Mecatronica

• DISCIPLINAS QUE CONFORMAN LA MECATRONICA

DEFINICION:

Un consenso común es describir a la mecatrónica como una disciplina integradora de las áreas de mecánica, electrónica e informática cuyo objetivo es proporcionar mejores productos, procesos y sistemas. La mecatrónica no es, por tanto, una nueva rama de la ingeniería, sino un concepto recientemente desarrollado que enfatiza la necesidad de integración y de una interacción intensiva entre diferentes áreas de la ingeniería.

Con base en lo anterior, se puede hacer referencia a la definición propuesta por J. A. Rietdijk: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos", la cual busca crear maquinaria más compleja para facilitar las actividades del ser humano a través de procesos electrónicos en la industria mecánica principalmente. Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero ésta claramente enfatiza que la mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño.

Por otro lado, más allá de las cuestiones técnicas, la mecatrónica también se ha adoptado como una disciplina científica aplicada, en la cual se hace modelado, análisis, síntesis y control de sistemas de naturaleza multidominio y se ha tratado de homogeneizar la ciencia para este tipo de sistemas. Algunos ejemplos de aspectos teóricos cuyo objeto de estudio son los sistemas mecatrónicos desde un enfoque abstracto son el modelado por bond graph, los sistemas hamiltonianos con puertos, las técnicas de control basadas en la energía como lo es el moldeo de energía, el diseño óptimo de estructura y control, y más recientemente a un grado más de integración como lo son los sistemas híbridos.

-AREAS DE APLICACION

La mecatrónica nace para suplir tres necesidades latentes; la primera, encaminada a automatizar la maquinaría y lograr así procesos productivos ágiles y confiables; la segunda crear productos inteligentes, que respondan a las necesidades del mundo moderno; y la tercera, por cierto muy importante, armonizar entre los componentes mecánicos y electrónicos de las máquinas, ya que en muchas ocasiones, era casi imposible lograr que tanto mecánica como electrónica manejaran los mismos términos y procesos para hacer o reparar equipos.

Un ingeniero en mecatrónica es un profesional con amplio conocimiento teórico, práctico y multidisciplinario capaz de integrar y desarrollar sistemas automatizados y/o autónomos que involucren tecnologías de varios campos de la ingeniería. Este especialista entiende sobre el funcionamiento de los componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y computacionales de los procesos industriales, y tiene como referencia el desarrollo sostenible.

Tiene la capacidad de seleccionar los mejores métodos y tecnologías para diseñar y desarrollar de forma integral un producto o proceso, haciéndolo más compacto, de menor costo, con valor agregado en su funcionalidad, calidad y desempeño. Su enfoque principal es la automatización industrial, la innovación en el diseño y la construcción de dispositivos y máquinas inteligentes.

• REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA MECATRONICO

-SISTEMAS

A los sistemas mecatronicos en ocasiones se les conoce como dispositivos inteligentes. Mientras que el termino inteligente es difícil entender en su definición precisa, en la ingeniería significa la inclusión de elementos tales como la lógica, la retroalimentación y la computación que en un diseño complejo pueden simular el proceso del pensamiento humano.

En la actualidad, prácticamente todos los dispositivos mecánicos incluyen componentes electrónicos y algún tipo de monitoreo o control computacional. Por tanto, el termino sistema mecatronico abarca una miríada de dispositivos y sistemas. Los microcontroladores se incrustan cada vez mas en los dispositivos electromecánicos, lo que crea muchas mas posibilidades de flexibilidad y control en el diseño de sistemas.

En un sistema mecatronico típico se encuentran componentes como: los actuadotes que producen movimiento o provocan alguna acción; los sensores detectan el estado de los parámetros del sistema, entrada y salida (in/out); y las pantallas graficas proporcionan retroalimentación visual a los usuarios.

-SISTEMAS DE MEDICION

En general puede decirse que los sistemas de medición están formados por tres elementos:

1.- Un sensor, el cual responde a la cantidad que se mide, dando como salida una señal relacionada con dicha cantidad. Un termopar es un ejemplo de sensor de temperatura. Su entrada es una temperatura y su salida es una F.E.M. (fuerza electromotriz), la cual se relaciona con el valor de la temperatura respectiva.

2.- Un acondicionador de señal, el cual toma la señal del sensor y la manipula para convertirla a una forma adecuada para su presentación visual o, como en el caso de un sistema de control, para que ejerza una acción de control. Por ejemplo, la salida que produce un termopar es una f.e.m. tan pequeña, que debe alimentarse a través de un amplificador para obtener una señal mayor. El amplificador es el acondicionador de la señal.

3.- Un sistema de presentación visual (pantalla o display), es donde se despliega la salida producida por el acondicionador de señal. Por ejemplo, una aguja que se mueve a través de una escala, o bien una lectura digital.

Transductor o sensor

Pantalla o display

Acondicionador de señal

-SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control se clasifican básicamente en sistemas de lazo abierto y sistemas de lazo cerrado.

En los sistemas de lazo abierto la señal de salida no tiene influencia sobre la entrada. El proceso se ejecuta estableciendo las condiciones iniciales necesarias para obtener un resultado determinado. Si por acción de la variación de las condiciones externas al sistema no se logra el resultado deseado, no hay posibilidad de poderlos cambiar durante el proceso.

En cambio los sistemas de lazo cerrado la señal de salida tiene influencia sobre la entrada, es decir, que si existe una desviación entre la salida real y la deseada, el autómata realiza los ajustes necesarios para aproximarlas lo mas posible, ya que aquí si existe realimentación de información.

Los sistemas modernos de control se basan en el concepto de lazo o bucle cerrado. En el mismo, cíclicamente se realizan las siguientes tareas durante el proceso:

1.- Captación del valor de las señales de entrada a través de los sensores y los dispositivos de entrada respectivos.

2.- Evaluación o procesamiento de los valores recibidos en comparación con los valores deseados.

3.- Si es necesario, generación de una respuesta correctiva por parte del actuador final.

-SENSORES

Un sensor es un elemento en un sistema mecatronico o de medicion que detecta la magnitud de un parámetro fisico y lo cambia por una señal que puede procesar el sistema. Al elemento activo de un sensor se le conoce comúnmente como transductor. Los sistemas de monitorización y control requieren sensores para medir cantidades físicas tales como posición, distancia, fuerza, deformación, temperatura, vibración y aceleración.

El diseño de sensores y transductores siempre involucra la aplicación de alguna ley o principio físico o químico que relaciona la cantidad de interés con algún evento medidle.

• SENSORES Y TRANSDUCTORES

Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo la temperatura en otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. En este párrafo nos referiremos principalmente a los sensores eléctricos, es decir aquellos cuya salida es una señal eléctrica de corriente o voltaje, codificada en forma análoga o digital. Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundi físico y los sistemas de medición y/o de control, tanto eléctricos como electrónicos. Utilizándose extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, en medición, control y procesamiento.

En un sentido mas amplio, el uso de los sensores no se limita solamente a la medición o la detección de cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas. Asimismo, la salida no siempre tiene que ser una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lamina bimetalica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica).

-TRANSDUCTORES DE FUERZA

Entre los elementos eléctricos más populares usados en mediciones de fuerza se tienen las galgas extensiométricos (strain gage) las galgas semiconductoras, y los Transductores piezoeléctricos. En general,

Las galgas extensiométricos miden indirectamente la fuerza, midiendo la deflexión que esta produce en un portador calibrado, el Transductor piezoeléctrico responde directamente a la fuerza aplicada. La galga

Extensiométrico resistiva es un elemento

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