desarrollo mecatrónico de nuevos productos orientado a la

Recibido: 28 de mayo de 2011 Aprobado: 23 de junio de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 59-70, 2011

Desarrollo mecatrónico de nuevosproductos orientado a la capacidadtecnológica disponible

PROBLEMAS SOCIALES DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA

ResumenEste trabajo propone una metodología de innovación tecnológica denominada "Desarrollo mecatrónicode nuevos productos orientado a la capacidad tecnológica disponible". Se muestra como caso deestudio el desarrollo de un hidromotor de pistones radiales.

Palabras clave: desarrollo de nuevos productos, capacidad tecnológica, mecatrónica, ingeniería inver-sa, innovación tecnológica, métodos de investigación

Genovevo Morejón Vizcaíno Artículo de ReflexiónCorreo electrónico:[email protected]

José Ricardo Díaz CaballeroCorreo electrónico:[email protected]

José Arzola RuizCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNEl término mecatrónica fue acuñado en Japón a principios

de los años 70 del siglo pasado y comenzó a ser usado enEuropa y EE. UU. un poco después; inicialmente se definiócomo la integración de la mecánica y la electrónica en unamáquina o producto, pero luego se consolidó en unaespecialidad de la ingeniería que incorporó otros elementoscomo los sistemas de computación, los desarrollos de lamicroelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de controly otros campos relacionados con la informática, teniendopor objetivo el mejoramiento de los elementos industriales através de la optimización de cada uno de sus subprocesoscon nuevas herramientas sinérgicas.

La mecatrónica apunta a la unidad en la diferencia de lasingenierías; en contraposición a la comprensión de laingeniería como un ámbito de disciplinas separadas, propugnaun enfoque transdisciplinario, complejo, dialéctico y holísticodel quehacer ingenieril, basado en sistemas de comunicaciónabiertos y prácticas concurrentes, para el diseño y lafabricación de mejores productos y procesos de ingeniería.

Claros ejemplos de desarrollos mecatrónicos son la cámarafotográfica digital, que cumple una amplia configuración deparámetros automáticamente, como el ajuste de laexposición, foco, zoom, y otros, así como los robotsdiseñados para realizar tareas específicas de formaautónoma.

El sistema mecatrónico se basa en un microprocesador(computadoras personales PC; controladores lógicosprogramables, PLC y circuitos integrales programables, PIC)para recibir y procesar a través de un programa informáticolas señales que envía un sistema integrado de sensores; elresultado de este procesamiento es una orden para losactuadores que mueven los diferentes órganos de la máquinagarantizando así la puesta en práctica de un servicio demanera automatizada. En otras palabras, los sistemasmecatrónicos están integrados por sensores,microprocesadores, controladores y actuadores. Tal es elcaso de los robots, las máquinas controladas digitalmente,los vehículos guiados automáticamente y otros.

mailto:electr�nico:[email protected]



Desarrollo mecatrónico de nuevos productos orientado a la capacidad tecnológica disponible

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a60

El objetivo del presente artículo es exponer los aspectosesenciales de una metodología para la innovación deproductos, que involucra el método de la ingeniería inversa yaprovecha las ventajas de la mecatrónica con el empleo dePC como herramientas y la capacidad tecnológicaincorporada en los elementos normalizados, denominadosaquí "Desarrollo mecatrónico de nuevos productos orientadoa la capacidad tecnológica disponible".

DESARROLLO MECATRÓNICO DE NUEVOSPRODUCTOS ORIENTADO A LA CAPACIDADTECNOLÓGICA DISPONIBLE COMOPROCESO DE INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

La innovación tecnológica se piensa como la primerautilización y comercialización de nuevos y mejoradosproductos, procesos, sistemas o servicios; un proceso queconsiste en conjugar oportunidades técnicas, comonecesidades, integrando un paquete tecnológico que tienepor objetivo introducir o modificar productos o procesos enel sector productivo y de servicio con su consecuentecomercialización o también un proceso unitario que abarcadesde la generación de una idea hasta su introducción en elmercado en forma de nuevo producto o proceso".

En la práctica, estas tres definiciones se deben más a laintención de destacar uno u otro aspecto del contenido de lainnovación tecnológica que a diferencias sustanciales deprincipio en la comprensión de ese contenido y puedenconsiderarse válidas como reflejo conceptual del fenómenoinnovador. Por su esencia, la actividad del ingeniero, encualquiera de las formas o modalidades de su trabajoprofesional, es innovadora. Ello se puede constatar cuandose examina el ciclo general del proceso de innovacióntecnológica. [1]

Según los enfoques más actuales sobre la innovación, estase considera un proceso interactivo de acumulación deconocimientos, provenientes de la investigación y desarrollo(I + D), clientes, suministradores, inversiones, financiación,producción, prueba, alianzas, competidores, patentes,literatura, que viabilizan la creación de capacidadestecnológicas en la organización.

El desarrollo mecatrónico de nuevos productos comoproceso de investigación tecnológica innovativa que es, estáconformado por fases que guardan una estrecha relaciónentre sí, lo que no significa entender dicho proceso comolineal, pues la interconexión de fases y las etapas que lascomponen depende de las características de cada innovacióntecnológica (figura 1).

Cada fase esta compuesta por todo un conjunto de etapaso subprocesos estrechamente concatenados.

Primera faseLa primera fase comienza con la detección de la situación

problemática innovativa y concluye con la etapa decontrastación del nuevo conocimiento obtenido (figura 2).

Fig. 1. Modelo general del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos como proceso de innovación tecnológica.

Fig. 2. Primera fase del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos.

Etapa de detección de la situación problemáticainnovativa

La innovación tecnológica es, en resumidas cuentas, unproceso de investigación que comienza con la detección deuna situación problemática y culmina con la modificaciónsocialmente útil de dicha situación en la práctica. Unanecesidad de la práctica tecnológica o un requerimiento parael desarrollo industrial económicamente sostenible endeterminado contexto local, nacional o regional, undescubrimiento científico, una invención técnica, una lecturaespeculativa novedosa de algún elemento presente desde

Genovevo Morejón Vizcaíno - José Ricardo Díaz Caballero - José Arzola Ruíz

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hace tiempo en el fondo de conocimientos tradicionales, unsuceso o experiencia de la vida cotidiana, etc., puede generaren el hombre la necesidad de introducir un cambio, unamodificación en el estado del arte tecnológico existente conel propósito de mejorar o crear un nuevo producto, proceso oservicio, en otras palabras, puede generar la percepción deuna situación problemática innovativa (figura 3). [1]

En el plano metodológico esta es una etapa de incitacióna la realización de procesos de innovación que requiere delingeniero la capacidad de realizar lecturas especulativasheurísticas y asociaciones inusuales de ideas e imágenes,una habilidad de "vista" y "olfato" para innovar.

Con frecuencia la situación problemática innovativa surgede la decisión de construir endógenamente el productonecesario para satisfacer una necesidad social con el objetivode sustituir importaciones o aprovechar el conocimientoexistente para generar nuevos empleos.

Al conjunto de productos presentados en el mercado quesatisfacen una necesidad social, se le denomina Conjuntode Productos Necesarios (CPN). Se pretende que lasprestaciones de los productos a innovar sean comparableso superiores a la media del CPN que se encuentra en elmercado en el momento de realizar el desarrollo. Como reglabastante general estos son productos importados utilizadosen sectores estratégicos priorizados como el alimentario, laindustria, la defensa y los servicios.

En la práctica, el desarrollo de nuevos productos siempreestá asociado a la innovación tecnológica como proceso decrear y lanzar al mercado productos originales, mejorados,modificados y marcas nuevas por medio de actividades deinvestigación y desarrollo (I+D). El proceso de desarrollo denuevos productos lleva implícito acciones de distintas áreasfuncionales, investigación y desarrollo, marketing,producción, finanzas, etcétera.

Etapa de conceptualizaciónDetectar una situación problemática innovativa no es aún

reconocer la oportunidad innovadora. Para ello es

imprescindible que la situación problemática sea traducidade forma clara y precisa en una formulación capaz de captaren una unidad indisoluble el elemento técnico, lasposibilidades económico-financieras del país y la demandadel mercado, lo cual requiere ante todo examinar las nocionesesenciales explícitas e implícitas en la formulaciónproblemática, para después estar en condiciones de evaluarlas diversas alternativas de innovación a seguir. Dichasalternativas no solo deben cumplir el requisito de modificarde manera socialmente útil la situación problemáticaplanteada sino también congeniar de forma armónica elelemento técnico y las necesidades del mercado. [2]

Si en la etapa 1 se detectan el elemento técnico y lademanda potencial o real, a nivel de la etapa 2 se produceya el reconocimiento de dichos factores. Ello presupone,para el elemento técnico, realizar un minucioso estudio dela novedad tecnológica que dicho elemento porta comoposible objeto potencial de innovación y, para la demandanacional o regional, establecer las probables lagunas a llenaro nichos del mercado. En otras palabras, es necesarioestablecer el acento de la novedad tecnológica y del mercadoen los marcos de la capacidad tecnológica disponible.

Piénsese en el desarrollo mecatrónico de un motor. Lacapacidad tecnológica disponible es el sistema deconocimientos, habilidades y experiencia existente en losobreros, técnicos, ingenieros y el personal de dirección, asícomo los tipos y grado de presión de las máquinasherramientas y dispositivos de maquinados; incluye tambiénlas posibilidades de obtención de semiproductos porprocesos de soldadura, fundición y conformaciónconjuntamente con la calidad de las instalaciones y lahabilidad organizacional existente para darle respuesta a lasexigencias impuestas a los elementos a construir por laenvergadura del problema de innovación tecnológica aresolver.

La etapa de conceptualización tiene implícita las subetapasde producción y selección de ideas las cuales se generan a

Fig. 3. Fuentes de proceso innovador. Lo interno y externo se determina respecto al dominio científico-técnico.



partir de la situación problemática innovativa. Las ideas seforjan y eligen a partir de la necesidad social y la capacidadtecnológica disponible, a través del producto comercialapropiado (PCA). Por lo tanto, son inherentes a esta segundaetapa la observación tecnológica, los procesos inductivos yla formulación de hipótesis de trabajo. La observación enesta etapa se realiza sustentada en el método de la ingenieríainversa que se práctica sobre el PCA, que puede ser untractor, un motor de combustión interna, un equipo deresonancia magnética, un equipo de laboratorio oelectrodoméstico, un laminador, un avión, etcétera.

El PCA es un elemento del CPN que permite ser fabricadocon la menor cantidad de modificaciones al emplear lacapacidad tecnológica disponible y sus prestaciones resultancomparables o superiores a las de los productos homólogosque se encuentran en el mercado. Esta selección se realizamediante un proceso de inducción. Aquellos elementos demáquinas que por sus exigencias constructivas no permitanser manufacturados con la capacidad tecnológica disponiblese denominarán elementos marcados.

La conceptualización o presentación del concepto tienecomo objetivo esencial realizar esquemas o bocetos quepermitan formarse una idea sobre el nuevo producto ydef ini r su modelo matemát ico. Se muestran lassoluciones básicas constructivas y permite explicar elprincipio de funcionamiento, así como encontrar susfortalezas y debilidades. Al conceptualizar se sustituyenlas funciones de los elementos marcados con elementosnormalizados aprovechando así la capacidad tecnológicacontenida en el los y se introducen solucionesmecatrónicas para incrementar las prestaciones delproducto y simplificar las soluciones constructivas.

El conjunto de todas estas acciones es lo que se pretendecaracterizar con el término nuevos productos mecatrónicos.Dicho de otra manera conceptuar el nuevo producto esplantearse una hipótesis que debe ser verificada.

Etapa de modelación matemáticaAl precisar el acento de la novedad tecnológica y del

mercado, y seleccionar la alternativa de innovación adesarrollar, se determina el objeto específico de la innovacióny el carácter radical o incremental de la misma, con lo cualse identifica y define el problema esencial a resolver con elproceso innovador y la hipótesis a verificar capaz de modificarla situación problemática detectada. La expresióntecnológico apropiado significa aquí que el objeto de lainnovación debe ser factible tanto en el plano técnico comoen los planos económico, del mercado, socioambiental ydel entorno cultural.

La factibilidad del objeto técnico de innovación es lahipótesis que hay que demostrar en el proceso innovador ysus variables, a def inir tanto conceptual comooperacionalmente, son las factibilidades técnica, económica,de mercado, socioambiental y cultural.

Del estudio de factibilidad técnica o diseño del prototipoanalítico se infiere si existen las condiciones de mercado,como momento también importante donde se analizan losindicadores de costo, financiación, riesgo y otros que serelacionan directamente con las estrategias genéricas de laorganización.

Los estudios de factibilidad socioambienal y cultural, confrecuencia ignorados por las organizaciones en su actividadinnovativa, tienen que ver con los posibles impactos delproceso de innovación sobre el entorno social, medio-ambiental y cultural de la región donde se introducirán ygeneralizarán sus resultados.

En la actualidad, el uso de los modelos matemáticos parael desarrollo de nuevos productos está muy extendido yaque permite formalizar cualquier ente para su posterioranálisis y síntesis empleando las técnicas informáticas. Paradeducir el modelo matemático se emplean los esquemasobtenidos en la etapa de conceptualización, además, de lospostulados y leyes definidas por diversas ciencias aplicadascomo la Mecánica Teórica, la Teoría de las Máquinas yMecanismos, la Hidráulica, las Máquinas Volumétricas, laTermodinámica y otras.

La modelación matemática además de profundosconocimientos matemáticos y el estudio pormenorizado delárea de la ciencia donde se esté trabajando, requiere tambiénde una dosis de estética. Los modelos matemáticos delnuevo producto (M) están formados por un conjunto derelaciones (R) y otro de variables (V), lo cual posibilita surepresentación por medio de grafos dicromáticos donde losnodos de un color expresan las relaciones y los del otro lasvariables en M (R, V).

Etapa de conformación del prototipo analíticoI. March Chada y M. Lloria Aramburu plantean que "… un

prototipo es un ente tangible o no, que reproduce los atributosdel producto ya sea de forma total o parcial". [3] Enconsonancia con esta definición, los programas decomputación desarrollados a partir de los modelosmatemáticos son prototipos analíticos, ya que con ellos sedeterminan los valores de los atributos de los productos adesarrollar, según sea el alcance del modelo matemático,como: su geometría, fuerzas, esfuerzos, las pérdidas depotencia, eficiencia, temperatura, presión, etcétera. El pasointermedio entre el modelo matemático y el software es elalgoritmo. La definición más sencilla de algoritmo esestablecer una secuencia de cálculo adecuada.

El doctor José Martínez Escanaverino [4] propone yfundamenta un método para desarrollar los algoritmos a partirde los modelos matemáticos empleando grafos dicromáticosdonde se brinda la siguiente metodología (figura 4):

- Trazar el grafo dicromático del modelo matemático.- Plantear un problema sobre el modelo matemático, esto

es, definir los subconjuntos de variables de salida y entradacon el objetivo de calcular el valor de las primeras en funciónde las segundas.



- Determinar el grafo llamado resolvente del problemaeliminando las variables de entrada y las aristas asociadasy direccionar las aristas desde los nodos que representanlas relaciones, a las variables que serán calculas por cadauna de estas. Acto seguido se direccionan las aristas desdelos nodos que representan a las variables hacia todas lasrelaciones aledañas.

- El resolvente muestra de modo gráfico un algoritmo quese representa en diagramas de bloques o en diagramas N-Spara ser programados con algún lenguaje de programacióny obtener el software.

software (prototipo analítico), se conocen los valores de lasvariables de salida, con lo que se logra anticipar regularidadespotenciales reales del comportamiento del prototipo.

Las respuesta de las corridas se emplean para validar lahipótesis, ya que permiten conocer los límites del productoconceptualizado y también verificar sí las solucionespropuestas son viables. Además, facilitan la toma dedecisiones durante el desarrollo del proyecto. De ser refutadala hipótesis hay que reformularla, lo cual no es más quemodificar la concepción del nuevo producto con el propósitode que satisfaga las expectativas para el nuevo productodesde el punto de vista de sus prestaciones y la factibilidadeconómica (figura 4).

Etapa de protección del nuevo conocimientoSi la hipótesis no es refutada entonces se comienza a

preparar la documentación establecida para proteger lapaternidad de la invención del nuevo producto en la Oficinade la Propiedad Industrial.Segunda fase

La segunda fase tiene el objetivo de generar el prototipovirtual. Las dimensiones del nuevo producto se establecen apartir de un proceso de preparación y toma de decisiones(optimización).

Fig. 4. Metodología para la obtención del nuevo conocimiento.

Etapa de los experimentos computacionalesLos experimentos en el laboratorio requieren de

instalaciones y dispositivos de medición muy costososademás de un prototipo físico que se construye según lasvariables de entrada. Cada vez que en el experimento senecesíta cambiar esas variables de entrada contenidas enel prototipo, hay que construir un prototipo nuevo lo cualincrementa los gastos para encontrar el nuevo conocimiento.Los experimentos computacionales convierten a lascomputadoras en herramienta para acercarse al nuevoconocimiento, además, reducen los gastos en tiempo y dineropara generar el nuevo prototipo, ya que con solo cambiar elvalor de las variables de entrada VE (figura 4) al correr el

Esta segunda fase está compuesta por las etapasexplicadas a continuación.

Etapa de preparación y toma de decisionesLos modelos matemáticos de los productos poseen un

conjunto de variables y de ellas, al establecer el problema,se elige el subconjunto de variables de entrada. El valor decada una de estas variables se encuentra en un rango biendefinido, ya sea por normas internacionales, la experienciade los fabricantes o por el nuevo conocimiento adquirido.

En función del valor que se le asigne a cada una de lasvariables se obtendrá un producto con dimensiones opropiedades diferentes. Sin embargo, no todo cambio en las

Fig. 5. Segunda fase del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos.



variables de entrada genera los mejores valores de lasvariables de salida, lo cual plantea la necesidad de definir unalgoritmo de optimización adecuado para elegir el mejorproducto en función del sistema de preferencia impuesto.Ello se logra mediante la determinación de la función objeto.Solo un subconjunto reducido de variables de entrada brindaráel mejor comportamiento o conjunto de soluciones eficientes.Dentro de este conjunto de soluciones eficiente, elinvestigador y/o decidor elije uno que se constituirá en elnuevo producto.

Etapa de la modelación geométrica (prototipo virtual)En esta etapa, con el algoritmo de preparación y toma de

decisiones, se conforma una interface o una macro que bienpudiera ser en Visual Basic for Aplication (VBA) para unprograma de modelación geométrica como Inventor, quepermite realizar varias pruebas al modelo. Se genera así elmodelo geométrico de los elementos de máquina y elensamble, mostrándose en la pantalla de la computadora.El modelo en cuestión se puede animar para comprobar queno existe interferencia entre los elementos móviles y probarasí que la hipótesis de trabajo planteada es válida al menosa nivel virtual.Tercera fase

Si existen condiciones de factibilidad se pasa a la tercerafase del prototipo físico y su introducción y generalizaciónen la práctica social productiva. Esta fase está conformadapor cuatro etapas.

Etapa de desarrollo del prototipo físicoEl éxito en la segunda fase del prototipo virtual conduce a

la realización de pruebas a pequeña y mediana escalas paraconfrontar la hipótesis del proceso de innovación tecnológicacon la práctica y ajustar o reconsiderar el diseño del productoy el plan de mercadotecnia, así como recibir una informaciónpreliminar de sus impactos. Entre otras se realizan:

• Pruebas físicas de funcionabilidad técnica del prototipo.• Pruebas de prototipo con clientes.• Pruebas del proceso de producción.• Evaluaciones preliminares de impacto.Etapa de realización de la innovaciónEsta es la etapa de fuego del proceso de innovación e

incluye:• La producción total a gran escala.• El lanzamiento al mercado.• La evaluación en condiciones reales de la hipótesis del

proceso innovador.Etapa de reconocimiento social de la innovaciónEn esta tapa se realizan evaluaciones generales

satisfactorias por parte de la organización mediante análisisperiódicos. La organización recibe asimismo muestrasdirectas o indirectas del reconocimiento por la competenciaa través de propuestas de colaboración, compra de patentes,abandono del mercado, reconversión hacia otros productos,procesos o servicios y otras muy variadas formas que

expresan el control del mercado por la organización comoconsecuencia de un exitoso proceso de innovación. Lapreferencia de los usuarios es otra evidencia delreconocimiento exógeno.

Etapa de generalizaciónLas circunstancias antes descritas propician la difusión y

generalización del nuevo estado alcanzado en el artetecnológico.

El desarrollo mecatrónico de nuevos productos aquíesbozado como modelo de innovación, difiere en algunosaspectos de otros modelos de innovación tecnológica. Enprimer lugar, porque caracteriza la innovación tecnológicacomo un complejo proceso de investigación transdisciplinariaque comienza con la detección de una situación problemáticainnovativa y culmina con la modificación socialmente útil y/ocomercialmente ventajosa de dicha situación en la prácticamediante el desarrollo mecatrónico de un nuevo objeto técnicode innovación. En segundo lugar, porque la innovación sepiensa en el espíritu de una tecnología apropiada lo cualsupone no solo la realización de estudios de factibilidadtécnica, económica y de mercado, sino también de factibilidadsocioambiental y de entorno cultural.

La innovación tecnológica es efectiva y apropiada cuandose obtiene una solución técnica y económicamente factibleque se aplica y difunde con éxito. Por supuesto, su éxitodependerá de la adaptación y adecuación a las necesidadesconcretas de la sociedad y las regularidades del entornonatural. Cuando el resultado del proceso de innovación yano cumpla con los requisitos antes expuestos se procederáa su retiro del mercado y sustitución por un nuevo productou objeto técnico.

Desarrollo de nuevos productos mecatrónicos(Nuprome)

La metodología para el desarrollo mecatrónico de nuevosproductos es recomendable sí:

1. Se toma la decisión de construir endógenamente unproducto apropiado para satisfacer una necesidad social conel objetivo de sustituir importaciones o aprovechar elconocimiento existente para generar nuevos empleos.

2. Se quiere sustituir un producto no apropiado en elmercado por un similar endógeno pertinente o remplazar unproducto que ya fue retirado por ser una tecnología obsoletay la capacidad tecnológica disponible no satisface lasexigencias mecánicas de todos los elementos de máquinasa fabricar.

El desarrollo de nuevos productos es el proceso de creary lanzar al mercado productos originales, mejorados,modificados y marcas nuevas por medio de actividades deinvestigación y desarrollo (I+D). Con la aplicación de lametodología propuesta se introducen en el mercado soloproductos modificados que podrían constituir nuevas marcas.El proceso de desarrollo de nuevos productos lleva implícitoacciones de distintas áreas funcionales, investigación ydesarrollo, marketing, producción, finanzas, etcétera.



Aplicación de la metodología de desarrollomecatrónico de nuevos productos

A continuación se muestra un estudio de caso vinculadoal desarrollo mecatrónico de un hidromotor de pistonesradiales. Se omite la modelación matemática, porque no esesencial para entender la referida metodología.

Etapa de la situación problemática innovativaSe planteaba ante el grupo de profesionales la necesidad

de un hidromotor de pistones radiales apropiado a lascondiciones financieras del país.

Etapa de conceptualizaciónEl conjunto de productos necesarios (CPN) estaba

constituido por los motores de pistones radiales de las firmasPleiger, Staffa, Sauer, Kayaba, Calzoni y Sai. Después derealizar un análisis de las posibilidades y características delos diversos hidromotores ofertados en el mercado, sedetermina que el hidromotor Staffa es el producto comercialapropiado (PCA) porque permite ser fabricado con la menorcantidad de modificaciones al emplear la capacidadtecnológica disponible. Los elementos marcados semuestran en la figura 6.

Los elementos marcados son:- La carcasa, que no se puede fundir con las tuberías de

alimentación incorporada, lo que no permite obtener el nivelde acabado que se exige para las paredes de los cilindros yminimizar las fugas entre cilindro y pistón.

- El distribuidor, por cuanto la tecnología de fundicióndisponible impide obtener los conductos internos con losacabados superficiales necesarios.

En esta etapa se aplicó el método de la ingeniería inversaal hidromotor Staffa (PCA). Al conceptualizar se sustituyeronlas funciones de los elementos marcados con elementosnormalizados y se introdujeron soluciones mecatrónicas paraincrementar las prestaciones del producto y simplificar lassoluciones constructivas.

Entre los elementos marcados, la carcasa fuetransformada de tal manera que sus ci lindros sesust i tuyeron por tubos lapeados (elementosnormalizados) y las tuberías de alimentación por tubosde acero y accesorios colocados ex ternamente(elementos normalizados). Por su parte, el distribuidor,que sincroniza los cilindros en fase de trabajo con la líneade presión y los de desalojo con el tanque, fue sustituidopor válvulas distribuidoras (elementos normalizados) V1y V2 (figura 7). El componente mecatrónico de estedesarrollo se materializó en los sensores de final decarrera y el PLC, que incrementaron las prestaciones,debido a que las válvulas distribuidoras normalizadas sonmás estancas que el dist ribuidor y las pérdidasvolumétricas son menores.

El sentido de giro del hidromotor se puede variar a travésde una orden dada al PLC a través del pupitre de mandoy este energizará o no al solenoide "b" de la válvula "V3".

Etapas de modelación matemática y de conformacióndel prototipo analítico

Se dedujo el modelo matemático con 50 relaciones y másde 100 variables. [6] A este modelo se le plantearon variosproblemas, obteniéndose diversos algoritmos, que fueronprogramados lográndose los siguientes prototipos analíticos:

- Simulación del funcionamiento. - Geometría. - Fuerzas. - Masa del hidromotor.

Fig. 6. Producto apropiado. Fig. 7. Conceptualización mecatrónica.



Etapa de experimentos computacionalesLos experimentos computacionales tienen el objetivo de

acercarnos al nuevo conocimiento indispensable paradesarrollar el nuevo producto.

La figura 8 constituye un esquema donde se muestrandos dimensiones del hidromotor objeto de investigación: ladimensión principal lp y la excentricidad e, cuya relación Res determinante para estimar la eficiencia mecánica. Al correrel software (prototipo analítico de las fuerzas), cambiando elvalor de las variables de entrada R y miu coeficiente de fricciónentre cilindro y pistón se conocen los valores de las variablesde salida.

El análisis realizado permitió establecer los valores de losparámetros para dimensionar el hidromotor al diseñarlo. Elresultado del experimento computacional muestra cómo,cuando aumenta R y disminuye el coeficiente de fricciónmiu entre los elementos de estanqueidad de los pistones ylos cilindros, la eficiencia aumenta.

Una característica distintiva de este nuevo producto sonlas válvulas distribuidoras para realizar la tarea desincronismo, por lo tanto, se desconoce inicialmente cómoseleccionar el tamaño estas válvulas. Tras un análisis sedetermina que el parámetro relacionado con el tamaño de laválvula es la eficiencia. Entonces se realiza un experimentopara determinar la influencia del tamaño de la válvula TN enla eficiencia hidromecánica del hidromotor en función de lavelocidad de rotación. El resultado de este experimento semuestra en la figura 9.

El nuevo conocimiento extraído consiste en establecer quela selección de las válvulas distribuidoras para ser usadasen hidromotores con función de sincronismo, no dependedel gasto máximo que circule a través de ellas (criterio deselección para circuitos hidráulicos), sino de la eficienciahidromecánica que ellas generen en el hidromotor.

Etapa de preparación y toma de decisionesEntre los parámetros a los que más atención prestan los

diseñadores de motores se encuentran la alta eficiencia y elbajo peso [7]. Guiándose por los resultados mostrados en lafigura 10, para obtener alta eficiencia se impone una R lomás próxima a 15, el resultado obtenido es un motor muyeficiente pero con grandes dimensiones radiales lo que es lomismo un motor con gran peso. Esto es contrario a loimpuesto por la tendencia actual del diseño, que exigehidromotores con una elevada densidad de potencia yademás una alta eficiencia. Para resolver esta contradicción,hay que determinar la geometría de forma tal que secorresponda con un compromiso adecuado entre los valoresestimados de los indicadores de eficiencia del hidromotorseleccionados (figura 10) a través de un algoritmo depreparación y toma de decisiones multivariables.

Fig. 9. Eficiencia hidromecánica en función del tamaño de laválvula.

Fig. 8. Eficiencia de la fuerza de presión.



Los indicadores de eficiencia del hidromotor seleccionadosfueron: eficiencia total del hidromotor, momento de inerciareducido al árbol, masa total. Las variables de decisión sontres discretas (cantidad de cilindros, cantidad de bloques ydiámetro del cilindro) y dos continuas (espesor de la películalubricante y longitud de la carcasa).

En calidad de objetivo generalizador (o función objetivo)del problema se seleccionó la minimización de la distanciaponderada de Tchebycheff entre estos indicadores deeficiencia y sus valores ideales (o deseables).[8] En lasolución del problema formulado, de optimización mixta,discreta-no lineal y bajo criterios múltiples, se utilizó el

Fig. 10. Algoritmo de optimización de la geometría.



método de búsqueda exhaustiva combinado con el métodode exploración. [8]

El algoritmo de optimización se muestra en el DiagramaN-S. En él se constata el uso de prototipos analíticosdesarrollados con anterioridad como el de la geometría,mediante el cual se calculan las dimensiones de todos loselementos, se seleccionan los elementos normalizados aemplear y también se determina uno de los indicadores deeficiencia: el momento de inercia reducido del árbol. Elprototipo de simulación permite calcular las prestacionesdel hidromotor y determinar otro indicador de eficiencia: laeficiencia total del hidromotor. El prototipo analítico de masaprecisó el indicador de eficiencia de la masa del hidromotor.

En correspondencia con los métodos iterativos del análisismulticriterial aplicados, la metodología de toma de decisionespara este estudio de caso consistió en: dar valores inicialesa cada uno de los coeficientes de peso, luego, si el decidorconsidera aceptables los valores que se obtienen en lapoblación de soluciones generadas, entonces selecciona laque estima como más adecuada de esa población. En casocontrario, se incrementa el peso del criterio que se deseamejorar y continúa el proceso hasta satisfacer plenamenteel sistema de preferencias del decidor.

Etapa de modelación geometrícaLa modelación geométrica tiene como propósito visualizar

en pantalla la mejor solución. Con el prototipo analítico deGeometría se programa una interface, que podría ser enVisual Basic for Aplication (VBP), para obtener los modelosgeométricos virtuales a través de un software especializado.Como resultado, se obtienen las imágenes, el prototipo virtualy sus piezas (figura 11), así como todos los planos de taller.

La figura 11 muestra cómo las piezas marcadas han sidoeliminadas, lo que hace posible manufacturar el nuevohidromotor con la capacidad tecnológica disponible.

Si en lugar de un CAD es usado un sistema CAD/CAM esposible generar las imágenes y además todo el paquetetecnológico necesario para la tercera etapa. La figura 12muestra el diagrama de bloques con las decisiones a seguir.

La figura 13 resume el ciclo general que sigue el desarrollomecatrónico de nuevos productos orientado a la capacidadtecnológica disponible.

Fig. 11. Nuevo hidromotor mecatrónico y carcasa simplificada.

Fig. 12. Proceso de obtención del paquete tecnológico.



Fig. 13. Ciclo general del desarrollo mecatrónico de nuevos productos.



CONCLUSIONESEl contexto internacional está caracterizado por las

marcadas diferencias existentes entre los países y el enormeabismo tecnológico que los separa. Las naciones del Surtienen la materia prima necesaria para su desarrollosostenible, sin embargo, carecen en apreciable medida dela tecnología para modificar esos recursos y transformarlosen los bienes y servicios que necesitan, y se ven obligadasa comprarlos en los países del mundo desarrollado cuandoestos se lo permiten y a precios agobiantes de monopolio.

Se manifiesta aquí una lógica absurda en la que el Nortecompra cada día más baratas las materias primas al Sur yluego se las vende tecnológicamente transformadas enbienes. Esto demuestra el alto valor económico que poseela tecnología y la necesidad de desarrollar tecnologíasendógenas en nuestros países. Sin embargo, no se puedehablar de desarrollo endógeno al margen de la innovación ytransferencia de tecnología. La metodología de innovacióntecnológica propuesta, basada en la mecatrónica, es unavía estratégica y factible para avanzar de manera efectiva enesta dirección.

REFERENCIAS1. DÍAZ CABALLERO, J. R. Y ARANA ERCILLA, M."Metodología, Innovación e Ingeniería". Tecnología ySociedad, t. I, ISPJAE-MES, La Habana, 1998.2. DÍAZ CABALLERO, J. R. "De la situación problemáticaal problema de investigación". Tecnología y Sociedad, t. II,ISPJAE-MES, La Habana, 1998.3. MARCH CHADA, I Y LLORIA ARAMBURO, M. "Análisissectorial sobre el proceso de desarrollo de productos enPYMES españoles". http://www.monograf ias.com/prototipado.doc

4. MARTÍNEZ, J.; GARCÍA, A. y ORTIZ, T. "Algorítmicadel diseño mecánico", Revista Ingeniería Mecánica,núm. 1, p. 31(5), sept, 1997.5. MOREJÓN VIZCAINO, G. "Primera etapa del proceso dedesarrollo de un hidromotor de alto par: Conceptualizacióny prototipo analítico", Tesis, Instituto Superior PolitécnicoJosé Antonio Echeverría, La Habana, Cuba, 2004.6. ERICKSON, W. "Motor Supplier Improves Machine Desingwith VisSin modeling and simulation software".En:www.fluid.power.net7. ARZOLA, J. Sistemas de ingeniería. Ciudad de La Habana,2000.Ed. Félix Varela,8. ARZOLA, J. Y MOREJÓN, G. "Diseño óptimo multiobjetivoorientado a la ingeniería inversa en el ejemplo de los motoreshidráulicos". En XI Conferencia Latino - Iberoamericana deInvestigación Operativa, Santiago de Chile, 2002.

AUTORESGenovevo Morejón VizcaínoIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Mecánica Aplicada, Facultad deIngeniería Mecánica, Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

José Ricardo Díaz CaballeroLicenciado en Filosofía, Doctor en Ciencias Filosóficas, Pro-fesor Titular, Dirección de Ciencias Sociales, Grupo de Es-tudios Sociales de la Tecnología, Instituto Superior Politéc-nico José Antonio Echeverría,Cujae, La Habana, Cuba

José Arzola RuizIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Matemática, Facultad de Ingenie-ría Mecánica, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba

AbstractThis paper proposes a technological innovation methodology denominated "Mechatronic developmentof new products oriented to the available technological capacity". It is shown as a study case of thedevelopment of hydromotors with radial pistons.

Key words: develop of new products, technological capacity, mechatronic, inverse engineering,technological innovation, research methods

Mechatronic Developement of New Products Oriented to the

Available Technological Capability

http://www.m

http://www.fluid.power.net

desarrollo mecatrónico de nuevos productos orientado a la

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