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Mecatrónica Diseño Mecatrónico

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Page 1: Mecatrónica Diseño Mecatrónico. Sensores en máquinas y robots

Mecatrónica

Diseño Mecatrónico

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Sensores en máquinas y robots

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Ejemplo:

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Terminología usada en sensores.

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Selección de un sensor

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Sensibilidad.• La sensibilidad de un sensor

esta definida como la mínima entrada de un parámetro físico, el cual puede provocar un cambio detectable en la salida del sensor.

• Error de sensibilidad, es la desviación que existe entre una curva con características ideales y otra con las características reales.

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Rango.• El rango de un sensor, define los limites entre los

cuales puede variar la entrada, esto es el máximo y mínimo valor que puede ser medido por el sensor.

Rango = Ymax - l –Ymin l

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Error.

• El error, es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide.

Error = valor medido – valor real.

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Presición.

• El concepto de presición se refiere al grado de reproductibilidad de una medición. En otras palabras, si exactamente el mismo valor fue medido un número determinado de veces, el sensor es exacto.

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Exactitud.

• La exactitud, es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto la suma de todos los errores posibles más el error de exactitud en la calibración de un transductor. Es común expresar la exactitud como un porcentaje de la salida de rango total.

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Resolución.

• Esta especificación se define como el mínimo valor detectable en la entrada, que provoca un cambio detectable en la salida.

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Offset.

• El error de offset de un transductor está definido como el valor de salida, cuando la entrada al sensor es cero.

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Linealidad.

• La linealidad de un transductores, es una expresión, en la cual la curva de un sensor difiere de una curva ideal, la linealidad, se expresa en términos de porcentaje de no linealidad, el cual se define como:

Donde:Din (max): máxima desviación a la entrada.IN f.s: es la máxima entrada a escala completa.

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Histéresis

• Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o reducción continuo.

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Tiempo de respuesta.• Los sensores no cambian su salida inmediatamente cuando

al entrada cambia, existe un tiempo de respuesta en el que el sensor produce la salida.

El tiempo de respuesta de un sensor se define como el tiempo requerido para que la salida de un sensor cambie de un estado previo a un valor que se encuentre dentro de la banda de tolerancia de un valor correcto.

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Repetibilidad / Reproducibilidad.

• Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida después de aplicar el mismo valor de entrada, el error se expresa como un porcentaje de la salida del rango total.

Repetibilidad = ( val. Max – val. Min obtenido)/rango total x 100

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Estabilidad.

• La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir una salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo.

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Impedancia de salida.

• Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida dado que esta se va a conectar en serie o en paralelo a dicho circuito.

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Selección de sensores.1. Identificar la naturaleza de la medición requerida:

variable a ser medida, valor nominal, rango de valores, velocidad de medición y condiciones del ambiente que los rodea.

2. Identificar la naturaleza de la salida requerida por el sensor y determinar el acondicionamiento de señal requerido.

3. Identificar los posibles sensores, tomando en cuenta factores como rango, precisión, linealidad, requerimiento de potencia, mantenimiento, robustez, costo, etc.

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Grados de protección IP.El grado de protección IP** corresponde al grado de protección de las envolventes para materiales

eléctricos según las normas EN 60 529 y IEC 529.

El código IP está formado por dos números característicos (por ejemplo, IP 55) a los que se puede añadir una letra cuando la protección real de las personas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la que indica la primera cifra (por ejemplo, IP 20C).

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• Las mediciones analógicas se pueden clasificar un dos tipos:

1. Mediciones físicas: Presión, Temperatura, Nivel, Vibración, masa, densidad, etc.

2. Mediciones químicas o de composición: Conductividad, Ph, concentración de oxígeno, etc.

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Tipos de Medición.• Medición solo para indicación: son utilizadas para

visualizar condiciones de alguna variable.• Mediciones de control: Son esenciales para la

viabilidad económica, seguridad y funcionalidad de un proceso de fabricación.

• Mediciones Legales u oficiales: Para verificar si el proceso cumple con las normas establecidas.

• Mediciones Medio Ambientales: Para detectar emisiones para protección de la gente (convenio de Kioto).

• Mediciones de seguridad: Sirven para monitorear y evitar condiciones de peligro.

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Entorno de mediciones industriales.Existen dos áreas muy diferenciadas que son “el campo”

y la “sala de control” y el nexo de unión entre ambas áreas denominado “cableado de campo”.

Campo: Área donde los equipos de producción trabajan o donde se llevan a cabo los procesos industriales. Los equipos de medición están expuestos a un gran ruido, temperaturas y humedades que pueden dañar los dispositivos de medición.

Sala de control: Es donde el personal interactúa con los sistemas de medición y control de la planta. Generalmente tiene aire acondicionado, en la sala de control se encuentran los acondicionadores de señal y los sistemas de adquisición de datos.

Cableado de campo: Cableado multipares de uso industrial para llevar la información de los sensores a la sala de control.Para reducir el costo del cableado se recurre en muchos casos a equipos concentradores de datos, que recogen una gran cantidad de señales de los sensores, los acondicionan, los multiplexan y los envían a través de conexiones RS485, RS422, TCP-IP, etc.

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Linealización de sensores.• Los acondicionadores se

señal que poseen linealización incorporada tienen una función de transferencia igual que el sensor real pero simétrica con respecto a la recta que describe el sensor ideal.

• Estos acondicionadores realizan esta operación dentro de un rango de trabajo del sensor.

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Clasificación de los sensores.

• Los sensores pueden ser clasificados en:

Sensores autoexitados: Pueden no necesitar fuente externa de tensión o de corriente para poder ser leídos por el sistema (Ejemplo: Termopares).

Sensores excitados exteriormente: Son sensores que necesitan fuente de alimentación (Strain Gauges, RTD, etc.)

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Técnicas de reducción de ruido y aislación.

“Resulta prácticamente imposible lograr implementar un ambiente o entorno libre de

ruido eléctrico ó electromagnético” pero en la práctica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente el ruido: usar cable blindado o de par trenzado, promediar la medición, filtrar la señal o hacer una conexión diferencial de bajas señales de tensión al sistema de adquisición de datos.

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Fuentes de ruidos.Para analizar como reducir el ruido y con qué técnicas, primero es conveniente estudiar el origen del mismo y como afecta a la señal del sensor.

• Ruido de origen capacitivo o acoplamiento capacitivo: básicamente es ruido producido por las cargas electrostáticas, este ruido acopla capacitivamente con el sensor, con el acondicionador de señal o con el cable que une al sistema de adquisición de datos.

• Ruido de origen magnético o acoplamiento magnético. Corrientes inducidas que generan interferencias ó disturbios en los conductores de las señales, por eso es importante enviar por bandejas separadas cables de energía y de señal.

• Lazos de tierra.• Otras fuentes de transitorios de tensión. Ruido puede

aparecer directamente en el cableado de la señal del sensor al sistema de adquisición de datos como puede ser EMI (Interferencia Electromagnética) la cual proviene principalmente de los radiotransmisores.

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Técnicas para prevenir y eliminar ruido.

• Blindaje: Para disminuir ó eliminar la interferencia producida por el acoplamiento capacitivo y para ayudar a disminuir la EMI. El blindaje tiene que ser conectado a la tierra en el extremo de las líneas de información o acondicionador de señal, pero tener cuidado de no formar lazos de tierras, por lo que solo hay que conectar la tierra en un solo punto.

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• Cable de par trenzado: En muchos casos es imposible poner blindaje en un solo punto a tierra, por ejemplo cuando el cable tiene blindaje expuesto. Juntando los pares y trenzándolos al azar, se anulan entre sí las diferencias e potencial o voltajes inducidos en el cable cuando se el mismo se encuentra en presencia de un campo magnético.

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• Aislación: La aislación entre las distintas etapas entre las distintas etapas de un sistema de adquisición de datos. Conceptualmente la aislación se puede definir como la separación de una señal eléctrica de otra para prevenir interacciones no deseadas entre ambas señales.Otra finalidad de la aislación, es la de protección de los sistemas de adquisición de datos.

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• Conexión diferencial.Los amplificados operacionales cuando trabajan con una entrada diferencial suelen tener un muy elevado CMRR que idealmente tendería a infinito. Esto significa que las señales que se inducen por igual a ambos conductores de la entrada del Amplificador Operacional no sean amplificadas, de lo Antenor se concluye que otra forma de evitar el ruido es usar acondicionadores de señal con entradas diferenciales o tarjetas de adquisición de datos con entrada diferencia.

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Técnicas para eliminar el ruido en una señal adquirida.

• Métodos por hardware: Filtros pasivos, Filtros activos.• Métodos por software:

Método de premediación: como el ruido es aleatorio o al azar, una de las técnicas de eliminación de ruido consiste en sobre muestrear la señal adquirida por la tarjeta de adquisición de datos y promediar estos valores, estadísticamente, como el ruido es aleatorio, se eliminará uno con otro.El método de promediación puede eliminar el ruido en proporción a la raíz cuadrada del número de muestras promediadas. Este tipo de método se utiliza para señales de variación lenta como : temperatura, humedad, presión, caudal, esfuerzo, etc.Método de filtrado analógico por software.

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M1+M2=0.14 Kg V=0.03 [m/s] (simulación)F=(M1+M2)*a w=(V*60)/(2*pi*r)=[r.p.m]T=r*F wm=w/redTm=T/red

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ESTRUCTURA DE TAREAS (CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR C.D.).

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ESTRUCTURA DE TAREAS (CALENTADOR).

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ESTRUCTURA DE TAREAS (TOSTADOR).

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ESTRUCTURA DE TAREAS .

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CONTROL CON RETROALIMENTACION

INTERFAZ

ACONDICIONADOR DE SEÑAL

ALMACENAMIENTO DE DATOS

SEÑAL COMANDADA

USUARIO: POSICION DESEADA

AMPLIFICADOR DE SEÑAL

ACTUADOR

SENSOR

INTERPRETAR SEÑAL

REPORTES

EXTERNO

INTERNO

HARDWARE

SOFTWARE

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Verificación y validación:

• Verificación: Realizar la pruebas necesarias tanto al software como al producto, para que este cumpla con el diseño.

• Validación: Asegurarse que el software y el producto cumpla con las especificaciones.

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Análisis modal de fallos y efectos.

• Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) Desarrollado inicialmente por el ejercito de los Estados Unidos para evaluar el efecto de los fallos de equipos y que impacto tenían sobre el éxito de una misión.

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• En términos de diseño de un producto, un fallo supone que un componente ó un sistema no satisface o funciona de acuerdo con la especificación. Un fallo no debe ser evidente para el cliente.

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• El modo de fallo, es el modo en que se produce el fallo de un componente o sistema: ¿Cómo ha podido fallar el componente o sistema?

Causa Efecto

Modo de fallo

Una única causa, puede conducir a efectos múltiple.

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• El AMFE se lleva a cabo al final de la fase de diseño, y pretende encontrar los potenciales fallos del producto antes de que este sea producido.

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Cuestiones:

• ¿Qué puede salir mal en el proceso de fabricación y durante la operación del sistema?

• ¿En que grado puede salir mal?• ¿Qué hay que hacer para evitarlo?

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Respuestas:

• Definir claramente el alcance y función del producto.• Identificar los fallos potenciales de forma gradual.• Priorizar los fallos según aspectos como la seguridad, los

costos, la calidad del producto, etc.• Preparar un plan de control para prevenir o reducir riesgos

de fallo.• Mantener una base de datos actualizada con los resultados

de lo análisis, con el registro de fallos, para que sirva como experiencia para futuros diseño.

• Documentar los procesos en un formato accesible para futuros equipos de diseño.

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Las fallas potenciales de fallos pueden ser:

• En deficiencias del diseño (el diseño se fabrica como se está especificado, pero falla desde su concepción).

• En deficiencias de fabricación: (el producto no se fabrica según las especificaciones de diseño).

• En deficiencias de proceso de ensamblaje.

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Pasos para llevar a cabo un AMFE1. Definir el producto en términos de sistema.

Funciones objetivo: Dado que todas las valoraciones de riesgo están relacionadas con los modos en que un sistema puede fallar al realizar una función, una definición clara de las funciones que debe realizar el producto es un primer paso importante.

MANTENER EL PENDULO EN LA VERTICAL

CAMBIO Ó AJUSTE DEL CONTROLADOR

INTERFAZ AMIGABLE

OPERACIÓN REMOTA

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• Los límites: Muy pocos sistemas funciona de forma aisladamente. La mayoría actúa con otros sistemas. Es importante delimitar la interacciones para considerar los posibles efectos de un fallo.

MANTENER EL PENDULO EN LA VERTICAL

CAMBIO Ó AJUSTE DEL CONTROLADOR

INTERFAZ AMIGABLE

OPERACIÓN REMOTA

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2. Subdividir el sistema por funciones para el análisis.

Leer sensorEstimar estados

Acondicionar señal

Trasmitir señal del

sensor

Evaluar controladorTrasmitir

señal de control

Interfaz con el usuario

Ajuste o cambio del

control

Amplificar señal

(potencia)

Mover péndulo

Análisis de funciones generado anteriormente

Soporte Transmisión de potencia

Movimiento del móvil

Restricción del movimiento en

un eje

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3. Identificar modos potenciales de fallos.Contestarse las siguientes preguntas: ¿Qué puede ocurrir si esta función falla? ¿Qué puede ocurrir si esta función falla antes o después de otra

acción determinada?¿Qué puede ocurrir si está función no es realizada en la

secuencia correcta?¿Qué puede ocurrir si esta función no se realiza completamente?

Ajuste o cambio del

control

Evaluar controlador

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4. Identificar el efecto potencial de cada fallo.Buscar los efecto de un fallo en cada función: si se da un determinado fallo ¿Qué consecuencia puede acarrear? . Si está función falla ¿Qué mas podría ocurrir como consecuencia?

Evaluar controlador

¿Qué consecuencia puede acarrear?•El péndulo no se mantiene en equilibrio•Enviar una señal de control incorrecta¿Qué mas podría ocurrir como consecuencia?•Que el controlador se sature.•Que el motor incremente la velocidad.•Que el acoplamiento mecánico se rompa.

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5. Estimar una severidad o un peligro para cada efecto.

Frecuencia de falloDescripción Nivel Operación

FrecuenteA Es problabe que ocurra con

frecuencia

ProbableB Puede ocurrir varias veces

durante la operación.Ocasional C Puede ocurrir alguna vezPosible D Es poco probable que ocurra.

ImprobableE Tan poco probable que puede

asumirse que no va a ocurrir

Consecuencia de la ocurrencia del falloDescripción Categoría Definición

CatastróficoI Fallo completo del sistema y/o

peligro muy grave para el usuario

CríticoII Graves daños en el sistema y/0

peligro grave para el usuario

MarginalIII Daños menores en el sistema y/o

bajo riesgo para el usuario

AceptableIV Daños pocos importantes, no hay

riesgo para el usuario

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Matriz de evaluación de riesgoFrecuencia Categoría de fallo I II III IV

A 1 3 9 13

B 2 5 7 16

C 4 6 11 18

D 8 10 14 19

E 12 15 17 20

Indice de riesgo Criterio1 a 5 Inaceptable6 a 9 Indeseable

10 a 17 Aceptable con revisión en el diseño18 a 20 Aceptable sin revisión en el diseño

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Matriz de fallos y efectos.

• 9: Relación muy fuerte• 3: Posible relación• 1: Baja relación• 0: Relación nula

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Review Risk Priority Numbers (RPN). The Risk Priority Number is a mathematical product of the numerical Severity, Probability, and Detection ratings: RPN = (Severity) x (Probability) x (Detection)The RPN is used to prioritize items than require additional quality planning or action.

Gravedad

ProbabilidadDetección

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Gravedad

Probabilidad

Detección

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Integración de un sistema mecatrónico

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Los principales elementos de la mecatrónica

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