Diseño y construcción de prototipos didácticos para la carrera de ingeniería Mecatrónica

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN

(CI-02/2013)

Institución

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

1.1        Resumen

Dentro de la nueva línea de investigación de la academia de  Ingeniería mecatrónica que tiene por nombre “Análisis, Diseño e Integración de Sistemas Automáticos y de Control”, el cual tiene como objetivo “Diseñar, analizar e implementar sistemas de control basado en adquisición de datos, PLC, PAC, Redes industriales, software y manufactura avanzada para la creación de material didáctico, de difusión y de servicio al sector productivo con base en las normas y estándares nacionales e internacionales”.

Tomando en cuenta el criterio antes mencionado, el presente trabajo de investigación busca desarrollar y aplicar prototipos didácticos adecuados para la enseñanza de los conceptos físicos de las materias de métodos numéricos, ecuaciones diferenciales, dinámica de sistemas, análisis de vibraciones, control y control digital, de manera que se facilite el aprendizaje significativo de conceptos científicos y su apropiación por parte de los estudiantes. De esta manera se busca formar usuarios cultos de la tecnología, es decir, personas con criterio que puedan tomar decisiones acertadas con relación a la tecnología que requiere nuestro alumnado; así como formar a los futuros ingenieros con capacidad de innovar la tecnología y con la capacidad de adopción, adaptación y desarrollo de nuevas tecnologías que permitan la solución de los problemas existentes en nuestros laboratorios de nuestra carrera de Ingeniería Mecatrónica.

Para conseguir este objetivo se plantea el diseño, construcción y puesta en marcha los prototipos más adecuados que permitan ilustrar los conceptos bajo estudio. Una vez construidos, los prototipos serán aplicados con el fin de establecer su impacto en los diferentes niveles de nuestra carrera (profesores y estudiantes); de esta manera será posible explorar diversas estrategias pedagógicas que motiven a los estudiantes a trabajar con temáticas de índole científica, tecnológica e innovación. Estos prototipos  permitirán al estudiante reflexionar sobre los principios básicos y los modelos matemáticos que intervienen en la descripción de los fenómenos físicos y además le permite poner en práctica sus conocimientos disciplinares en la solución del problema que surge al caracterizarlos para su estudio desde un enfoque experimental cuantitativo.

1. Introducción

La importancia de usar referentes cotidianos en la didáctica de la Ingeniería Mecatrónica, en particular en la Enseñanza de las materias antes mencionadas, ha sido una preocupación constante uno como profesor que imparte estas asignaturas y se han propuesto metodologías y estrategias para incrementar el logro y la motivación de los estudiantes, destacando siempre el uso de los recursos experimentales. Por otra parte, en lo que se refiere a las formas de experimentación, se debe tener presente que no existe una separación entre la teoría y las actividades de laboratorio, sino que hay una estrecha relación entre ambas.

Desde este punto de vista, las actividades de laboratorio pueden sustituirse en algunas ocasiones por las demostraciones de cátedra para que buena parte de las de ellas se desarrollen en el aula de clase. Dicha estrategia, se utiliza para complementar las actividades de laboratorio, sin pretender ser un sustituto, o bien para ayudar en el planteamiento de un problema y así establecer la relación que existe entre las magnitudes involucradas en el fenómeno a estudiar, es decir, si se trata de un contenido que no ha sido abordado en clase, mediante la ilustración con un prototipo  experimental, le permite al estudiante el manejo de datos y su interpretación de cómo opera determinado principio físico para explicar el fenómeno observado. Hay que considerar que la escasez de materiales didácticos para desarrollar el trabajo en el laboratorio o en el espacio destinado para el mismo, ha orillado que la mayoría de las prácticas se lleven a cabo solo desarrollar la parte teórica sustituyendo la experimentación por sesiones basadas en la resolución de ejercicios.

Para subsanar esta problemática existe la posibilidad de que el docente, con la colaboración de los alumnos y otros profesores, construyan algunos prototipos que le permitan al estudiante utilizar las habilidades disciplinares que ha adquirido durante su formación profesional y que además pueda realizar algunos experimentos, ilustraciones didácticas o demostraciones, aun cuando la institución no cuente con un laboratorio equipado con instrumentos sofisticados. Sin embargo, la implementación de estos prototipos experimentales, orientados para el aprendizaje como recurso didáctico no termina en el diseño y construcción de uno solo, es necesario pasar a etapas posteriores de validación experimental, elaboración de un manual y de una validación didáctica.

Esta preocupación por acercar la experimentación mediante el diseño de prototipos para la enseñanza de las Ciencias de la Ingeniería es la principal motivación del presente trabajo, se plantea una didáctica constructivista del aprendizaje.

En el presente trabajo de investigación se describen el desarrollo de dos prototipos didácticos como herramienta pedagógica para la enseñanza de la Ingeniería en especial las materias arriba mencionadas.

1. Antecedentes

El término Mecatrónica fue introducido en 1969 por la compañía Japonesa Yasakawa Electric y fue creado para nombrar aquellos sistemas que contenían elementos mecánicos y eléctricos en su funcionalidad [1]. Al principio la parte de computación no estaba integrada. A finales de los años setenta, la Japan Society for the Promotion of Machine Industry (JSPMI) clasificó los productos mecatrónicos en las siguientes cuatro categorías:

• Clase I: Productos principalmente mecánicos con electrónica incorporada para su funcionamiento.
• Clase II: Sistemas mecánicos tradicionales con significativas actualizaciones de dispositivos internos incorporando electrónica.
• Clase III: Sistemas que mantienen su funcionalidad de los sistemas mecánicos tradicionales pero con mecanismos remplazados con Sistemas electrónicos.
• Clase IV: Productos diseñados con tecnología mecánica y eléctrica con Integración de forma sinérgica.

Con base en lo anterior, se puede hacer referencia a la definición de Mecatrónica propuesta por J.A. Rietdijk: [2] "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica deprecisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos". Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero está claramente enfatizado que la Mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño. Sin embargo, cada país ha adoptado el término Mecatrónica de acuerdo con su nivel de desarrollo tecnológico. En nuestro país y en particular en las Universidades Tecnológicas, Politécnicas e Institutos Tecnológicos es importante trabajar la Mecatrónica integrando los sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos y de información con las máquinas y procesos industriales.

Para esto se requiere de equipos de laboratorio con procesos industriales que integren estos sistemas con este propósito.

1. Marco teórico

El proceso de enseñanza-aprendizaje de la Ingeniería Mecatrónica requiere de laboratorios equipados con entrenadores que integren los sistemas de control eléctricos, electrónicos, mecánicos y de software. Sin embargo, este tipo de laboratorios son extremadamente caros y es difícil que las instituciones de educación superior que inician una nueva especialidad puedan adquirir laboratorios completos de este tipo.

Los prototipos industriales son muy elevados en cuanto a su costo, es precisamente esta característica lo que los hace triplicar los costos de adquisición, con respecto a equipos y materiales no integradores. Esto se debe a que las compañías que ofertan equipos didácticos tienen que integrar a sus gastos, además del equipo, el diseño y construcción del proceso, la integración y comunicación de los diferentes componentes, la programación y diseño de prácticas.

Una solución viable a este problema es adquirir de forma individual estos sistemas y realizar proyectos de integración gradual a través de los cuerpos académicos-alumnos que diseñen y construyan prototipos de procesos didácticos.

1.5 Objetivos  

Diseñar y construir  prototipos con un proceso didáctico que permitan la integración gradual de los diferentes sistemas Mecatrónicos para la realización de prácticas en laboratorio. Con estos prototipos los estudiantes de la carrera de Mecatrónica podrán realizar prácticas para la automatización y algoritmos de control.

1.6 Metas  

La necesidad de equipamiento de los laboratorios y talleres de la carrera de Ingeniería Mecatrónica que vengan a dar apoyo a las diversas prácticas de automatización y control se proponen para su diseño y construcción  dos prototipos didácticos:

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