho comportamiento, se elabora un sistema para poder controlarlo de modo que actúe a nuestra conveniencia con la finalidad de resolver el problema a atacar, en el caso de nuestro prototipo, el sistema de control debe ser capaz de mantener al robot en posición vertical (sobre dos ruedas).

Para cerciorarnos que el sistema de control es adecuado debemos simular su comportamiento para lo cual nos apoyaremos del Software MatLab y su gran capacidad de procesamiento matricial, así como de sus herramientas matemáticas que nos facilitan los cálculos significativamente.

Las figuras que se presentan dentro de este capítulo son propias del autor y fueron elaboradas para complementar gráficamente el contenido de esta tesis.

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Fig. 4.1. Diagrama general de procesos y procedimientos.

Construcción del prototipo con lego Mindstorms nxt El prototipo a implementar se construye a partir de las piezas del kit de robótica educativa lego Mindstorms en su edición nxt. Se decidió utilizar dicho kit ya que se tiene en existencia dentro de la universidad, lo cual fundamenta la idea de poder utilizar la infraestructura existente en la escuela para el desarrollo de proyectos de robótica didáctica con aplicación de conocimientos teóricos vistos en clase.

Para poder ilustrar el contenido de esta sección, se utiliza el Software Lego Digital Designer en su versión 4.2, el cual permite construir modelos virtuales de prototipos con la plataforma Lego. A continuación, se presentan las piezas necesarias, así como los pasos a seguir en la construcción del robot de dos ruedas con péndulo invertido. Piezas necesarias:

Fig. 4.2. Piezas de lego nxt utilizadas.

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Pasos para la implementaci贸n del prototipo rob贸tico:

Fig. 4.3. Eslab贸n y perno de sujeci贸n.

Fig. 4.4. Rin izquierdo con perno y seguro.

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Fig. 4.5. Motor nxt con Rueda.

Fig. 4.6. Motor, rueda y eslabรณn.

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Fig. 4.7. Motor, rueda y eslabones de sujeciรณn.

Fig. 4.8.- Motor, rueda y eslabones sujetos con pernos.

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Fig. 4.9. Rin derecho con perno y seguro.

Fig. 4.10. Motor derecho con rueda.

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Fig. 4.11. Sujeciรณn de ambos motores.

Fig. 4.12. Conectado del cable de motores.

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Fig. 4.13. Motores con cables de conexiรณn.

Fig. 4.14. Motores con bloque de programaciรณn ensamblado.

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Fig. 4.15. Bloque de programaciรณn y motores sujetos de ambos lados.

Fig. 4.16. Ensamble de perno en parte trasera del bloque de programaciรณn.

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Fig. 4.17. Montaje de pieza trasera en forma de “L”.

Fig. 4.18. Montaje de cables en la parte superior del bloque de programación.

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Fig. 4.19. Cable conectado a sensor giroscรณpico.

Fig. 4.20. Prototipo final, robot de dos ruedas.

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Diseño y obtención de un sistema de control para el péndulo invertido Antes de dar paso a la implementación del programa es necesario obtener gráficas y tablas de parámetros requeridos, para lo cual se llevan a cabo pruebas experimentales y mediciones, obteniendo los resultados siguientes: Cálculo de Torque de motor de lego, nxt según pruebas experimentales

Tabla 4.1. Caracterización de torque de motor lego.

Gráfica 4.1. Torque de motor nxt.

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Se calcula la fuerza tomando en cuenta la distancia del eje del motor con respecto al suelo, lo cual está directamente relacionado con el radio de la rueda en nuestro prototipo. Para calcular la fuerza, se toman los valores para el 100% de potencia en el motor y un diámetro de 0.022 m en la rueda.

Con:

τ=F*d

Despejando F:

Como los motores lego nxt son producidos bajo estrictas normas de caracterización y control, se supone que todos los motores son iguales, por lo que solo se realizan pruebas en uno solo.

Pesaje de los elementos requeridos con el uso de una báscula:

Fig. 4.21. Masa del péndulo y de la rueda

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La fricción del sistema, así como la inercia, se calculan de la siguiente manera: Sabiendo que: I = m * d2 Sustituyendo los valores: I = (0.525) * (0.145)2 I = 0.011 kgm2 Para poder calcular la fricción del sistema, se ocupa la siguiente fórmula:

Se observa que en la fórmula aparece el término de Fuerza y velocidad, la fuerza la podemos obtener de la tabla de caracterización antes mostrada, sin embargo, la velocidad debe ser calculada mediante la siguiente fórmula.

Haciendo los experimentos de distancia y tiempo, se obtiene: d = 0.655 m t=2s Por lo que la velocidad resultante es: V = 0.3275 m/s Sustituyendo los valores en la fórmula de fricción:

b=50.38

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Tabla 4.2. Parámetros del prototipo

Desarrollo del software de control utilizando MatLab: %Diseño del sistema de control para el péndulo invertido M=0.03; % Masa de las ruedas del Robot, [Kg]. m=0.525; % Masa del cuerpo del Robot, [Kg]. l=0.145; % Distancia del eje de las ruedas al centro de masa, [m]. b=100.76; % Valor de fricción del sistema.

I=0.011; % Valor de inercia del sistema. g=9.81; % Aceleración de la gravedad, [m/s^2]. d= I *(M+m)+ M * m * l^2; % *** Matrices del modelo de espacio de estados, A, B, C y D. A=[0

1 0 0;

m*g*l*(M+m)/d 0 0 m*l*b/d; 0

0 0 1;

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-g*m^2*l^2/d 0 0 -b*(I+m*l^2)/d]; B=[0;-m*l/d;0;(I+m*l^2)/d]; C=[1 0 0 0;0 0 1 0]; D=[0;0]; % *** Matriz de controlabilidad M. M= [B A*B A^2*B A^3*B]; % *** Verificación del rango. rank(M) % Dado que el rango de M es 4, el sistema es de estado completamente controlable. Por tanto, es posible la ubicación arbitraria de los polos. % *** Polinomio característico deseado J. J= [-15+3*i, 0, 0, 0; 0, -15-3*i, 0, 0; 0, 0, -10, 0; 0, 0, 0, -10]; JJ = poly(J); % *** Polinomio característico Phi. Phi= polyvalm(poly(J),A); % *** Determinación de la matriz de ganancias de realimentación del estado K. K = [0 0 0 1]*(inv(M))*Phi Código que muestra la respuesta del sistema a la condición inicial. % *** Respuesta del sistema a la condición inicial dada.

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AA=A-B*K; % *** Matriz de las condiciones iniciales BB = Bhat.

BB= [0.1;0;0;0]; [x,z,t]= step(AA,BB,AA,BB); x1= [1 0 0 0]*x’; x2= [0 1 0 0]*x’; x3= [0 0 1 0]*x’; x4= [0 0 0 1]*x’; Graficación de las curvas de respuesta del sistema. %*** Ángulo con respecto a la vertical, contra el tiempo. subplot(2,2,1); plot(t,x1);grid title(‘x1 (Theta) contra t’) xlabel(‘t seg’) ylabel(‘x1 = Theta’) %*** Velocidad angular, contra el tiempo. subplot(2,2,2); plot(t,x2);grid title(‘x2 (Theta punto) contra t’)

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xlabel(‘t seg’) ylabel(‘x2 = Theta punto’) % *** Desplazamiento del carro, contra el tiempo. subplot(2,2,3); plot(t,x3);grid title(‘x3 (Desplazamiento del carro) contra t’) xlabel(‘t seg’) ylabel(‘x3 = Desplazamiento del carro’) %*** Velocidad del carro, contra el tiempo. subplot(2,2,4); plot(t,x4);grid title(‘x4 (Velocidad del carro) contra t’) xlabel(‘t seg’) ylabel(‘x4 = Velocidad del carro’) Gráficas de respuesta.

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Grรกfica 4.2. Estabilidad obtenida.

Adaptaciรณn del sistema de control a cรณdigo de RobotC. El componente clave para lograr el equilibrio del prototipo en dos ruedas, es un sensor giroscรณpico, el robot usa el giroscopio GyroSensor de la marca HiTechnics.

Fig. 4.22. Sensor GyroSensor

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En la figura 4.36 se muestra el sensor utilizado, que, si bien no es elaborado por la marca lego, es compatible con ella debido a que se comunica por medio del mismo protocolo (i2c). Este sensor nos permite saber la velocidad de rotación de nuestro robot, dicho valor está dado en grados sobre segundos, lo cual permite obtener valores entre 0 a 1,024, con un valor de 512 cuando está en reposo.

Respuesta del sensor a una oscilación, onda cuadrada:

Gráfica 4.3.- Lectura de oscilación

Como se menciona anteriormente, el sensor utilizado nos devuelve valores de velocidad de giro, “… haciendo un poco de memoria recordarás que dx/dt es la velocidad, y recíprocamente la integral de la velocidad, es la posición” (Arribas, 2011), por lo que es necesario integrar la gráfica anterior obteniendo de este modo la gráfica de posición que se muestra a continuación.

Gráfica 4.4. Integración de la gráfica 4.6.1

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Ahora que tenemos el valor de la posición, sabiendo que el valor de referencia es 512 cuando nuestro prototipo está en reposo, podemos determinar la posición a cada instante del robot con una diferencia entre el valor de la integral y el valor de referencia.

Conociendo la teoría antes mencionada, se muestra en seguida el código de control desarrollado con comentarios explicativos dentro del software ROBOTC. //Este programa ha sido adaptado del programa desarrollado por Hitechnics para Lego. //Adaptacion por: Jose Rodrigo Cuautle Parodi. //*****Declaración del sensor, gyro sensor***** const tSensors GyroSensor = (tSensors) S1; float tInterval=0; //Intervalo de tiempo entre ciclos; float gOffset=0; // Desviación del valor que devuelve el giroscopio. float gyroSpeed=0; //Velocidad angular en grados/seg. del péndulo. float gyroAngle=0; //Ángulo de giro en grados. //*****mDeltaP3 a mDeltaP0 son variables para obtener la velocidad angular a partir de un promedio de los últimos 4 ciclos***** long mDeltaP3=0; long mDeltaP2=0; long mDeltaP1=0; long mDeltaP0=0;

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long motorSum=0; // Suma de los codificadores de los motores. long motorDiff=0; // Diferencia de los codificadores de los motores. float motorPos=0; // Suma de las posiciones de los motores. float motorSpeed=0; //Velocidad de los motores. float power=0; motores.

//Con esta variable se calcula la potencia a aplicar a los

float powerLeft=0; //Potencia del motor izquierdo. float powerRight=0; //Potencia del motor derecho. long tiempo=0; //*****Obtenciรณn de la desviaciรณn del sensor***** void getGyroOffset(void) { long gyroSum; long gyroMax; long gyroMin; long gyro; do{ gyroSum=0;

gyroMax=-1000;

gyroMin=1000;

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for(int count=1;count<=100;count++)

{

gyro=SensorValue(GyroSensor);

gyroSum=gyro+gyroSum;

if(gyro>gyroMax) gyroMax=gyro;

if(gyro<gyroMin) gyroMin=gyro;

wait1Msec(5); }

}while( (gyroMax-gyroMin)>1);

gOffset=gyroSum/100.0; } //*****Proporciona tiempo para posicionar el robot, cuando ya se calculรณ el Offset***** void StartBeeps(void) { for(int count=1;count<=5;count++) { PlayImmediateTone(440,10); wait1Msec(900); } nMotorPIDSpeedCtrl[motorA] = mtrSpeedReg; nMotorPIDSpeedCtrl[motorC] = mtrSpeedReg;

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motor[motorA]= 0; motor[motorC]= 0; nMotorEncoder[motorC]=0; nMotorEncoder[motorA]=0; wait1Msec(1); } //*****Calcula el tiempo que consume cada ciclo de control***** void calcIntervalo(long cLoop) {long t=0;

if(cLoop==0)

{

ClearTimer(T1); tInterval=0.008;

}

else { t=time1(T1); if(t>=10000){

tiempo=tiempo+t;

ClearTimer(T1);

t=0;

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} tInterval= (tiempo+t)*0.001/cLoop; } } //*****Calcula la posición y la velocidad del péndulo***** void GetGiroData(void) { long datoGyro; datoGyro=SensorValue(GyroSensor);

gOffset= gOffset*0.9995+datoGyro*0.0005;

gyroSpeed=datoGyro-gOffset; gyroAngle=tInterval*gyroSpeed+gyroAngle; } //*****Calcula la posición y la velocidad de los motores***** void GetMotorData(void) {long motorDiff; long motorSum1; mDeltaP3=mDeltaP2; mDeltaP2=mDeltaP1; mDeltaP1=mDeltaP0; motorDiff=nMotorEncoder[motorC]-nMotorEncoder[motorA];

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motorSum1= nMotorEncoder[motorC]+nMotorEncoder[motorA]; mDeltaP0=motorSum1-motorSum; motorSum=motorSum1; motorPos=motorPos+mDeltaP0; motorSpeed=((mDeltaP0+mDeltaP1+mDeltaP2+mDeltaP3)/4.0)/ tInterval; } //*****Ecuaciรณn de control***** void EcuacionBalance(void) { float u; float gyroAngle1; float gyroSpeed1; float motorPos1; float motorSpeed1; //*****Conversiรณn de unidades***** gyroAngle1= gyroAngle*PI/180.0; //Conversiรณn a radianes. gyroSpeed1= gyroSpeed*PI/180.0; //Conversiรณn a radianes sobre segundo. motorPos1= motorPos/720.0*0.13; // Conversiรณn a metros.

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motorSpeed1= motorSpeed/720.0*0.13; //Conversión a metros / segundo. u = gyroAngle1 * 179.04+ gyroSpeed1 * 27.45 + motorPos1 * 129.23 + motorSpeed1 * 184.61; power= u*3; } //*****Control de la dirección (versión trivial)***** void SteerControl(void) { long steerDiffTarget=0; powerLeft=power+(steerDiffTarget-motorDiff)*0.5; powerRight=power-(steerDiffTarget-motorDiff)*0.5; } //*****Detecta si el robot ha caído***** bool DetectFall(void) {

if (power>-100 && power<100) ClearTimer(T2);

if(time1(T2)>1000) return true;

return false;

} //*****Función principal***** task main()

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{long ciclo=0; bool falla=false; //Calcula la referencia cero del giroscopio. getGyroOffset(); //Manda una alerta audible e inicializa los motores y encoders a cero.

StartBeeps(); do { //Calcula el tiempo de cada ciclo de control. calcIntervalo(ciclo); // Hace la lectura del giroscopio, calcula la posición del péndulo y su velocidad angular.

GetGiroData(); //Calcula la posición de la rueda y su velocidad.

GetMotorData(); //Calcula la fuerza (power), con la suma de ganancias, variables de posición y velocidad.

EcuacionBalance(); //Asigna la fuerza para el motor derecho e izquierdo, controlando la dirección.

SteerControl();

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//Asigna la fuerza al motor A. motor[motorA]=powerRight; //Asigna la fuerza al motor C. motor[motorC]=powerLeft; wait1Msec(1); // Verifica que el Robot no se haya caído. falla=DetectFall(); ciclo++; } while(!falla); //Si el Robot sigue en pie, se repite el ciclo. motor[motorA]=0; motor[motorC]=0; // Mensaje de alerta cuando el Robot ha caído. nxtDisplayTextLine(6, “%s”, “Me he caido”); wait10Msec(200); }

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Conclusiones Los objetivos planteados fueron alcanzados logrando la estabilidad del Robot en dos ruedas mediante péndulo invertido, si bien la cinemática elaborada se llevó a cabo sin ningún problema. La dinámica requirió agregar fricción e inercia al modelo planteado en un principio, esto con el fin de poder acercar el modelo matemático a la realidad y aunque faltó considerar algunas variables del entorno, el prototipo cumple con la estabilidad buscada ya que en ningún momento se buscó plantear un nuevo modelo de control ni se pretendía abordar todos los factores físicos ya que al incluirlos conllevaría tener la infraestructura necesaria dentro de la Universidad lo que resulta en una limitante descrita dentro de la investigación.

Aunado a lo anterior, el problema de medición de inercia y fricción fue abordado con métodos experimentales y comparado con los parámetros encontrados en la literatura consultada, verificando así, la similitud de los resultados validando totalmente los experimentos.

La satisfacción más grande del trabajo mostrado, reside en la didáctica aplicada a la base firme de procesos y procedimientos que permiten implementar un péndulo invertido y con ello acercar a los alumnos de Ingeniería de la Universidad del Valle de Puebla a un modelo palpable que refleje la teoría vista en el aula, logrando una mayor comprensión y aprendizaje para su formación profesional.

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CNC de bajo costo Edgar Daniel Benítez Monroy1 Introducción Los avances tecnológicos actuales han permitido la reducción tanto de precio como de espacio de los equipos de cómputo, haciendo factible su incorporación en sistemas de Control Numérico Computarizado (cnc) destinados al propietario del pequeño taller o negocio e incluso para el hogar, apareciendo así maquinaria automatizada, como por ejemplo tornos, rectificadoras, máquinas de coser, bordadoras, entre otros.

Objetivos General: El objetivo general de la investigación es diseñar y desarrollar una fresadora cnc de trabajo ligero y de bajo costo, controlada por código G, para maquinar piezas en materiales blandos.

Específicos: Entre los objetivos específicos se encuentran los siguientes: 1. Diseñar e implementar el sistema mecánico, con tres grados de libertad.

2. Diseñar e implementar el sistema electrónico.

3. Diseñar el software controlador que permita interpretar códigos G generados por SketchUp de Google, empleando C#.

Planteamientos Los sistemas cnc son máquinas difíciles de adquirir en el mercado ya que sus costos son extremadamente elevados. Por otro lado, estos sistemas 1

Semblanza Director de Tesis: José Rodrigo Cuautle Parodi es Ingeniero Industrial en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Puebla, Maestro en Ciencias de la Computación por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, se desempeña actualmente como Coordinador de Investigación en la Universidad del Valle de Puebla. Entre sus áreas de interés está el desarrollo de prototipos y aplicaciones didácticas de la robótica a nivel superior.

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son bastante útiles ya que con ellos se pueden hacer piezas con medidas exactas y, además, clonar piezas, por tanto, al crear un cnc de bajo costo, las personas con escasos recursos podrán adquirir una de estas máquinas que prácticamente se consideran impensables en muchos lugares, como en la Universidad del Valle de Puebla, en áreas como arquitectura, ingeniería industrial e ingeniería en mecatrónica.

Al tener una forma de elaborar o adquirir un cnc de bajo costo, podría llegar el momento en que cada alumno pueda tener una fresadora cnc para la elaboración de sus prácticas o proyectos.

Fig. 1. Foto de un cnc Optipro de cinco grados de libertad.

Fuente: http://optiworks.jp/products_e.html.

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Resultados Firmware: El diseño del firmware va ubicado en el micro controlador PIC que está programado en lenguaje C este firmware consiste en interpretar las órdenes enviadas desde la PC y transformar estas órdenes en rutinas para el control de los motores.

Fig. 2. Funcionamiento del firmware. Elaboración propia.

Software: El diseño del software se basó en un sistema que mandará una señal por el puerto USB de la PC ya sea manualmente o por medio del código G. emisión

Fig. 3. Funcionamiento del software

Tabla 1. Codificación de la comunicación entre la PC y el CNC.

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Se buscó que la interfaz gráfica fuera sencilla de utilizar para el operador del CNC, para que prácticamente cualquier persona pudiera emplear esta maquinaria, sea en modo manual o en el modo de lectura del código G.

Fig. 4. Interfaz Gráfica.

Hardware

En cuanto al hardware se necesita de una computadora sencilla sin grandes aditamentos para echar a andar todo el CNC. El CNC cuenta con diferentes componentes como son: tres tarjetas de potencia para el control de cada uno de los motores, una tarjeta de control y comunicación para controlar todo el mecanismo y toda la estructura que sostiene el herramental de corte.

Fig. 5 Hardware que componen en CNC.

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La obtención de cada uno de los componentes que integran el hardware se ha elaborado de forma manual y casera.

Fig. 6. Tarjetas de control de motores.

Estas tarjetas fueron creadas a partir de la adquisición de los motores.

Para este proyecto se optó por motores a pasos unipolares, cuyas tarjetas tienen una tolerancia máxima de operación de hasta 50V a 4A.

Fig. 7. Motores a pasos utilizados.

La tarjeta del PIC se elabora de forma en que tenga las salidas suficientes para alimentar a las tarjetas que controlan cada uno de los motores, su alimentación y su puerto de comunicación USB. En este caso se han colocado dos indicadores LED para confirmar la correcta comunicación USB.

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Fig. 8. Tarjeta de control.

La asignaciรณn de terminales para el control de las tarjetas se estableciรณ conforme a la siguiente tabla, tomando en cuenta que se necesitan cuatro terminales para cada tarjeta que controla los motores y dos terminales para la comunicaciรณn por el puerto USB.

Tabla 2. Tabla de conexiones.

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Para transformar las rotaciones del motor en desplazamiento lineal se usan elementos como tornillos con tuercas que sujetan el elemento cortador.

Para una rotaciรณn libre de fricciรณn se colocan unos baleros o chumaceras que realizan las rotaciones mรกs libres y ligeras para los motores.

Fig. 9. Tornillo sin fin.

Todos los elementos se integran para crear la herramienta de corte controlada por computadora.

Fig. 10. Chumaceras.

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Fig. 11. CNC ensamblado.

Todo el sistema al ser ensamblado tiene que ser calibrado porque se tiene que tomar una muestra de la distancia que se desplaza el sistema por cada pulso que se le da al motor, esto solo afecta en una lĂ­nea en la programaciĂłn del sistema.

Fig. 12. MediciĂłn de referencia.

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Al tomar las mediciones sabiendo que los motores dan 1.8 grados por pulso, se contaron las medidas poniendo el sistema a recibir 400 pulsos y el sistema se desplazó 1 cm. Las pruebas realizadas para observar la funcionalidad del producto es la creación de un cubo en SketchUp para luego transferir el diseño a un jabón.

Fig. 13. Figuras diseñadas en SketchUp.

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Fig. 14. CNC trabajando.

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Fig. 15. Finalizadas.

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Diseño y exportación a código G

El diseño es elaborado mediante el programa de diseño SketchUp, este programa se encarga, únicamente, de dar una interfaz para diseñar la pieza que se desee elaborar, para que dicha pieza pueda ser transferida al CNC es necesario tener su código G. El código G exportado por SketchUp es limitado pues no cuenta con todas las funciones, sin embargo, cuenta con las más básicas y útiles para este CNC. Las funciones compatibles son: •G00: Esta función sirve para el desplazamiento en rápido.

•G01: Esta función es utilizada para el desplazamiento en línea recta.

•G02: Sirve para desplazarse en forma circular con sentido dextrógiro.

•G03: Esta función sirve para desplazarse en forma circular con sentido levógiro.

Costos En lo que se refiere a costos, se procuró emplear y buscar elementos de la mejor calidad, pero con los costos más bajos:

Tabla 3. Costos.

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No debe olvidarse que, para la compra de los insumos, se consideró la producción de un único ejemplar: La finalidad inicial fue elaborar un CNC. Conclusiones

Se ha diseñado y desarrollado una fresadora CNC con diseños elaborados en SketchUp y exportados a código G. Este prototipo trabaja con materiales blandos: la prueba realizada, hasta el momento, fue en jabón.

Se han implementado diversos tipos de sistemas electrónicos que han tenido un estupendo desempeño, como las tarjetas que controlan los motores a pasos que son funcionales para el desempeño de este proyecto.

El PIC también fue una buena elección ya que este, por su conexión USB, tiene un rango de compatibilidad más amplio para diversas computadoras.

El programa de diseño SketchUp permite a cualquier persona (incluso a los que carecen de conocimientos sobre diseño 3D) realizar diseños de forma sencilla; por ello es factible trabajar con este programa de diseño para que más personas puedan emplear este proyecto.

El realizar clases en C# permite que si alguna persona quiere desarrollar alguna otra interfaz, lo pueda hacer solo copiando las clases ya elaboradas.

En cuanto a lo que se refiere al sistema mecánico, se puede decir que no es sencillo encontrar las piezas, ni maquilarlas, ya que últimas fechas se ha dado un incremento en la fabricación de piezas en serie. Además, debe tomarse en cuenta que la universidad no cuenta con las suficientes herramientas para crear un proyecto de esta magnitud, es por ello que este proyecto se llevó a cabo con la adaptando de unas piezas por otras, lo cual hace que no tenga un óptimo desempeño en su estructura mecánica.

En conclusión, se puede decir que el proyecto cumple con sus objetivos, aunque con sus limitantes en lo que corresponde la parte mecánica.

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Biodiesel: una alternativa para los combustibles fósiles Jorge Eduardo Lomelí Martínez Minerva Maricela Salinas González Introducción

El presente trabajo tiene como finalidad dar a conocer al lector la factibilidad del empleo del aceite comestible (empleado en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle Puebla) en la elaboración de Biodiesel. El resultado de esta investigación derivo en el artículo intitulado Biodiesel: Una alternativa para los combustibles fósiles. El trabajo fue presentado por Jorge Eduardo Lomelí Martínez para obtener el grado de licenciatura en Ingeniería Industrial y trabajada en su formato para publicación por Minerva Maricela Salinas González.

Ahora bien, en cuanto al trabajo de tesis se realizó una investigación del proceso de obtención de biodiesel a partir de aceite reciclado, así como de las pruebas de calidad que se deben aplicar al producto conseguido para, posteriormente, realizar las pruebas en el laboratorio y basándose en estos resultados proponer un diseño de producción masiva.

El biodiesel se obtiene a partir del aceite de algunos tipos de semillas, de grasas animales o de aceite desechado en las cocinas. Por esta razón, el tema de investigación se dirige hacia la tesis cuyo título es Diseño del proceso de manufactura para la generación de biodiesel a partir de aceite comestible usado en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla, presentada con el objetivo de analizar su implementación y desarrollo dentro de las instalaciones de esta universidad.

En la actualidad uno de los más grandes problemas de la humanidad es la contaminación atmosférica, provocada en su mayoría por los vehículos automotores. Según estadísticas del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) en el año 2014 en México circulaban 38 millones de automotores (INEGI, 2014) y para 2017 el parque vehicular aumentó a más de 47 millones, lo que provoca la emisión de grandes cantidades de bióxido de carbono y otros gases contaminantes. Esto va en continuo aumento, pues la industria automotriz ha crecido en los últimos años; del año 2013 al 2014 se registró un incremento del 9.8%

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(véase Asociación Mexicana de la Industria Automotriz, 2014) y aunque en los últimos años no ha sido tan importante dicho aumento, lo cierto es que cada día tenemos un mayor parque vehicular.

Los tipos de combustibles más utilizados son los derivados del petróleo, como la gasolina y el diésel o el gas natural. Existen dos grandes problemas con el empleo de este tipo de combustibles: el primero es que los yacimientos de petróleo de los cuales provienen son recursos naturales no renovables. El segundo problema del empleo de estos combustibles radica en la emisión de gases contaminantes, entre los que podemos mencionar dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno. Por ello, es necesario encontrar otras fuentes de combustible: una de ellas es el biodiesel.

Metodología

La metodología que se llevó a cabo durante el desarrollo de esta tesis se describe a continuación: • Investigación del marco teórico de propiedades y producción de bio diesel.

• Recopilación de datos de producción de aceite gastado en los laboratorios de Gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla.

• Desarrollo experimental de pruebas de producción de biodiesel.

• Evaluación del producto obtenido.

• Propuesta de proceso de producción de biodiesel.

• Conclusiones Objetivos

Objetivo general: Diseño del proceso de manufactura para generar biodiesel a partir del aceite comestible desechado en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla (Lomelí, 2016).

Objetivos específicos • Determinar la composición del biodiesel usado comercialmente, así como los parámetros de calidad asociados a este producto.

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• Cuantificar el aceite que se genera mensualmente en los laboratorios de gastronomía y el destino final del mismo.

• Recolectar muestras de aceite para su posterior elaboración del biodiesel.

• Realizar pruebas de laboratorio para la obtención de biodiesel a partir del aceite usado.

• Determinar los parámetros que se requieren para identificar el biodiesel.

• Seleccionar el proceso de elaboración de biodiesel a partir de aceite vegetal usado que sea adecuado.

• Determinar el equipo necesario para el desarrollo del proceso.

Planteamiento

Hoy en día, el aceite comestible que se usa en el hogar, restaurantes, laboratorios de cocina, hoteles, entre otros, es desechado en el alcantarillado, donde se mezcla con el agua y su tratamiento es complejo y costoso. El aceite procedente de sartenes, freidoras y latas de conserva que se vierten por fregaderos, inodoros provoca múltiples problemas, como la obstrucción de desagües, son fuente de alimento para roedores y proliferación de bacterias que propician reacciones anaeróbicas y malos olores, contaminación del agua y alteración en el funcionamiento de Plantas de tratamiento de aguas residuales (Lomelí, 2016).

Otro problema es la dependencia de los países hacia los combustibles fósiles. El incremento del precio del petróleo, la naturaleza finita de los combustibles fósiles y la preocupación con respecto al impacto ambiental, especialmente sobre la emisión de Gases de Efecto Invernadero (gei), han establecido la necesidad de buscar nuevas fuentes energéticas; tales como el desarrollo de tecnologías alternas para motores de combustión.

El biodiesel puede ser utilizado es forma pura (B100) o mezclado con diesel de petróleo. Las mezclas más comunes incluyen B2 (2% de biodiesel), B5, y B20. (Energy Efficiency & Renewable Energy, 2018). La mayoría de los fabricantes de autos aprueban las mezclas de hasta B5 y algunos hasta la B20. Es importante señalar que antes de utilizar el biodiesel se consulte en el manual del automóvil cuál sería la mezcla para un correcto

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funcionamiento del motor, pues una mezcla inadecuada puede dañar el motor y, por tanto, cancelar la garantía del fabricante.

Debido a esto, se plantea la hipótesis de la tesis mencionada con anterioridad, la se constriñe a la obtención de biodiesel a partir de aceite usado utilizado en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla (Lomelí, 2016).

Ahora bien, en cuanto al uso del biodiesel presenta algunas ventajas entre las que podemos mencionar las siguientes: • Contiene mayor lubricidad que el diésel de origen fósil, por lo que extiende la vida útil de los motores.

• Es más seguro de transportar y almacenar, pues su punto de inflamación es de 100 °C mayor que el diésel fósil.

• Se degrada de cuatro a cinco veces más rápido que el diésel fósil y puede ser usado como solvente para limpiar derrames de diésel fósil.

• Su obtención a partir de aceite de semillas permitiría el autoabastecimiento a los productores agrícolas.

• Prácticamente no contiene azufre, por lo que no genera SO2 (dióxido de azufre), un gas que contribuye en forma significativa a la generación de lluvia ácida.

Resultados

El biodiesel es un biocombustible de estado líquido que se obtiene a partir de fuentes renovables ya sea grasas vegetales derivados de las plantas como la soya, higuerilla, girasol, canola, palma o bien de aceites o grasas de cocina reciclados. (Fuentes, 2006).

Los aceites vegetales normalmente contienen ácidos grasos libres, fosfolípidos, esteroles, agua y otras impurezas (véase Figura 1). Debido a esto, el aceite no puede ser utilizado directamente como combustible.

Para superar estos problemas, el aceite vegetal requiere una ligera modificación química llamada transesterificación. Esta modificación produce un combustible más limpio y ambientalmente seguro (biodiesel), cuyo componente principal son los ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga (S.N. Naik, 2006).

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Cualquier fuente de triglicéridos es materia prima para producción de biodiesel. Estos triglicéridos pueden ser vegetales o animales.

Fig. 1. Estructura del aceite, glicerol y ácidos grasos. Fuente: Benjumea, Agudelo & Ríos, 2009.

La materia prima empleada en este trabajo recepcional fue el aceite vegetal que se desechó en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla. Para esto el tesista procedió a muestrear la cantidad de aceite desechado durante dos semanas de lunes a viernes.

Tabla 1. Generación de aceite en los laboratorios de gastronomía de la Universidad del Valle de Puebla.

Fuente: Lomelí, 2016.

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Al finalizar el muestreo, se obtuvieron 12.8 litros que comprenden dos semanas de recolección. Si tomamos en cuenta solo los días laborables (diez), se calcula un promedio de 1.28 litros/día y de 25.6 litros al mes (Lomelí, 2016). Esta cantidad es suficiente para realizar las pruebas de obtención de biodiesel, para ello se emplearon dos litros de aceite usado como insumo primario.

Antes de pasar al proceso de producción de biodiesel se realizó un proceso de cribado y filtrado del aceite con el propósito de retirar todos los residuos posibles que el aceite contenga y así evitar impurezas en el desarrollo del procedimiento.

La Transesterificación o alcohólisis, denominada así por utilizar un alcohol de cadena corta como metanol o etanol, se refiere al desplazamiento del radical del alcohol por otro proveniente de un éster suministrado por los triglicéridos de grasas animales o vegetales, este proceso es ampliamente utilizado para reducir la alta viscosidad de los triglicéridos. En la Figura 2 se presenta la ecuación general de la transesterificación.

Fig. 2. Reacción de esterificación. (Benjumea, Agudelo, & Ríos, 2009.

Para la transesterificación se puede usar metanol o etanol. Si se usa metanol el proceso se llama metanólisis y si se utiliza etanol se llama etanolisis. Para realzar la investigación se empleó etanol. Ambos procesos pueden ser catalizados por un ácido o una base. Los álcalis más utilizados son el hidróxido sodio, hidróxido potasio y carbonatos y se agrega en pequeñas cantidades, usualmente entre el 1 y 1.5%. Los catalizadores ácidos utilizados habitualmente son: ácido sulfúrico, ácidos sulfónicos o ácido clorhídrico: en el caso aquí analizado se empleó hidróxido de sodio.

Después de la transesterificación de los triglicéridos, los productos son una mezcla de ésteres, glicerol, alcohol, catalizador y tri-, di- y monoglicéridos

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que luego son separados (Parawira, 2010). La capa de glicerina se asienta en el fondo del recipiente de reacción.

Efecto de diferentes parámetros en la producción de biodiesel

Existen diferentes factores que se deben tomar en cuenta para llevar cabo una transesterificación exitosa como lo son: la relación molar alcohol/ aceite, humedad, ácidos grasos libres, temperatura, agitación, tiempo de reacción y catalizador (Álvarez, 2013).

Relación molar: La relación molar alcohol-aceite es una de las variables más importantes que afectan el rendimiento de la reacción. Según su estequiometría, la reacción de transesterificación requiere tres moles de un alcohol y un mol de triglicéridos para dar tres moles de éster mono alquílico de ácido graso y un mol de glicerina. Sin embargo, considerando que la reacción de transesterificación es un equilibrio químico, se puede conseguir un desplazamiento del mismo a la derecha utilizando relaciones metanol-aceite superior a la estequiométrica. Cuando se utiliza un 100% de exceso de alcohol, la reacción transcurre a alta velocidad, llegando también a altos rendimientos de ésteres metílicos. El exceso de alcohol favorece la obtención de biodiesel: por estos motivos, la concentración inicial de alcohol debe fijarse manteniéndose una situación de compromiso entre la velocidad de difusión por la formación de dos fases de fluido y el desplazamiento de la reacción hacia la formación de biodiesel (Miliarium, 2008).

Humedad: La presencia de agua en el aceite disminuye el rendimiento del biodiesel, debido a la presencia de los ácidos. Por tanto, la materia prima proveniente de ácidos grasos no debe contener agua. La humedad en el aceite provoca la formación de jabón y reduce la eficacia de los catalizadores. El exceso de humedad que puede tener el aceite usado proveniente de los vegetales cocinados puede ser eliminado por medio de un tratamiento térmico en un horno durante 1 hora a 110 °C (Alfonso Álvarez, 2013).

Por carecer de un horno en los laboratorios de la Universidad del Valle de Puebla este proceso se realizó en un dispositivo construido por el propio estudiante utilizando una resistencia eléctrica.

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Temperatura: La temperatura influye claramente en la reacción de transesterificación y en el rendimiento del producto biodiesel. Una temperatura elevada puede disminuir la viscosidad del aceite, dando lugar a un aumento de la velocidad de reacción y a una disminución del tiempo de reacción. Sin embargo, algunos autores señalan que cuando la temperatura de reacción aumenta por encima del nivel óptimo, la conversión en biodiesel disminuye porque elevadas temperaturas de reacción aceleran la reacción de saponificación de los triglicéridos. La temperatura de reacción debe ser menor que el punto de ebullición del alcohol para asegurar que este no se pierde por vaporización (Benjumea, Agudelo, & Ríos, 2009).

El intervalo de temperatura al cual debe llevarse a cabo el proceso de transesterificación oscila entre 45 y 65 °C. Si se aplica una temperatura mayor al punto de ebullición del metanol, este se quema y provoca un rendimiento menor, mientras que a una temperatura superior a 50 °C la transesterificación tiene un impacto negativo cuando se usa aceite puro y un efecto positivo cuando se usa aceite usado con mayor viscosidad (Álvarez, 2013). En este trabajo la reacción se llevó a cabo a una temperatura entre 52 y 54 °C. Agitación: La agitación juega un papel importante en el rendimiento de obtención del biodiesel. Al inicio de la reacción, los triglicéridos y el metanol forman dos fases inmiscibles. Debido a que la concentración de triglicéridos de metanol es baja, el rendimiento inicial de la reacción es bajo. Por tanto, en los momentos iniciales, la reacción es controlada por el mecanismo de transferencia de materia. La agitación es obligatoria, con la finalidad de aumentar el grado de mezcla de las dos fases y de esta forma, aumentar la velocidad de transesterificación (Galván, 2015).

Meher informó que llevó a cabo la reacción de transesterificación con agitación a 180, 360 y 600 revoluciones por minuto (rpm), indicando reacción incompleta a 180 rpm y que el rendimiento de éster metílico fue lo mismo con 360 y 600 rpm, alrededor del 89%, como consecuencia de una correcta mezcla de los reactivos por medios mecánicos de agitador (Meher, Dharmagadda & Naik, 2006).

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Por carecer de un agitador magnético el tesista construyó un agitador mediante un pequeño motor que fue introducido en el dispositivo de reacción (véase Figura 3).

Fig. 3. Agitador del reactor. Fuente: Lomelí, 2016.

Tiempo de reacción: De acuerdo con varios autores, la conversión del aceite a biodiesel se incrementa con el tiempo de reacción. Se ha estudiado la conversión de aceite de cacahuate, semilla de girasol y soya, con una relación molar de Metanol/aceite de 6:1 con 0.5% de metóxido de sodio obteniéndose rendimientos que oscilan entre 93-98% de conversión para una hora de reacción. El porcentaje de conversión se incrementa con el tiempo de reacción (Álvarez, 2013). Las pruebas que se llevaron a cabo en el laboratorio de la UVP y se empleó un tiempo de reacción de 55 a 65 minutos.

Cantidad de catalizador: Generalmente los catalizadores utilizados para el proceso de transesterificación son ácidos, bases o enzimas. La transesterificación catalizada por una base es más rápida que la realizada por un ácido. El catalizador más usado para el proceso de transesterificación es el hidróxido de sodio debido a que es más barato en comparación con el hidróxido de potasio (Álvarez, 2013).

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Para determinar la cantidad óptima se debe realizar una valoración de la acidez del aceite usado. Para ello se realiza una titulación de una muestra del aceite a utilizar mezclado con 10 ml de alcohol isopropílico con una solución al 1% de hidróxido de sodio usando como indicador dos gotas de fenolftaleína.

Después de haber obtenido por lo menos cuatro pruebas de valoración de aceite, se obtuvo 2.55 ml; esto es el resultado del promedio de las cuatro valoraciones. Este resultado es el estándar para 1 litro de aceite, por lo que al usarse 2 litros de aceite como materia prima la cantidad de catalizador se duplica por lo que se usarán 5 ml de solución de hidróxido de sodio.

Preparación de catalizador: La cantidad de metanol a mezclar junto con el hidróxido de sodio usualmente es del 20% de la masa de la cantidad del aceite (Mike, 2003). Para calcularlo se requiere la siguiente formula.

2 litros de aceite = 100% 20% de 2 litros =? (2litros)(0.20) = 0.4 litros de metanol El cálculo anterior determina la cantidad exacta de metanol a usar para convertir aceite usado a biodiesel, son 0.4 litros o bien 400 mililitros por cada dos litros de aceite. Este proceso se le conoce como formación de metóxido de sodio y se requiere mezclar el catalizador con el metanol dentro de un vaso de precipitado, se tiene que diluir lo suficiente, dentro de este proceso el vaso de precipitado calienta, pues al mezclarse se produce una reacción exotérmica (Lomelí, 2016).

Reacción de esterificación: En un recipiente metálico se vació el metóxido de sodio y se añadieron dos litros de aceite, dentro del recipiente metálico había un motor de ventilador pequeño (y en este un rehilete) que el motor hacía girar. Asimismo, se insertó una resistencia eléctrica dentro del recipiente, este ayudaba a alcanzar la temperatura deseada de 50°C a 54°C y, por ende, el proceso de transesterificación se llevaba a cabo. Se mezcló por 55 a 65 minutos para obtener el producto. (Lomelí, 2016).

Una vez completada la reacción de transesterificación, se deja enfriar el biodiesel para que se separe por gravedad de la glicerina. Al día siguiente,

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una vez sedimentado y mediante una pipeta, se extrajo el biodiesel y la parte de la glicerina se desechó.

Lavado del biodiesel: Este proceso se realiza con el único objetivo de remover partículas de glicerina, restos de metanol y de esta manera, tener el biodiesel lo más puro posible. Para este proceso se lavó con agua destilada para remover restos de jabón (Lomelí, 2016), este proceso se realiza intercalando decantaciones, esto con la finalidad de remover el agua destilada; al terminar este proceso se calienta el biodiesel a una temperatura de 100 ºC (Díaz, 1997). A continuación se procede a repetir el procedimiento en cuatro ocasiones. Este procedimiento se lleva a cabo para obtener cuatro muestras de biodiesel.

Calidad del biodiesel: La calidad del biodiesel producido es de suma importancia porque de ello dependerá el óptimo funcionamiento de un motor de combustión. Actualmente, México no cuenta con un marco legal que permita el uso de biodiesel como sustituto de combustible diésel en los vehículos automotores, así como el correspondiente que permita normar la calidad y su comercialización.

Uno de los primeros pasos se dio recientemente con la aprobación de la Ley para el Desarrollo y Promoción de los Bioenergéticos y que, según sus desarrolladores, permitirá impulsar la agroindustria para la producción de etanol y otros biocombustibles como alternativa para contar con la autosuficiencia energética a través de fuentes renovables. Sin embargo, en esta no se especifican claramente los mecanismos financieros y fiscales que se utilizarán para detonar y mantener el mercado del etanol.

Asimismo, en esta ley no se contempla la obtención de biodiésel a partir de grasas animales y desechos de aceites vegetales (Lomelí, 2016).

Otra normativa que está en discusión entre los legisladores en México es la Ley para el Aprovechamiento de las Fuentes Renovables de Energía, en la cual se pretende cubrir amplias fuentes de energía renovables y su posible aplicación como son la electricidad, térmico, mecánicas, biocombustibles, et sequens. Sin embargo, todavía no existe una norma o ley que defina las características de calidad del biodiesel elaborado a partir de aceites usados.

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Para lograr los estándares de calidad requeridos para el uso y distribución del biodiesel, los países líderes en este ramo han publicado sus propios estándares, destacando los American Society for Testing and Materials (astm) para Estados Unidos de Norteamérica, la Unión Europea (en) y las Deutsches Institud für Normung (din) en Alemania (Álvarez, 2013). Los estándares más importantes para verificar la calidad del biodiesel son la norma en 14214 correspondiente para la Unión Europea y la norma astm D 6751 para los Estados Unidos.

Tabla 2. Requisitos para norma de calidad del biodiesel en 14214.

Fuente: Agencia andaluza de la energía, 2009.

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Dentro de los parámetros más importantes de esta norma podemos mencionar: 1) la densidad, 2) el poder calorífico, 3) la viscosidad, 4) el índice de cetano y, por último, d) el punto de nube.

Densidad: La densidad nos indica el volumen que ocupa cierta cantidad un objeto, materia o producto. La densidad se mide en g/ml o en múltiplos de dichas unidades.

Por carecer de un termohidrómetro calibrado en el laboratorio de química de la Universidad del Valle de Puebla, se obtuvo la densidad aplicando la fórmula anterior. Se procedió a colocar 200 ml de biodiesel en un vaso de precipitado en una balanza granataria. Se realizó estas mediciones con las tres muestras de biodiesel obtenido.

Tabla 3. Cálculo de densidad de muestras de biodiesel. Fuente: Lomelí, 2016.

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El valor obtenido está dentro de los límites marcados por la en 14214.

Prueba de punto de nube: Esta prueba fue satisfactoria ya que, al vaciar 10 ml del biodiesel en un matraz. Cuando se sometió a una temperatura de 0°C no presentó grumos, esto nos da a entender que el biodiesel no tiene presencia de metanol o residuos del proceso de transesterificación. Cabe destacar que este parámetro está considerado dentro de los parámetros de la norma en 14214, y aunque no es cuantificado a la perfección, podemos concluir que no presenta rastros de metanol.

Prueba de flama: El punto de inflamación se define como la temperatura menor que presenta un líquido a la cual se le genera suficiente vapor para crear una mezcla inflamable con aire con la presencia de un punto de ignición. Ahora bien, el punto de inflamación se usa para clasificar un material líquido como combustible o inflamable y definiendo la calidad del producto (astm, 2013).

El punto de inflamación o flashpoint es mejor en el Biodiesel, que lo convierte en un combustible más seguro de almacenar. El punto de inflamación del Biodiesel es de 128 ºC contra el punto de inflamación del diesel derivado del petróleo que es de 48 a 71 ºC. Para diagnosticar el punto de inflamación del biodiesel se necesita una máquina llamada medidor automático de punto de inflamación por copa abierta Cleveland y con eso definirlo. Pero debido a las limitantes se procederá a aplicarle fuego directamente al recipiente con biodiesel y podremos observar si nuestra prueba de laboratorio arde en llamas o simplemente no sucede nada.

El biodiesel se sometió a 115 °C y no se observó ningún síntoma de incendio (o combustión) del biodiesel, por lo cual, esta prueba cumple con los parámetros de la norma en 14214. Por cuestiones de seguridad, no se intentó ir más allá de la temperatura, debido a que no se contaba con equipo especializado contra incendio (Lomelí, 2016).

Prueba de índice de cetano: El índice de cetano guarda relación entre el momento de la inyección y cuando comienza la combustión. A mayor índice, menor será el tiempo entre la inyección y la combustión. En esta prueba el combustible se va ajustando operando con el motor y con este funcionando,

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se va ajustando micrométricamente la cámara de pre-combustión de forma gradual hasta alcanzar que el motor haga explosión precisamente en el punto máximo superior de la carrera. El índice de cetano se puede determinar mediante un motor de prueba especialmente diseñado para cumplir con las especificaciones astm D613 o mediante un aparato de combustión a volumen constante astm D6890. Ambos métodos son muy costosos, pero el índice de cetano se puede determinar mediante correlaciones empíricas que permiten determinar el número de cetano de combustibles diesel a partir de su fórmula (Álvarez, 2013).

En una investigación Karim Poma Flores (2004) revela que el índice de cetano es de 51, tal y como lo establece la norma en 14214. Es indispensable que el número de cetano no sea menor a ese resultado ya que la calidad de ignición será más tardada. Se realizó la investigación de índice de cetano, ya que para realizar esta prueba es indispensable requerir de una máquina Waukesha, con la cual no se cuenta.

Prueba de punto de nube: El punto de nube es de suma importancia debido a que define la temperatura a la cual los componentes del biodiesel comienzan a precipitarse, aparecen nubosidades o cristalizaciones en el biodiesel (Ojeda & Patiño, 2010). El punto de nube diagnostica que el biodiesel obtenido sea el principal responsable de los residuos obtenidos durante el proceso de transesterificación ya que este se solidifica durante el enfriamiento del combustible, dando resultados negativos como el taponamiento de los filtros, a su vez genera una pobre inyección de combustible al motor (Lafont, Páez & Torres, 2011).

Esta prueba fue satisfactoria ya que, al vaciar 10 ml del biodiesel en un matraz, no presentó grumos cuando se sometió a una temperatura de 0 °C, esto nos da a entender que el biodiesel no tiene presencia de metanol o residuos del proceso de transesterificación.

Proceso de producción de biodiesel: Se propone el siguiente diagrama de flujo para la producción del biodiesel:

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Fig. 4. Proceso de elaboración de biodiesel. Fuente: Lomelí, 2016.

Descripción del proceso: A continuación, el lector encontrará el proceso completo de la obtención de biodiesel (véase la Figura 4): 1. El diagrama comienza con el cribado de aceite que es el primer tanque de lado izquierdo, esto tiene la función de limpiar cualquier impureza que el aceite llegase a tener (sean residuos o basuras).

2. Se calienta el aceite a 130 ºC para eliminar los restos de agua que presente. Esto se realiza puesto que desconoce la procedencia (y pureza) del mismo.

3. Una vez concluido esos dos pasos, el aceite pasa al reactor de transesterificación.

4. A continuación, se comienza la mezcla del alimentador de hidróxido de sodio y el metanol hacia el reactor, ambos tienen una válvula de paso que es controlada desde el panel de control.

5. Comienza la transesterificación donde el reactor es calentado a 45º C y mezcla el aceite con el metanol y el hidróxido de sodio, como se menciona anteriormente estos son suministrados electrónicamente desde un panel de control con la medida ya programada.

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6. La transesterificación dura aproximadamente entre 40 minutos a una hora, mezclándose constantemente por medio de las aspas que se van moviendo a través del motor de giro.

7. Una vez que concluido el proceso de transesterificación, se procede a transportar la mezcla a un embudo de decantación. Por medio de la gravedad la glicerina (que es el producto no deseado) se sedimentará en el fondo y el biodiesel quedará arriba.

8. El producto no deseado (glicerina) es transportado al área de desechos. Este paso del proceso se presenta como una buena oportunidad para crear jabón si así se desea; esto con la finalidad de convertir la merma en un bien y reutilizar el desecho.

9. El biodiesel todavía presenta restos de glicerina, triglicéridos y catalizador, por lo cual se transporta a un tanque para que este sea lavado.

10. Una vez que el biodiesel con las impurezas está almacenado en el tanque, se abre la válvula de paso del tanque alimentador de agua destilada para lavar el biodiesel y este quede puro. Cabe destacar que este proceso se repite de dos a tres ocasiones.

11. Los residuos de lavado son almacenados en un tanque para después ser desechados en el área correspondiente.

12. El biodiesel queda almacenado y está listo para someterse a las pruebas de calidad.

Conclusiones

El proceso de elaboración fue un complejo debido a las limitantes de laboratorio que ya se han mencionado anteriormente. Se realizaron entre ocho y once pruebas en laboratorio para obtener tres muestras factibles. Para verificar si lo que se obtuvo fue realmente biodiesel se recurrió a pruebas no muy estrictas y apegadas a los recursos disponibles.

De acuerdo a la norma regulatoria en 14214 donde se permite conocer si el biodiesel cumple con los parámetros establecidos, el producto obtenido cumple con todas las propiedades en las cuales se realizaron las mediciones y se puede concluir que es biodiesel con la calidad deseada.

El proceso se hace más interesante cuando se llega a la transesterificación, es decir, la mezcla de aceite con el metanol y el hidróxido de sodio, donde

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se somete a altas temperaturas y se percibe mezclado. En la última prueba, con el proceso de manufactura ya estandarizado, se procedió a verter el producto a un embudo de separación y en un lapso de 24 a 48 horas con un monitoreo constante, se puede observar claramente la separación entre el biodiesel y la glicerina.

Por otra parte, en cuanto al rendimiento, se obtuvieron 900 ml de biodiesel por cada litro de aceite usado, es decir, se obtuvo un rendimiento de 90%. De los 12.8 litros de aceite obtenidos en 15 días se podrían obtener alrededor de 11.52 litros debido a que se pierde el 10% de los litros de aceite (Lomelí, 2016).

Si hacemos el cálculo de cuánto se produciría en un mes, serían alrededor de 23 litros; esto sin contar las tres cafeterías con las que cuenta la universidad.

Podemos concluir entonces que el proceso de obtención de biodiesel a partir de aceites usados en los laboratorios de gastronomía en la Universidad del valle de Puebla es factible y es una alternativa a los combustibles derivados del petróleo.

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