metodologÍa aplicada al desarrollo de mÁquinas mecatrÓnicas

7/22/2019 METODOLOGA APLICADA AL DESARROLLO DE MQUINAS MECATRNICAS

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METODOLOGA APLICADA AL DESARROLLO DE MQUINAS MECATRNICAS

Jos Emilio Vargas SotoCentro de Ingeniera y Desarrollo Industrial

Pie de la Cuesta 702, Col. Desarrollo San Pablo. CP 76160, Quertaro, [email protected]

Resumen

El presente trabajo inicia con una resea sobre el desarrollo de la Mecatrnicaen el mundo, as como algunos datos sobre las actividades del conocimiento deesta disciplina en Mxico. Se muestra el concepto de la mecatrnica, y comopuede ayudar a realizar de forma integral diseo y desarrollos de mquinas. Sepropone una metodologa de diseo, y los objetivos que se buscan lograr condicho mtodo, as como algunas experiencias de proyectos realizados bajo esteenfoque. El trabajo finaliza mostrando algunas reflexiones sobre como lamecatrnica puede ayudar al desarrollo de mquinas que requieren sistemasaltamente integrados, no solo desde el punto de vista operacional, sino tambindesde el punto de vista del diseo.

1. Introduccin

Dentro de ambiente de diseo de productos o procesos, es comn distinguir mtodos o tcnicaspara resolver problemas especficos en Ingeniera, especialmente cuando se trata de sistemas endonde incide ms una disciplina que otra. Sin embargo, la evolucin de las mquinas y las tcnicasasociadas a su diseo muestran que existen dificultades para lograr integrar tcnicas y mtodosque han funcionado bien de forma aislada, pero que en diseos especiales, principalmente enaquellos en donde se combinan efectos de diferente naturaleza, aplicar las tcnicas de diseoconvencional no siempre es la mejor alternativa para solucionar los problemas de diseo.En este sentido, hace ms de veinte aos se inici en Japn una disciplina de Ingeniera orientadaa resolver problemas mecnicos y electrnicos en el diseo de productos [1]. A esta disciplina se le

denomin: Mecatrnica, y consisti en integrar tcnicas de diseo mecnico considerando lainteraccin de dichos sistemas con los componentes electrnicos.En Europa, hace una dcada la mayora de los Ingenieros no conocan o bien tenan poca idea delo que significaba la mecatrnica, ya que esta se consideraba como una forma de diseorevolucionaria, pero no muy clara. Sin embargo, para algunos grupos europeos result sumamenteinteresante esta nueva forma de diseo, por lo que se crearon diversas asociaciones como TheDanish Mechatronics Association, The Mechatronics Group of Finland, The HungarianMechatronics Association, y diversos centros de Diseo en Italia, Inglaterra, Alemania y Suecia,principalmente[2].En Estados Unidos de Amrica, en la ltima dcada se han efectuado diversos eventos orientadosa conocer y a difundir la Mecatrnica [3], as mismo se ha intentado formar Ingenieros con algnconocimiento sobre la Mecatrnica. A pesar del inters, se han tenido problemas ya queprincipalmente se han creado materias o mdulos en donde se incluyen estudios de

microprocesadores o aplicaciones de microcontroladores y sensores, los cuales no son suficientespara lograr una metodologa clara de integracin. Universidades como Colorado State, GeorgiaInstitute of Technology, University of Washington, Iowa University, Purdue University ofrecenalgunos cursos sobre mecatrnica, pero han sido pocos los resultados por ofrecer una licenciatura.En muchos casos, la estructura operativa de las universidades no les ha permitido abrir unalicenciatura, debido a que primero se debe crear un Departamento de Mecatrnica. A pesar deestos problemas, diversas universidades ofrecen estudios de licenciatura en Ingeniera conespecialidad en el Diseo de Sistemas Electromecnicos, como la Universidad de Ohio.El hecho de que este tipo de disciplinas se desarrolle en las Universidades e Institutos esimportante para lograr una formacin y un cambio en la manera en que las personas efectan


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diseos de mquinas complejas, as tambin como desarrollar habilidades de integracin que lespermita una mayor eficiencia en el proceso de diseo.

2. El Concepto de la Ingeniera Mecatrnica

Aunque la Mecatrnica ha sido interpretada y definida de forma diferente por diversos especialistasy asociaciones. El concepto de la mecatrnica es muy sencillo, y este se basa en integrarconocimientos de varias reas de la Ingeniera, principalmente de la mecnica y la electrnica.Cuando estos conocimientos se integran y se relacionan entre s, resulta ms completa laevaluacin de los problemas de diseos. Personalmente, considero que la mecatrnica es unadisciplina orientada a integrar las tecnologas de la Ingeniera Mecnica, Electrnica e Informticapara innovar productos, procesos o sistemas.

Existen muchas mquinas que podran considerarse de tipo mecatrnico, como por ejemplo unhorno de microhondas, una lavadora programable, o un telfono. Sin embargo, el concepto de lamecatrnica no se basa en el hecho de que estos productos tengan componentes mecnicos,elctricos y de computo, que de hecho una buena parte as es, sino tambin en la forma en queestos productos fueron diseados y desarrollados.

3. Ingeniera Mecatrnica en Mxico

La historia de la Mecatrnica en Mxico inicia a principios de los 90, cuando varias Instituciones deEducacin Superior como la Universidad Nacional Autnoma de Mxico (UNAM), la UniversidadAnhuac del Sur (UAS) y el Instituto Politcnico Nacional (IPN) ofrecen las primeras asignaturasorientadas en la enseanza del concepto de la Mecatrnica en licenciatura y postgrado. En 1994,inicia esta opcin educativa la Universidad Anhuac del Sur, posteriormente en 1997 la UnidadProfesional Interdisciplinaria en Ingeniera y Tecnologas Avanzadas (UPIITA) del IPN ofrece laLicenciatura en Ingeniera Mecatrnica en Mxico.Ambas carreras iniciaron con un grupo reducido de alumnos. A mediados de los 90s, otrasUniversidades se interesan en conocer ms sobre esta disciplina y de las posibilidades que tieneesta disciplina para lograr un mejor desarrollo profesional de sus egresados [4]. A finales de los

90s, algunas Instituciones brindan estudios ms completos de la Mecatrnica mediante diplomadosy cursos de especializacin en postgrado, como es el caso del Instituto Tecnolgico y de EstudiosSuperiores de Monterrey (ITESM) en colaboracin con la empresa FESTO. As mismo, otrasUniversidades como la Universidad Iberoamericana, La Salle y la UNAM, brindan estudiossimilares mediante carreras como Ingeniera Ciberntica y en Sistemas Computacionales.A mediados del 2000, el ITESM se suma a las Universidades que ofrecen la carrera de IngenieraMecatrnica en el mundo, despus de un largo y complejo proceso que le llevo varios aos, selogra formar la Academia de Mecatrnica del Sistema ITESM, coordinados por el Dr. EugenioGarca del Campus Monterrey.Recientemente, se han creado diversos Departamentos de Mecatrnica en Universidades,Institutos y Centros de Investigacin y Desarrollo, los cuales se encuentran en los primeros aosde operacin. En las Universidades la formacin del Ingeniero se basa en lograr unageneralizacin de conocimientos en Mecnica, Electrnica e Informtica bajo un enfoquemecatrnico. Por su parte, los centros de investigacin se orientan a realizar proyectostecnolgicos en donde se requieren resolver problemas complejos de Ingeniera.

La Unidad de Postgrado del Centro de Ingeniera y Desarrollo Industrial del Estado deQuertaro, CIDESI, a travs del Postgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnologa,PICYT, se encuentra realizando programas de Mecatrnica a nivel de Especializacin,Maestra y Doctorado, estos programas se suman a la formacin de alto nivel en Mxicoque efecta desde 1997 el Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del InstitutoPolitcnico Nacional, a travs del Doctorado en Ingeniera con especialidad en Mecatrnica.El Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, CENIDET ofrece desde 1997el Programa de Especializacin en Ingeniera Mecatrnica y desde el 2000 los programas


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de Maestra y Doctorado en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica. Recientemente, en el 2004la Universidad Modelo, en Mrida se encuentra desarrollando su programa de Maestra enIngeniera Mecatrnica.

4. Metodologa

El propsito de tener una metodologa que nos permita desarrollar mquinas de tipo mecatrnico,es decir mquinas en donde los sistemas mecnicos, electrnicos y computacionales convergende forma significativa en el diseo de la mquina, es que dicha metodologa nos ayudar a:

Reducir los tiempos de diseo e implantacin

Reducir los costos asociados al diseo y la implantacin.

Tener un orden de actividades en un proyecto integral

Visualizar la direccin de un proyecto

La Fig.1 muestra la relacin de algunas actividades generales asociadas al desarrollo de unamquina de este tipo.

Fig.1 Diagrama de actividades generales


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Aunque esta metodologa se refiere principalmente a las actividades asociadas de diseo y aldesarrollo de la mquina, as como a la relacin de estas actividades entre ellas, es importantemencionar que antes de aplicar algunas de estas ideas, el lder o responsable del proyecto, debetener presente un trabajo previo en donde se hayan definido los siguientes puntos:

a) Las ventajas y desventajas de la mquinab) Las normas y limitaciones del proyectoc) La justificacin del proyecto bajo diversos criterios (econmicos, sociales, etc.)d) La definicin clara y precisa de los objetivos del proyecto.e) Las caractersticas tcnicas de la mquinaf) La evaluacin de los conceptos de diseo de los sistemas de la mquinag) La seleccin de la mejor alternativa con base en criterios claros y definidos

Con relacin a este ltimo punto, he de mencionar que me ha dado buenos resultados utilizar latcnica de QFD, Quality Function Deployment [5]. Dicha tcnica se recomienda no solo paraevaluar de forma objetiva la seleccin de algn subsistema o parte de una mquina, sino tambinpara el uso y/o la adquisicin de equipos o herramientas requeridos en el desarrollo de la mquina.

Una vez que se ha logrado la definicin y seleccin de la mejor alternativa, la Fig.1 nos indica deforma general las actividades asociadas al desarrollo de una mquina diseada bajo el conceptode la mecatrnica. En ella puede observarse como es posible lograr conjuntar actividades dediseo asistido por computadora, utilizando para ello diversas herramientas y tcnicas, las cualesdependern en algunos casos del problema de diseo a resolver, en otros de la infraestructura conla que se cuenta para realizar el proyecto, y en otras ocasiones de la experiencia de losparticipantes en el proyecto, principalmente. Para cada uno de estos casos es fundamental

justificar de forma objetiva la utilizacin de las tcnicas que se aplicarn, as como la forma en quese integrarn en las actividades al proyecto.

Fig. 2 Actividades orientadas al control asistido por computadora

El mtodo que se propone en este trabajo no intenta mostrar una nueva tcnica de diseo, es msbien una manera de como se pueden integrar las actividades de diseo y su interaccin con


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actividades de manufactura, instrumentacin y control en mquinas especiales. La Fig. 2 nosmuestra el complemento de actividades asociadas al diseo del sistema de control, y su relacincon las mostradas en la Fig.1

5. Resultados

Es indudable que un mtodo cuando se aplica y muestra ser efectivo para lo que fue creado estese fortalece y se mejora. En este sentido, la propuesta aqu presentada ha mostrado ser efectivaen proyectos de investigacin y desarrollo de mquinas, ya que ha logrado disminuirsignificativamente el tiempo estimado de diseo y desarrollo de sistemas electromcanicos,aunque su uso no se ha generalizado ni difundido de manera amplia [6].

6. Conclusiones

La claridad de conceptos y tareas relacionadas con la realizacin de una mquina bajo la filosofade la mecatrnica es un primer paso para lograr que en Mxico se conozca y valore su utilizacin,este conocimiento no slo se dirige hacia las personas que tienen que ver directamente con lasactividades de diseo o construccin, sino tambin con aquellas que dirigen o coordinan tareas enun proyecto de este tipo. En este sentido, este artculo muestra una metodologa que puede ayudara clarificar y ordenar algunos conceptos y actividades asociadas al desarrollo de una mquina. A

medida que se vaya adoptando esta disciplina como una forma de trabajo, los diseos y las tareasinvolucradas lograrn una mejor conjuncin de objetivos y esfuerzos, en comparacin con lostradicionales mtodos de diseo de la Ingeniera Mecnica. Es importante indicar, que el mtodode diseo mecnico ha mostrado ser muy efectivo para algunos tipos de mquinas, pero que noes la mejor solucin en muchos casos, sobre todo en aquellos en donde existen problemas deintegracin de componentes electrnicos y servosistemas.

7. Agradecimientos

Deseo dar las gracias a todos aquellos profesores e investigadores que han discutido y analizadoel mtodo propuesto en este trabajo, as como a mis alumnos de licenciatura y de postgrado quedespus de haber aplicado algunas de las ideas de la metodologa propuesta se han tomado el

tiempo para mostrarme sus sugerencias y algunos cambios que inicialmente no haba considerado.

8. Referencias

[1] Comerford R., Mecha...what?, IEEE Spectrum, Tutorial/Design, August 1994.[2] Memis A., Robert M. Parking, Engineering Education for Mechatronics, IEEE Transactions on

Industrial, Electronics, Vol.43, No.1, February 1996.[3] Stanford University, Proc. Workshop Mechatronics Education,Stanford University, USA, July

21, 1994.[4] Vargas E. Mecatrnica. Perspectivas de Aplicacin y Desarrollo en Mxico, Revista NTHE

Centro Bajo, No. 21 ao IV, Suplemento Especial, pp. 20, 1997.[5] Cohen L., Quality Function Deployment: How to Make QFD Work for You, Addison-Wesley

1995.[6] Developing a New Automatic Machine to Manipulate Sheet of Cardboard, W. Rodrguez, E.Vargas. Proceedings of the International Symposium on Robotics and Automation, ISRA 2004,ISBN 970-9702-00-9, 25-27 August, 2004. Quertaro City.

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