martes, 27 de noviembre de 2012

1.1 Desarrollo historico de la mecatronica

La definición de la mecatrónica ha evolucionado desde que la compañía eléctrica Yasokawa la define como “meca” de mecanismos y “trónica” de la electrónica. Se define como la integración sinérgica de la ingeniería mecánica, electrónica y el control de computadora inteligente en el diseño  y fabricación de productos o procesos industriales.

El estudio de los sistemas mecatronicos se puede dividir en los siguientes áreas de especialidad:
1.        sistemas de modelado físico
2.       Sensores y actuadores
3.       Señales y sistemas
4.       Computadoras y sistemas lógicos
5.       Software y adquisición de datos
Nació de la necesidad de contar con una metodología eficiente aplicada a la producción, bajo concepto de multidisciplinaria. Tiene antecedentes directos de la investigación de cibernética en 1936 por Turing, las maquinas de control numérico de 1946 por Devol, los manipuladores en 1951 por Goertz y en 1954 por Devol y los automatos programables por Bedford associates en 1968.
El nombre mecatrónica se origino en 1969 por el ingeniero Tetsura Morí, su objetivo era simplificar y mejorar el funcionamiento de sistemas mecánicos, después descubrió que se podía crear sistemas mas complejos dando origen a las maquinas de control numérico. En 1980 se integro el uso de la tecnología computacional.
En 1970, la sociedad japonesa para la promoción de la industria de la maquina (JSPMI) clasifico los productos de la mecatrónica en:
1.       Clase 1 productos mecánicos con dispositivos electrónicos incorporados para mejorar la funcionalidad
2.       Clase 2 sistemas tradicionales mecánicos, actualizados que incorporen la electrónica en su interior.
3.       Clase 3 los sistemas que retienen la funcionalidad del sistema mecánico tradicional pero internos del mecanismos se sustituye por la electrónica
4.       Clase 4 productos diseñados con las tecnologías mecánicas y electrónicas a través de la integración sinérgica
La mecatrónica ha pasado por varias etapas
Primer etapa abarca los dispositivos de entrada y salida como sensores y actuadores
Segunda se integra la microelectrónica a los dispositivos controlados eléctricamente, permitiendo elaborar productos de alta calidad y bajo costo
Tercera se les denomina sistemas inteligentes
 


Cuarta el control inteligente, la inteligencia en el control de maquinas esta cambiando para ser parecida a la de un humanos.
El termino mecatrónica aplica a distintos disciplinas de la ingeniería para la manufactura, transporte y consumo de productos. El campo de la robótica ha sido el mejor ejemplo para mostrar los beneficios y capacidades de esta.

1.2 Panorama general de la carrera ingeniero en mecatronica


El estudio de la mecatrónica ofrece un mecanismo para que los estudiosos interesados en comprender y explicar el proceso de diseño de un ingeniero. La mecatrónica representa un nuevo nivel de integración multidisciplinario para la tecnología de la manufactura, procesos y productos. 

El mecatronico es un líder de proyectos de diseño, construcción e implantación de nuevos productos o procesos inteligentes que requieran de conocimiento de mecánica de precisión, instrumentación electrónica, ingeniería de control y diseño computarizado.
Su mayor cualidad es saber conocer y aplicar la combinación perfecta de las diferentes tecnologías para crear nuevos productos inteligentes y liderar equipos de proyectos conformados por diferentes ingenieros.
El ingeniero trabajara en industria donde se emplee alta tecnología de manufactura, como de productos electrónicos, de ensamble y diseño automotriz y toda la industria que use equipos mecánicos de precisión.
Trabaja en ámbitos relacionados con los sistemas de control electrónicos y sistemas de información computarizados, manufacturera, petrolera, energía eléctrica, siderúrgica, etc.
El principal objetivo es el crear productos más competitivos que respondan a necesidades específicas y no solo a desarrollar funciones tecnológicas con un alto grado de sofistificación.


En el ámbito mundial los sistemas mecatronicos ocupan un sitio importante en la modernización de tecnologías modernas  llamadas “tecnologías mecatrónica”.


1.3 Perfil y campo de desarrollo del ingeniero mecatronico




El ingeniero mecatronico imagina y crea el mundo del futuro por medio de una visión capazde obtener productos y sistemas en donde se fusionen la electrónica, mecánica e informativa. Busca soluciones que mejoren la actividad industrial y la vida de las personas.

Adapta las tecnologías a las necesidades actuales de las persona, analizando y evaluando el impacto económico social y ambiental.
Se orienta a la automatización y control de procesos de manufactura. Debe tener bases en física, matemáticas y técnicas de ingeniería para adaptar y administrar nuevas tecnologías.
Se puede desarrollar en industrias.
  • 1.       Química
  • 2.       Farmacéutica
  • 3.       Energética
  • 4.       Papelera
  • 5.       Electrónica
  • 6.       Biomédica
  • 7.       Automotriz
  • 8.       De petróleo
  • 9.       Alimentaria
  • 10.   Textil
  • 11.   Aeronáutica

El campo de acción comprende tanto los aspectos relacionados con la mecánica de precisión como los sistemas de control electrónica y tecnología informática.
Lleva a cabo la puesta en marcha, operación y mantenimiento de la maquinaria, equipos, instrumentos y procesos de estos sistemas automatizados de manufactura.
Diseña y construye producto mecatronicos como instrumentos médicos, prótesis, productos de bioingeniería, cámaras fotográficas, autofocus, discos, lavadoras.
Realiza el diseños e integración de sistemas de redes de computadoras en ambientes de servicios, etc.

 

1.4 Concepto de ciencia e ingenieria

¿Qué es la ciencia?
La ciencia del latín scientia, conocimiento, es un proceso de adquisición de conocimiento empírico y la organización de dicho conocimiento susceptible de probarse, sistematizados, realizables y dirigidos a objetos de una misma naturaleza. Esta serie de conocimientos pueden ser ciertos o probables, racionales, sistematizados y verificables. El objeto de la ciencia es comprender al mundo en el que vive
¿Qué es la ingeniería?
Es la profesión en la cual los conocimientos de las matemáticas  y las ciencias naturales obtenidos a través del estudio, la experiencia y la práctica, son aplicados con criterio y con conciencia al desarrollo de los medios para utilizar con responsabilidad social y en base a una ética profesional, los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad.

2.1 Sensores y Transductores


Sensor elemento que produce una señal relacionado con  la cantidad que se está midiendo. Los transductores se definen como elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio, los sensores son transductores.


Para definir el funcionamiento de los transductores utilizamos:
1.       rango y margen:
2.       error
3.       exactitud
4.       sensibilidad
5.       error por histéresis
6.       error por no linealidad
7.       repetibilidad
8.       estabilidad
9.       banda/tiempo muerto
1.   resolución
1.   impendancia de salida
Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable. Como los son:
1.       tiempo de respuesta
2.       constante de tiempo
3.       tiempo de subida
4.       tiempo de estabilización
Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor.
Al momento  de elegir sensores hay que tomar en cuenta:
1.       magnitud de desplazamiento
2.       si el desplazamiento es lineal o angular
3.       resolución que necesita
4.       material
5.       costo
6.       exactitud
Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar: en sensores de contacto, en los cuales el objeto que se mide está en contacto, en los cuales el objeto que se mide esta en contacto mecánico con el sensor y sensores sin contacto donde no existe tal.
Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento.
El deformimetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuera una estampilla postal.
El sensor táctil es una forma particular de sensor de presión. Se utiliza en las pantallas sensibles al tacto, al igual que en las manos de los robots.
Las bandas bimetálicas constan de dos bandas unidas de distinto metal. Los detectores de temperatura por resistencia (DTR) son elementos resistivos sencillos que adoptan la forma de bobinas de alambre hechas de platino, níquel. Los termistores son pequeñas piezas de materiales hechos con las mezcla de óxidos metálicos. El diodo semiconductor de unión con frecuencia se  utiliza como sensor de temperatura.
Los fotodiodos son diodos de unión hechos con semiconductores los cuales están conectados en un circuito con polarización inversa, por lo que su resistencia es muy elevada. Los fototransistores tienen una unión base-colector p-n sensible a la luz. Las fotorresistencias tienen una resistencia que depende de la intensidad luminosa que reciben, la cual disminuye de manera lineal  con la intensidad.
Al seleccionar un sensor hay que considerar:
1.       tipo de medición que se requiere
2.       tipo de salida que requiere
Los interruptores mecánicos tienen uno o varios pares de contactos que se abren y cierran en forma mecánica. Se especifican en función de sus polos que son el número de circuitos independientes que se operan con una sola acción de conmutación y de los tiros que son el número de contacto individuales de cada polo.
El transformador diferencial de variación lineal (TDVL) esta formado por 3 devanados espaciados de manera simétrica a lo largo de un tubo aislado.
Los transformadores diferenciales variables giratorios (TDVG) sirven para medir la rotación y el principio de su funcionamiento es idéntico al de TDVL.
El interruptor de proximidad inductivo, esta formado por un devanado enrollado a un núcleo. Al aproximar el extremo del devanado a un objeto metálico, cambia la inductancia.
Un codificador es un dispositivo que  produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de incremento detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos y codificadores absolutos. El codificador absoluto se usa para medir desplazamientos angulares.
Un microinterruptor es un pequeño interruptor eléctrico que requiere un contacto físico y una pequeña fuerza de acción para cerrar los contactos. Un interruptor de lengüeta, consta de dos contactos de un interruptor magnético que esta en un tubo de vidrio.
Los dispositivos fotosensibles se usan para detectar la presencia de un objeto opaco  al interponerse este entre el haz luminoso o radiación infrarroja y de dispositivo mediante la detección de luz.
Un codificador diferencial se usa para medir la velocidad angular de determinada cantidad de pulsos producidos por segundo. El tacogenerador sirve para medir la velocidad angular.

2.2 Acondicionamiento de señales

Los dispositivos de entrada y salida están conectados con un sistema de microprocesador mediante puertos. El termino interfaz se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto.
Procesos del acondicionamiento de señales:
1.       Protección
2.       Convertir una seña en un tipo de señal adecuado
3.       Obtención del nivel adecuado de la señal
4.       Eliminación o reducción del ruido
5.       Manipulación de la señal
El fundamento de numerosos módulos para acondicionamiento de señal es el amplificador operacional. Tiene dos entradas una inversora y entrada no inversa.
Hay diferentes tipos de amplificadores:
1.       Amplificador inversor
2.       Amplificador no inversor
3.       Amplificador sumador
4.       Amplificador integrador
5.       Amplificador diferencial
En un amplificador para instrumentación se utilizan tres amplificadores operacionales. El Amplificador logarítmico es un ejemplo de acondicionador de señal para linealizar la salida de sensores.
Los amplificadores operacionales son amplificadores de elevada ganancia que amplifican la entrada entre sus dos entradas.
El filtrado se refiere al proceso de eliminación de cierta banda de frecuencias de una señal y permita que otras se transmitan. El rango de frecuencia que pasa un filtro se conoce como banda de supresión. El filtro pasa bandas permite que la transmisión de todas las frecuencia que esta dentro de una banda especificadora. El filtro supresor de banda rechaza e impide la transmisión de todas las frecuencias de banda.
El deformimetro de resistencia eléctrica es otro sensor en el que es necesario compensar los efectos de temperatura, se utilizan con frecuencia en combinación de otros sensores como son los indicadores de presión o los de tipo diafragma para medir desplazamientos.
Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medición hay que convertir la salida analógica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al procesador. El sistema binario se basa en solo dos símbolos: 0 y 1. A estos se les conoce como dígitos binarios o bits. Al bit 0 se le denomina bit menos significativo (LSB) y al bit mayor como bit mas significativo (MSB). La conversión de señales analógicas a digitales implica la conversión de las primarias a las binarias.  El procedimiento utilizado es un temporizador que proporcionan al convertidor analógico a digital (CAD) impulsos de señal regular y cada vez que se recibe un impulso, muestra una señal analógica.
Se utiliza un amplificador sumador para formar la suma ponderada de todos los bits que no son cero en la palabra de entrada. La suma de los voltajes es una suma ponderado de los dígitos de la palabra. A este sistema se le conoce como circuito de resistencia ponderada.
Las especificaciones de los CDA´s deben ser:
1.       Una salida a escala total
2.       Resolución
3.       Tiempo de estabilización
4.       La linealidad
5.       Tiempo de conversión
6.       Error de linealidad
En la modalidad rampa del convertidor analógico a digital se utiliza un voltaje analógico que se aumenta a razón constante, lo que se le conoce como voltaje rampa y se aplica a un comparador en donde se le comprara con el voltaje analógico del sensor.
El convertidor de rampa doble es más común, el voltaje analógico se aplica al integrador que actúa el comparador. El convertidor analógico a digital instantáneo es muy rápido.
Los amplificadores de muestreo y retención se usan para retener el valor instantáneo de un voltaje analógico hasta que un convertidor analógico a digital este liso para convertirlo a digital.
Un multiplexor es un circuito que puede recibir datos provenientes de diversos fuentes para después al seleccionar un canal de entradas producir una salida correspondiente a solo uno de ellos.
El multiplexor digital que se usa para seleccionar entradas de datos digitales, se muestra un sistema con solo dos canales de entrada. Multiplexor por división de tiempo, a cada dispositivo se le proporcionan los datos características necesarias para asignar a cada una ranura de tiempo particular.
Adquisición de datos o AD, describe el proceso que consiste en tomar datos de los sensores e introducirlos en una computadora para procesarlos. El software de la computadora controla los datos de adquisición a través de tablillas de AD.
Procesamiento de señales digitales se refiere al proceso que realiza el microprocesador de una señal. Las señales digitales son señales de tiempo discreto.