fundamentos de la mecatrónica por francisco esaul servin cosgaya
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LICENCIATURA DE INGENIERIA EN MECATRÓNICA VALLADOLID YUC A 19 DE SEPTIEMBRE DE 2014
FUNDAMENTOS DE LA MECATRÓNICA
ELABORADO POR:
BR. FRANCISCO ESAUL SERVIN COSGAYA
MECATRONICA 7°A
FUNDAMENTOS DE LA MECATRÓNICA
Definición
El mismo término de mecatrónica ha sido usado desde los años 60’s según los
registros oficiales dando un punto base en donde se puede tomar partida a una definición
clara del concepto.
Este concepto básico se encuentra en la acción misma de crear una fusión entre un
organismo mecánico y eléctrico o digital de cualquier tipo séase como un sistema operativo o
una tableta de circuitos, y tal objeto da como fin el nacimiento del término mecatrónica,
aunque en muy simples y rebuscados aspectos de la idea.
Aunque la definición de este concepto se ha dado por varios autores a través del
tiempo se dice que la disciplina aún está en una etapa muy cruda y es renuente a tener una
definición completa o exacta a la que se tiende a pensar, por lo cual se le ha colocado como
una disciplina renovante y de gran campo de aplicación entendimiento y concepción, pero
eso no da por entendido que las actuales definiciones del esta disciplina se encuentre
alejadas de la exactitud deseada si no que son incompletas. En el blog de Mecatrónica el sr.
Fernando C. Aguirre nos menciona algunas citas:
La palabra mecatrónica se compone de “meca” de los mecanismos, y de “tronics” de
la electrónica. En otras palabras, tecnologías y productos desarrollados irán
incorporando electrónica más y más en mecanismos, íntimamente y orgánicamente,
haciendo imposible el decir donde termina una y comienza otra. (Tetsuro Mori,
Senior Engneer, Yasakawa Electric Company, 1969).
“La integración sinérgica de ingeniería mecánica con electrónica y control inteligente
por computadora, en el diseño y manufactura de productos y procesos industriales.”
(Harisama, Tomizuka y Fukuda, IEEE Transactions on mechatronics, 1996).
Historia
La mecatrónica surge de la necesidad de la aplicación de las nuevas
tecnologías a partir de la revolución industrial en donde se hallan vestigios de los principios
de esta en varios países desarrollados que fueron a la cabeza en la creación de máquinas
con mejor calidad y mucha más cantidad, luego de la primera revolución industrial llego una
segunda en los años 40, con esta se obtuvieron varios avances significativos entre los que
podemos ubicar la creación del transistor semiconductor y la reducción de componentes de
un circuito eléctrico, en lo cual se deriva el computador digital, predecesor y pináculo de gran
parte de la tecnología actual, lo que en gran medida dio un campo visual más grande a la
sociedad, más concretamente en el siglo pasado por la década de los años 60’s la
mecatrónica como tal comenzó a moldearse con la aplicación ya directa a algunas
empresas japonesas pero sin ser un área de aplicación presente en tales.
La palabra “mechatronics”, fue usada y patentada como marca registrada por la
empresa Yasakawa Electric Co. En los años1972 hasta los próximos 10 años siguientes,
teniendo ellos los derechos para su aplicación en términos empresariales.
En la mecatrónica, las investigaciones puras o básicas fueron los antecedentes más
directos y concisos de esta disciplina, y se pueden encontrar algunos trabajos tan relevantes
como el realizado por Alan Turing en 1936 en el área de la cibernética o las máquinas de
control numérico, iniciado en el año 1946 por George Devol y desarrollado por los científicos
Robert Wiener y Morthy en 1948 como también las investigaciones de manipuladores tele
operados realizado por Goertz en el año 51 y la de manipuladores robotizados realizada
también por Devol en 1954.
Ya por la década de los 60’s esta disciplina era más aplicada a los mecanismos de
control no tan complejos como lo son las puertas automáticas que se encuentran es muchos
supermercados, en cajeros automáticos y hasta en cámaras de autofocus como una
cámara de vigilancia. Años después en la década de los 80’s las tecnologías de la
comunicación se encontraban en su punto para que los trabajadores de áreas específicas
empezaron a incluir microprocesadores en los trabajos más relevantes logrados por ellos
haciéndolos más eficientes. Y ya para los noventas las tecnologías de comunicación como
los teléfonos celulares habían evolucionado tanto que este tipo de tecnologías se podían
comunicar para ese tiempo con las redes domésticas a las que se les pudo añadir la
operación a distancia de manipuladores robóticos.
Historia de la mecatrónica en México
En la investigación de la mecatrónica desde 1993 el departamento de Ingeniería
Eléctrica del Centro de Investigación y Estudios Avanzados ha sido pionero y
líder de las investigaciones de la materia en el país.
La historia comienza cuando en los 90’s el término mecatrónica entra a
universidades del país como lo es la Universidad Nacional Autónoma de
México, la Universidad Anáhuac del Sur en 1994 y el Instituto Politécnico
Nacional en 1997 con la licenciatura de ingeniería en mecatrónica, que se
ocuparon de actuar para dar las primeras asignaturas en licenciatura y
posgrado centradas en el aprendizaje de la mecatrónica.
Con tales progresos la en la materia, otras universidades de México se
interesaron más por la mecatrónica tomándola como parte de sí mismas y
acuñándolas dentro de su regazo como la interesante y nueva carrera que se
ha de convertir, y de esta manera dándole mejores y más caminos a sus
egresados. Para finales de los 90’s se toma una apreciativa más cocinada
para la mecatrónica por parte de algunos institutos de estudio superior, dándole
mayor relevancia y brindando mayores estudios que adjuntarían más
conocimientos básicos y especializados a los egresados de esta carrera
mediante cursos de posgrado especializados y diplomados como lo es en el
caso de. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Montería (ITESM)
que conto colaboración de La empresa Festo, después de esto la UNAM, la
Salle y la universidad iberoamericana, ponen en marcha un sistema parecido a
li ingeniería en sistemas computacionales y la carrera de ingeniería cibernética.
Luego de varios años después de pasado el siglo anterior, después de
haber pasado un largo y complejo proceso, se logra abrir la academia de
Mecatrónica del sistema ITESM que tuvo en base como coordinador al Dr.
Eugenio García del campus Monterrey. Después de este abrumador logro el Dr.
Eugenio a través de los años consiguientes se vuelve parte importante de la
Mecatrónica en México abriendo múltiples departamentos de esta ingeniería en
varias universidades del país, e institutos además de centros de investigación y
desarrollo que se encuentran en los primeros años de operación hasta la
actualidad.
Principios y postulados que norman la mecatrónica
La Mecatrónica no tiene principios y postulados en si, por que no es una
ciencia completa, ya que esta se constituye de 4 ciencias primarias y sus
subalternas que se pueden considerar como progresivas. A continuación se
presenta una serie de postulados, principios y leyes de cada una de estas 4
disciplinas:
Principios y postulados de la electrónica
En la electrónica hay principios q son básicos y se deben de seguir,
como son los operadores:
a) Suma: α + b
b) Producto: α x b
c) Complementación: α’ o ᾱ
También están entre estos sus postulados lo siguiente:
1) Cuando existe un complementario: α + ᾱ = 1 α x ᾱ = 0
2) Idempotencia: α + α = α α x α = α
3) Existe un elemento neutro: α + 0 = α α x 0 = 0
4) Dominio del 0 y del 1: α + 1 = 1 α x 1 = α
5) Doble complementación: ᾱ’ = α
Y sus propiedades como ya conocemos:
a) Conmutativa: a + b = b + a a*b = b*a
b) Distributiva: a + b* c = (a + b)*(a + c) a *(b + c) = a*b +
a*c
c) Asociativa: a *(b*c) = (a*b)*c =a*b*c a +(b +c)=(a+b)+c=a+b+c
Principios y postulados de la mecánica
1) Como principio de esta tenemos a las leyes de newton:
1ª Ley de newton o principio de inercia: “Todo cuerpo libre de
interacciones (fuerzas), permanece en estado de reposo o de movimiento
rectilíneo y uniforme.” Todos los cuerpos en reposo se mantienen así hasta que
la fuerza aplicada pueda romper la inercia.
2ª Ley de newton: “Toda fuerza aplicada a un cuerpo, le comunica una
aceleración proporcional a la fuerza y en su misma dirección y sentido.” Esto
implica su movimiento de aceleración inicial después de chocar el otro cuerpo.
3ª Ley de newton o principio de acción y reacción: “Cuando dos masas
interaccionan, la fuerza sobre una masa es igual y opuesta a la fuerza sobre la
otra.” Esto conlleva a decir que la fuerza de acción es inversamente
proporcional a la fuerza de reacción hasta que una de las dos retroceda.
2) El principio de conservación de la cantidad de movimiento
Este principio involucra a un sistema de partículas formado por m1,
m2,…m¡ que se mueven entre ellas y en el exterior de las mismas, y en el
sistema debe de mantenerse dicha constante para que si la sumatoria de
fuerzas sea cero. Con el principio leído se ponen en práctica tres condiciones
que moverán el sistema por la extensión de los ejes x, y, z.
3) Principio de conservación del momento angular (o cinético)
Se toma en cuenta el sistema de partículas construido de m1, m2,…. m¡
interactuando entre ellas y sus exteriores, si se suman en dos momentos de
fuerzas y su sumatoria es cero, el momento angular de dicho sistema se
mantendrá en el tiempo.
4) Principio de conservación de la energía
Este principio menciona que un sistema que no tiene fuerza alguna
exterior, la energía mecánica que se encuentra en el sistema seguirá siendo
constante.
Principios y postulados de la computación
En los principios y postulados relacionados con la computación se varía
versatilidad de sus campos tomando la palabra de Peter Denning, que los
principios que la computación abarca los ha podido clasificar en siete
categorías:
1) Computación:
Le da sentido y delimita a la computación
2) Comunicación:
Traspaso de datos seguros
3) Coordinación:
La coordinación de las unidades de la red
4) Recolección:
Sistematiza en guardado y recupera los datos
5) Automatización:
Le da sentido y un límite a la automatización
6) Evaluación:
La predicción del desarrollo de las habilidades y el límite de la
automatización
7) Diseño:
Realización de los softwares de sistemas estables y confiables
Principios y postulados del control
El control se puede fundamentar a base de los siguientes principios:
1) Equilibrio:
Con cada grupo designado se proporciona el grado de control
necesario.
2) De objetivos:
Se refiere a que el control no se encuentra clasificado como un fin
si no como un proceso medido para alcanzar los objetivos es
preestablecido.
3) De la oportunidad:
La eficacia de este, está dada por su anticipación a los errores y
tomar medidas preventivas antes de cualquier desperfecto.
4) De las investigaciones:
Esto dice que las variaciones o desviaciones que se van de la
mano con los planes, deben de ser analizadas de manera minuciosa y
hallar de esta la causa que la incito, para poder evitarlas en un futuro
cercano.
5) Costeabilidad:
Son las relaciones que se toman en cuenta de un sistema para optar si
es conveniente gastar los costos en este tiempo y este ámbito y plantear
sus ventajas reales en el reporte.
6) De excepción:
Al aplicar el control siempre se debe de tener en cuenta un solo
individuo de aplicación para tener resultados más sencillos, más rápidos
y representativos, a fin de reducir costos y delimitar los argumentos
estratégicos que se puedan tener en tales.
7) De la función controlada:
En la función controladora no se debe de meter a la función
controlada por la razón que esta pierde su efectividad en el control.
Principios y postulados de la robótica
Estas leyes salieron de la ciencia ficción pero considerando que todo lo
que ha salido en este género de películas, se llegado a lograr consumar se
podría decir que es la ventana a las ideas del futuro.
La primera vez que aparecen estas reglas surgen en el relato de
Runaround en 1942 y dijo:
1) “Un robot no puede hacer daño a un ser humano o, por inacción, permitir
que un ser humano sufra daño.”
2) “Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos,
excepto si estas órdenes entrasen en conflicto con la 1ª Ley.”
3) “Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta
protección no entre en conflicto con la 1ª o la 2ª Ley.1”
Ciencias que la conforman
La Mecatrónica es un conjunto de ciencias entrelazadas que forman una
disciplina que hasta hoy en día logra conformar gran parte de las ciencias
exactas y también parte de las teóricas.
Las 4 principales ciencias que intervienen directamente con la
Mecatrónica son:
Mecánica
Es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento de los
cuerpos bajo acción de fuerzas y sus fenómenos en formas medibles y
comprensibles.
Electrónica
Se encarga de actuar entre procesos industriales y la transformar la
electricidad para el funcionamiento de múltiples dispositivos usados para el
control de máquinas eléctricas o de cualquier tipo de maquina no manual.
Control
Es el uso de elementos sistemáticos relacionados con otras aplicaciones
que se relacionan a la tecnología de la información para el control de
maquinaria y procesos, desplazando la necesidad de la acción humana.
Informática
Aplica los fundamentos de la ciencia de la computación, la electrónica y
la ingeniería de software, para el desarrollo de soluciones integrales de
cómputo y comunicaciones, capaces de procesar información de manera
automática.
De estas cuatro áreas principales se derivan las de control digital que es
el control aplicado en los sistemas computacionales comúnmente más enfocado
a la programación de objetos en programas como PSoc o LabView.
Luego tenemos a los CAD que son los diseños mecánicos que se
realizan por cómputo como auto-cad o solidworks, continuamos con la electro-
mecánica relacionada más a la parte física de la disciplina que van de la mano
con los circuitos de control al ser la parte trabajosa del complemento.
También se relaciona la automotriz, la ética, aeroespacial, médica y
varias disciplinas mas que tienen cierto realce en la Mecatrónica y viceversa.
En relación con otras ciencias
La Mecatrónica es la interrelación de diversas ramas de la ingeniería q
colaboran en el diseño, experimentación y creación de elementos que se
relacionan directamente con la automatización y el control.
En las áreas claves que la disciplina entra en vigor pertenecen a las
nuevas tecnologías que están en pleno desarrollo y superación para su
innovación, entre ellas se pueden destacar:
1) La automatización industrial
2) La robótica
3) Diseño asistido por computadora
4) Manufactura asistida por computadora
5) Sistemas Flexibles de Manufactura
6) Redes de Comunicación Industrial
7) Control Numérico Computarizado
8) Microprocesadores y Microcontroladores
9) Control Inteligente
10) Biomecánica
Para el desarrollo de la mecatrónica como ciencia se necesita una
colaboración de ciencias de diversos tipos que se apliquen a la disciplina con
los recursos que destacan a las características de la ciencia misma, como son:
1) Física
2) Química
3) Matemáticas
4) Materiales
5) Mecánica
6) Automatización
7) Control de Procesos
8) Electricidad
9) Electrónica
10) Computación
11) Administración
12) Tecnologías de Información
13) Sistemas
14) Inteligencia Artificial
El objetivo principal de la mecatrónica es lograr que esta se vuelva un
hibrido necesario para las demás disciplinas que la conlleva a darle una ámbito
más importante y autómata que muchas otras disciplinas.
En la actualidad la mecatrónica ocupa el 4to lugar de un top ten de
tecnologías q cambiaran el mundo las cuales fueron dadas por el MIT:
1) Redes de sensores sin cables (Wireless Sensor Networks)
2) Ingeniería inyectable de tejidos (Injectable Tissue Engineering)
3) Nano-células solares (Nano Solar Cells)
4) Mecatrónica (Mechatronics)
5) Sistemas informáticos Grid (Grid Computing)
6) Imágenes moleculares (Molecular Imaging)
7) Litografía Nano-impresión (Nanoimprint Lithography)
8) Software fiable (Software Assurance)
9) Glucomicas (Glycomics)
10) Criptografía Quantum (Quantum Cryptography)
A continuación se muestra una gráfica que hace énfasis y con más
detalle a las tecnologías que se relacionan con la mecatrónica más
directamente.
REFERENCIAS
Planeación y control Estratégico de Lic. Enrique López Berzunza (2010) Poli libros
recuperado el 18 de septiembre del 2014 [en línea]
http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_proceso/Planeacion_y_C
ontrol_Estrategio_Lic_Enrique_Lopez_Berzunza/UMD/Unidad%20VI/62.htm
Peter Denning (2010) recuperado el 18 de septiembre del 2014
http://www.lnds.net/blog/2010/06/los-grandes-principios-de-la-computacion.html
cerezo.pntic.mec.es (2012) Problemas de mecánica [en línea]
http://cerezo.pntic.mec.es/~jgrima/prin_leyes.htm
Principios de electrónica digital (2012) recuperado el 18 de septiembre del 2014
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/LIBRO/pdf/digitpri.
Secretaría de economía de México, Cimav, Funtec (2012). Diagnóstico y prospectiva de la
Mecatrónica en México segundo informe
Historia de la Mecatrónica (2008) recuperado el 18 de septiembre del 2014
http://uroom.wordpress.com/2008/08/02/historia-de-la-mecatronica/
Mecatrónicaenmx.blogspot.mx (2013) Conceptos de mecatrónica [en línea] recuperado el 13
de septiembre del 2014 http://mecatronicaenmx.blogspot.mx/2013/12/concepto-de-
mecatronica.html