1

DISEÑO CONCEPTUAL DE PRODUCTOS MECATRÓNICOS

DR. LUCIANO CHIANG SÁNCHEZ Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica

P. Universidad Católica de Chile 2003

Resumen: En este artículo se analiza a partir de aspectos fundamentales del Diseño Mecánico clásico los elementos adicionales que surgen en el Diseño Mecatrónico. Este tipo de diseño se comienza a asentar como una nueva área de la Ingeniería Mecánica, aunque es posible pensar también que comienza a reemplazar al Diseño Mecánico convencional como parte de la especialización esparada del Ingeniero Mecánico. I. Introducción El Diseño Mecatrónico presenta una exigencia adicional al Ingeniero Mecánico de hoy. Éste no solo debe dominar lo que podemos llamar el Diseño Mecánico clásico, vale decir dominar la Dinámica de Cuerpos Rígidos, la Resistencia de Materiales, la Mecánica de Fluidos y la Termodinámica Aplicada. Hoy por hoy, también debe añadir a su ámbito de conocimientos, los principios electromagnéticos, la electrónica digital y análoga, y la programación de computadores. Esto se debe a que en los productos modernos, más eficientes, livianos y económicos, los componentes electromagnéticos, la electrónica (digital y analógica) y la programación de computadores vienen integradas en el producto de una manera inseparable o con fronteras difusas respecto de los elementos mecánicos clásicos por decir lo menos. En esta presentación se discute como se modifica el ciclo de diseño convencional o clásico a partir de la introducción de los aspectos electrónicos y de computación para el diseño mecatrónico, particularmente en lo concerniente al diseño conceptual. Ya el proceso de diseño convencional en la práctica es poco estructurado, particularmente en la fase preliminar del diseño conceptual, siendo a nuestro parecer ésta la parte más crítica del proceso de diseño. Es en el diseño conceptual donde se define principalmente el resultado final del proceso de diseño, vale decir la calidad de la solución propuesta. Es en esta misma fase de diseño conceptual donde la creatividad, conocimiento de los principios físicos, y experiencia del diseñador son más valiosas y relevantes para el resultado final del proceso. Se incluyen además en esta presentación técnicas para favorecer la creatividad en el diseño conceptual, y técnicas para evaluar comparativamente diferentes diseños conceptuales, todo esto en el contexto del diseño de productos mecatrónicos. Tales técnicas son útiles para asegurar que buenas ideas no sean pasadas por alto y que malas ideas tempranamente puedan ser desechadas, lográndose de este modo que el proceso de diseño resulte más eficiente y exitoso.

2

II. El Diseño en Ingeniería El Diseño es una capacidad intrínseca y extraordinaria del ser humano, y es una demostración de su inteligencia y capacidad de sobreponerse al entorno para sobrevivir. Es sin duda una de las actividades más gratificantes y enriquecedoras para una persona y para el ingeniero en particular. Lo que caracteriza el diseño que realizan los ingenieros en el ámbito de su especialidad es que se emplean métodos y técnicas apropiadas para hacer este proceso más eficiente y para lograr un producto de mejor calidad, todo ello al menor costo posible. Se dice que cualquier persona puede diseñar pero un ingeniero en el marco de su especialidad lo hace mejor.

También se dice que las cosas resultan por diseño o por error. Vale decir, diseñar es pensar anticipadamente los efectos de las decisiones que se toman y de este modo adoptar aquellas que son más convenientes. En cierto modo el Diseño es una especie de planificación. Nos interesa en esta ocasión el diseño de productos o soluciones en el ámbito de la Ingeniería Mecánica, y en particular un tipo de diseño llamado Diseño Mecatrónico.

1. El Proceso de Diseño y Desarrollo de Productos: El proceso de diseño y desarrollo de productos no es igual para todos los productos. En realidad, es posible considerar que cada producto posee un proceso propio con aspectos comunes a otros productos, pero también con otros aspectos diferenciadores. Por otra parte, el proceso de diseño y desarrollo de productos no es una secuencia ordenada y rígida de actividades, sino que se realiza con una estructura muy flexible, y con muchas actividades informales, lo que no es una desventaja sino que por el contrario, esta falta de estructura fomenta la creatividad de los participantes en el proceso, dando origen a productos innovadores y exitosos.

Describir el proceso de diseño y desarrollo de productos no es una tarea fácil, por las características antes descritas. Además, no todos los autores coinciden en la descripción del proceso y sus etapas, existiendo casi tantas escuelas de pensamiento como autores. Intentaremos entregar una descripción basada en parte en la abundante bibliografía disponible, así como en la experiencia de participar en esta clase de proyectos, adquirida a través de largos años de práctica profesional y enseñanza de los temas involucrados.

En el proceso de diseño y desarrollo de productos distinguiremos en forma más o menos genérica tres fases principales. Estas fases comienzan y terminan en forma algo difusa, repitiéndose, realimentándose e intercambiando información tantas veces como sea necesario hasta que los participantes en el proceso quedan satisfechos con el resultado final. Estas fases son Diseño, Prototipado e Industrialización. La primera fase de Diseño consiste en concebir el producto a partir de las condiciones de borde que se han establecido para éste. La segunda fase de Prototipado consiste en realizar el producto físicamente, tratando de que el prototipo resulte sea lo más cercano al diseño original, tanto desde el punto de vista estético como funcional, lo que no siempre es posible. El prototipo es evaluado exhaustivamente y modificado para optimizar el producto y eliminar deficiencias. La tercera fase de Industrialización consiste en pensar y definir como va a ser fabricado el producto, escogiendo el proceso de fabricación de los componentes, y el montaje del producto. En esta fase hay que trabajar con proveedores en el caso de que se decida usarlos, o ver la forma de fabricar internamente los

3

componentes. En este último caso es posible que sea necesario diseñar y desarrollar a su vez líneas de producción, así como también equipamiento y utilajes especiales.

El proceso de diseño y desarrollo de productos se realiza usando herramientas avanzadas para facilitar el proceso y obtener un mejor resultado. Estas herramientas incluyen métodos y tecnologías para realizar las actividades del proceso definidas como necesarias. Se deben escoger los métodos y tecnologías más apropiados para el producto en particular, lo cual requiere tener un conocimiento de los temas pertinentes con un nivel de profundidad y amplitud adecuados.

El avance de la tecnología y la ciencia hace que surjan nuevos métodos y tecnologías de diseño y desarrollo de productos cada cierto tiempo, y es necesario evaluar la conveniencia de usarlos cuando aparecen. Dado que la introducción de nuevos productos tiene una importancia económica muy alta, los países apoyan la investigación científica relacionada con nuevos métodos de diseño y desarrollo de productos. El dominio avanzado de estos métodos y tecnologías genera ventajas competitivas palpables para las empresas que los adoptan.

En la Figura 1 se muestra el proceso de diseño y desarrollo en su contexto. Se aprecia que el flujo de información es en múltiples direcciones sin un orden prestablecido. El proceso de diseño y desarrollo de productos ocupa, por una parte, métodos y tecnologías existentes, que han surgido de la investigación en universidades y centros de investigación. Aquellos métodos y tecnologías escogidos, si son los correctos, determinan el éxito del producto en gran medida.

Otro aspecto fundamental del proceso del diseño y desarrollo de productos, tiene relación con las especificaciones técnicas o bien los parámetros de diseño. Estos son magnitudes físicas y directrices que el proceso debe respetar y que deben verse reflejadas en el producto final. Las especificaciones de diseño o condiciones de borde surgen de varias fuentes posibles. Una de ellas es a través de la Investigación de Mercado, que emplea diferentes métodos para determinar quienes son los clientes y lo que estos quieren. Los métodos de Investigación de Mercado también han tenido su origen muchos de ellos, a partir de investigaciones realizadas en universidades y centros de investigación. Las condiciones de borde del diseño también son influenciadas por aspectos legales, normas, patentes, situaciones arancelarias, etc. Asimismo, el dominio y disponibilidad de tecnologías de fabricación ciertamente influencian el proceso de diseño y desarrollo de productos.

El flujo de información en múltiples direcciones, más la experiencia anterior que puede existir en aspectos que tengan influencia en el producto final, permite conformar una base de conocimiento que se incrementa a medida que avanza el proceso. Esta es una base de conocimientos que es dinámica, que de tanto en tanto, obliga a repetir las fases del proceso de diseño y desarrollo de productos parcial o totalmente, tantas veces como sea necesario para que el grupo encargado de obtener el producto se encuentre satisfecho del resultado.

Las tres fases genéricas incluyen a su vez grupos de actividades más específicas. Entrar en el detalle de estas ciertamente requiere extender esta descripción, mas allá del espacio y tiempo disponible. No obstante, para apreciar mejor el interior del proceso de diseño de desarrollo, se puede pensar en la representación de la Figura 2, donde los grupos de actividades fundamentales se han detallado a un segundo nivel. Nótese que el flujo de información, al igual que en el primer nivel de clasificación, es en todas direcciones a medida que se avanza en el proceso.

4

En suma tenemos un proceso de diseño y desarrollo de productos, de estructura flexible, donde la creatividad es uno de los elementos fundamentales. Para realizar este proceso se requieren de herramientas avanzadas (procedimientos, métodos y tecnologías) con el objeto de obtener un mejor resultado en el menor tiempo posible. El producto final tendrá características limitadas por las restricciones surgidas por motivos comerciales, legales y técnicos.

5

Figura 1. Diseño y Desarrollo de Productos en Contexto

Ingeniería Inversa

Investigación

Moldes y Matrices

CAD

CAE

Industrialización

Prototipado

Especificaciones Técnicas

Investigación

Investigación de Mercado

Base de Conocimientos

Aspectos Legales Normas, Patentes, Tratados Internacionales

CNC

Diseño

CAGD

Tecnologías de Fabricación

Fundamentos Métodos

PROCESO

Fundamentos Científicos

Rapid Prototyping

Puesta en Marcha Fabricación

Metrología

Automatización

Fundición Dinámica de Grupos

Evaluación

6

Figura 2. El Proceso de Diseño y Desarrollo de Productos

Estudio y Organización

Prototipado

Evaluación Desarrollo

Preliminar de Alternativas

Diseño Básico

Solución

Evaluación

Evaluación

Evaluación

Ingeniería de Detalles

Desarrollo de Herramientas

Especiales

Evaluación

Análisis Fabricación de Componentes

Evaluación

Evaluación

DISEÑO

INDUSTRIALIZACIÓNDISEÑO

PROTOTIPADO

A puesta en marcha

7

2. Postulados Esenciales del Diseño Los siguientes postulados se conocen informalmente entre los ingenieros especialistas y nos sirven para recordar lo difícil y exigente que puede llegar a ser el proceso de Diseño. La experiencia es testigo de su validez. Es interesante recordarlos y es importante tenerlos siempre en consideración. a) Lo simple es más hermoso b) La ley de Murphy se cumple inexorablemente c) No existe el diseño óptimo sino buenos diseños (lo perfecto es enemigo de lo bueno) d) Se debe usar siempre que se pueda, componentes estándares disponibles en el

comercio. e) Toda proyección de tiempo para obtener el producto se va a quedar corta. f) El proceso de diseño define tanto como el 70% del costo del producto pero solo

contribuye con una fracción muy menor de este. g) El usuario del producto siempre hará todo lo necesario para malograrlo. h) Que funcione el prototipo es lo más fácil, que el producto sea robusto y confiable es

lo que cuesta. i) La operación del producto debe ser fácil, ojalá a prueba de tontos 3. Técnicas de Generación de Alternativas

A pesar del progreso que ha experimentado la tecnología, particularmente la computación, todavía los aspectos básicos del proceso de diseño que permiten obtener mejores resultados dependen esencialmente de las personas. Si asumimos que el diseñador posee un dominio suficiente de su especialidad entonces la generación se alternativas se realiza esencialmente a través de las siguientes formas: a) Brainstorming o Lluvia de ideas. b) Bosquejo a Mano Alzada c) Dibujo por Computador d) Pensar, pensar y pensar en el problema 4. Técnicas de Evaluación de Alternativas

Similar al punto anterior, ahora con respecto a las formas de evaluar alternativas, se concluye que a pesar de que se ha intentado sistematizar y estructurar esta fase del diseño se llega a una decisión final principalmente por argumentación y consenso. Las formas más comunes de seleccionar la mejor alternativa de diseño incluyen las siguientes:

a) Argumentación y Consenso b) Matriz Cuantitativa c) QFD d) Verificación Experimental 5. Conceptos Contemporáneos Para el Diseño

8

Con el avance de la tecnología y los cambios culturales que experimenta la sociedad surgen conceptos y métodos que afectan el proceso de Diseño, acerca de los cuales se debe tener conocimiento si el objetivo es introducir un producto a mercados sofisticados y exigentes con alguna probabilidad de éxito. Se deben tener en cuenta para maximizar la probabilidad de éxito del desarrollo del producto. Algunos de los conceptos actualmente vigentes son:

a) Life-cycle Design

El diseño moderno no solo debe contemplar aspectos relacionados con la vida útil del producto sino que también debe considerar aspectos de reciclado, particularmente si los materiales empleados tienen impacto negativo en el medio ambiente (gases, elementos radioactivos) o no son degradables (plásticos, neumáticos). Debe planificarse el procedimiento de retiro y desmantelamiento del producto para lo cual deberá contemplarse si es necesario ciertas facilidades y características especiales en el propio producto.

b) Design for Manufacturing

Siempre se debe pensar en como se va a fabricar el producto, tratando de facilitar este aspecto para reducir costos y obtener un producto que permita competir en el mercado. Recordemos que en la fase de diseño se determina un gran porcentaje del costo final del producto, particularmente al elegir los materiales y el proceso de fabricación a emplear.

c) Rapid Prototyping

Numerosos productos o componentes se fabrican en serie mediante métodos y materiales que permiten alcanzar un bajo costo unitario. Este es el caso por ejemplo de componentes inyectados en plástico o elementos metálicos estampados en matrices. En estos casos, si bien es cierto se obtiene un costo bajo por unidad, se requiere en ocasiones un costo inicial de cierta magnitud para adquirir los moldes y matrices correspondientes, que son elementos sofisticados.

En el desarrollo de un prototipo no resulta conveniente fabricar moldes o matrices para tan solo unas pocas unidades, ya que el costo sería prohibitivo. Por esta razón ha surgido el concepto de Rapid Prototyping que es una tecnología que permite obtener una versión "económica" inicial (comparativamente hablando) de una pieza que posteriormente se obtendrá por métodos de fabricación en serie.

d) Rapid Tooling

La obtención de moldes y matrices, elementos que se usan ampliamente para la fabricación de piezas en serie tiene un alto costo, y su desarrollo requiere un tiempo importante. El concepto de Rapid Tooling busca principalmente reducir el tiempo de desarrollo de moldes y matrices basado en el uso de materiales no convencionales, aceptando en beneficio del tiempo que el costo pueda aumentar y/o la capacidad de la herramienta pueda disminuir.

e) CAD/CAM

9

Esta es la metodología basada en computador para generar programas de código CNC, los que permiten fabricar automáticamente piezas y partes en máquinas herramientas con CNC. Esencialmente es software que permite introducir de una manera fácil y expedita la geometría y materiales de la pieza junto con las herramientas que se pretende emplear. Con esta información el software genera automáticamente el código CNC para fabricar la pieza. Aún en el caso de piezas no tan complejas el largo de estos programas CNC puede ser bastante abultado.

f) Reverse Engineering

Se refiere a la capacidad de digitalizar piezas de geometría compleja formada por superficies libres o bien de naturaleza poco estructurada. El modelo digital se puede posteriormente procesar para los fines que se estime conveniente, ya sea fabricar en CNC, modificar el diseño, etc.

g) Concurrent Engineering

Se refiere a utilizar tecnología de computadores para mejorar el proceso de diseño, reduciendo el ciclo de diseño, reduciendo las probabilidades de errores, y organizando de mejor manera la información. Se puede trabajar en forma sistemática y robusta en aspectos de un diseño que se afectan entre sí.

h) Quality Function Deployment

Es una técnica desarrollada en Japón para determinar en forma cuantitativa y sistemática cuál es el verdadero valor del producto percibido por los usuarios a partir de la opinión de estos, de la comparación con la competencia y de la relación entre las características del producto.

6. El papel del computador en el Diseño

En la actualidad el computador se ha convertido en una herramienta poderosa para apoyar el proceso de diseño de un producto, lo que permite realizarlo en un menor tiempo y cubriendo más aspectos que antes. Recordemos que hoy existen una variedad de programas computacionales entre los cuales se incluyen las siguientes categorías:

A. Software Geométrico

n 2D para planos de fabricación

n 3D sólidos para diseño global:

- Sólidos

- Visualización

- Información Geométrica (masa, volumen, inercia)

- Verificación de Interferencia

B. Métodos Numéricos para el Diseño

10

• Elementos Finitos para Cálculo de Estructuras: Soportes

• Diferencias Finitas para Mecánica de Fluidos: Compresores, motores, martillos de impacto, bombas.

• Elementos Finitos para Circuitos y Dispositivos Electromagnéticos: Solenoides, motores, generadores

• Solución Numérica de Ecuaciones de Estado-Espacio (state-space): Dinámica de sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos.

C. Simulación de Sistemas

Se pueden considerar 3 alternativas para implementar la simulación de un sistema dinámico, particularmente un sistema mecatrónico, dada la existencia de un modelo matemático previamente derivado.

• Matlab: Presenta la ventaja de utilizar un lenguaje de programación fácil de aprender. El modelo matemático se programa de una manera directa y fácil. Además posee una biblioteca de funciones muy completa lo que evita tener que programar dichas funciones cuando se requieren. Las últimas versiones de este software también permiten implementar interfaces gráficas de excelente presentación. Es una herramienta de simulación ampliamente usada en la Ingeniería. Como desventaja tiene el hecho de que funciona interpretando los programas del usuario, vale decir estos programas no existen como código de máquinas sino que este se va generando a medida que se va ejecutando el programa. Para programas con mucho cálculo repetitivo esto se traduce en un tiempo de ejecución alto.

• Lenguaje C, C++ : Presentan la ventaja de ser lenguajes de amplia cobertura, existiendo numerosas empresas que ofrecen compiladores, en un amplio rango de precios y capacidades. Puesto que se genera código ejecutable en lenguaje de máquinas, las simulaciones se ejecutan en un tiempo considerablemente más breve. No obstante, en el caso de simulaciones normalmente se requiere mayor trabajo de programación pues las bibliotecas de funciones son más reducidas.

• Software de Aplicación (ad-hoc) : Corresponde a software comercial especializado para simular un sistema de tipo específico. El usuario debe ingresar la información básica y el software esta construido para ejecutar la simulación a partir de dicha información. A modo de ejemplo podemos mencionar que existe software de simulación de dinámica de mecanismos, software de simulación de circuitos eléctricos y electrónicos, software de simulación de circuitos hidráulicos y neumáticos, software de Elementos Finitos, etc. Su desventaja radica principalmente en el alto costo y en algunas ocasions en la falta de flexibilidad para incorporar condiciones especiales no contempladas originalmente. Existen paquetes de software que incoporan la posibilidad simular un mismo sistema bajo diferentes aspectos, incorporando una variedad de módulos cada uno especializado en un aspecto en particular.

11

6. ALGUNOS PROYECTOS DE DISEÑO A. VEHÍCULO DE NAVEGACIÓN AUTÓNOMA (Esquivel y Chiang, 2002, 1999, 1998; Lavanchy et al, 1997) Este proyecto consiste en el diseño y desarrollo de un vehículo de navegación autónoma. Actualmente se está terminando el desarrollo del hardware. Este se compone del cuerpo, cuatro ruedas independientes, 4 motores de tracción y 4 motores de dirección. Los motores son todos servo-controlados. Los circuitos de control y de potencia han sido desarrollados internamente. Se está comenzando a trabajar en el aspecto de comunicaciones remotas entre el computador móvil y el computador base. Además se está estudiando la incorporación de un brazo con garra prensil para la manipulación de objetos. El vehículo pesa alrededor de 50 kg. Es capaz de desarrollar una velocidad de 10km/hr. El total de la potencia desarrollada por los motores de tracción es de 0.5 HP. El largo del vehículo es 1 m, el ancho 60 cm, y la altura de 60 cm. Financiado por: Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica de la P. Universidad Católica de Chile.

B. FUTBOL ROBÓTICO (Martin y Chiang, 2002; Martin, 2001).

12

Este proyecto se encuentra actualmente en desarrollo. El objetivo es contar con una plataforma experimental para enseñar e ilustrar a los alumnos los problemas que se presentan para que un grupo de robots opere coordinadamente en pos de un objetivo común, en un entorno caracterizado por condiciones de borde cambiantes y eventos que se suceden asincrónica y estocásticamente. El financiamiento proviene de fondos internos del DIMM-PUC. FECHA : Desde 2001 C. CARRO DE MADEREO FORESTAL (Chiang, 2001) MANDANTE: SERVICIOS FORESTALES LA ALBORADA FECHA: Septiembre 1999 – a la fecha OBJETIVOS: Desarrollar un carro forestal para el madereo en ladera de cerro. Este carro se desplaza sobre un cable aéreo. El carro puede fijarse en una posición determinada mediante el accionamiento de un freno. Un segundo cable sirve para tirar el carro cerro arriba, el que es recogido mediante un winche. Este cable llamado cable de tiro se engancha con el carro mediante un segundo freno. Cuando se libera el freno del cable de tiro y se acciona el freno del cable aéreo, el extremo del cable de tiro cae hacia el suelo por efecto de la gravedad. Con el extremo de cable en el suelo se cuelgan a este estrobos amarrados a los troncos (rollizos) que se desea transportar cerro arriba. Este carro tiene la capacidad adicional de dar cable (de tiro) sin esperar que caiga por

13

gravedad lo cual produce un notorio aumento de productividad. El carro se controla a distancia mediante control remoto. Posee un motor estacionario para el funcionamiento de un compresor, de un generador y un sistema de dar cable. D. MANIPULADOR DE CATODOS MANDANTE: CODELCO-DIVISIÓN CHUQUICAMATA/CIMM FECHA: DICIEMBRE 1997/MARZO 1998 OBJETIVOS: Desarrollar un vehículo a control remoto capaz de trasladarse sobre las celdas electrolíticas de refinación. Este vehículo contiene dispositivos y sensores que permiten ayudar en la tarea de monitorear el proceso de refinación y en caso de detectarse un cortocircuito u otra anomalía se alza el cátodo para hacerle limpieza. El vehículo posee tres ruedas, es capaz de desplazarse a 2-3 km/hr. Usa 1 motor eléctrico para tracción trasera, 1 motor eléctrico para tracción delantera y un tercer motor para la dirección en la rueda delantera.

E. MÁQUINA TRANSFER PARA LA FABRICACIÓN DE BISAGRAS Descripción: Con el objeto de automatizar y optimizar los procedimientos de manufactura de la empresa Andes Caribbean Chile S.A., se diseñó y construyó una máquina transfer especializada en la fabricación de bisagras de bronce. La máquina es alimentada con perfiles de bronce, a partir de los cuales se obtienen las bisagras. Para la fabricación de una paleta de bisagra, la máquina consta de cuatro estaciones de mecanizado: la paleta se obtiene en la primera estación, en donde es cortada al largo requerido; luego pasa secuencialmente por las siguientes estaciones, en que se realizan las operaciones de taladrado, roscado, fresado, taladrado múltiple y finalmente descarga. Esta máquina tiene una capacidad de producción de 90 paletas/hora, y puede producir 4 modelos de bisagra. Financiado por: Andes Caribbean Chile S.A..

14

F. MARTILLO DE PERCUSIÓN NEUMÁTICO PARA PERFORACIÓN DE ROCAS (Chiang y Elías, 1999, 1998, 2000; Elías y Chiang, 2003, Chiang y Stamm, 1998) MANDANTE: DRILLCO TOOLS SA, Quilicura, Santiago FECHA: Desde 1994 a la fecha. OBJETIVOS: Desarrollar una metodología de diseño de martillos de percusión neumático que permita obtener un funcionamiento óptimo de estos equipos. Esta metodología ha permitido controlar las variables de operación del martillo para lograr una velocidad de penetración óptima dependiendo del tipo de roca que se está perforando. Las variables más importantes que se pueden controlar en un diseño son la frecuencia de impacto y la energía de impacto. Una combinación adecuada de ambos permite obtener la máxima velocidad de penetración para un determinado tipo de roca. Nuestra participación ha consistido en: a) desarrollo de software de simulación termodinámica b) desarrollo de software de simulación de trasmisión de onda de impacto c) implementación de banco de ensayos para validación experimental d) desarrollo de técnicas de procesamiento de datos experimentales e) desarrollo de software de optimización f) desarrollo de equipamiento periférico

Financiamiento FONTEC

15

G.- SILLA DE RUEDAS ELÉCTRICA (González, 1996)

Descripción: Se diseñó y construyó una silla de ruedas motorizada y autónoma, incluyendo el sistema de control para los motores de corriente continua, los que son manejados a través de un joystick. La silla es impulsada por dos motorreductores de corriente continua, uno para cada rueda, los cuales son controlados independientemente - de esta forma se pueden lograr giros muy cerrados, haciéndola ideal para lugares en los que hay poco espacio. La silla tiene un bajo peso y la capacidad de ser plegada, lo que facilita su transporte y almacenamiento. Financiado por: Departamento de ingeniería mecánica y metalurgia de la Pontificia Universidad Católica de Chile. H.- BRAZO ROBÓTICO ( Chiang et al, 1996; Camelio, 1995; Fernández, 1995)

Descripción: Se desarrolló y construyó un brazo robótico de configuración esférica con tres grados de libertad, basado en sistemas mecánicos lineales pivotados para operaciones punto a punto. El robot tiene un espacio de trabajo de 1 m^3, pudiendo mover una carga máxima de hasta 4 kg, con una velocidad máxima en la punta de 0,15

16

m/s. El control del brazo se basa en motores de corriente alterna del tipo "jaula de ardilla", controlados a través de variadores de frecuencia, los que a su vez son comandados por un computador central. La realimentación del sistema se realiza por medio de "encoders" ópticos incrementales. Además, se incorporó un programa computacional que permite no sólo controlar el robot, sino que también realizar las operaciones del sistema planificador de tareas. Este sistema planificador es el encargado de definir las trayectorias a seguir por la punta del brazo. Financiado por: Fundación Dictuc. I. MÁQUINA FRESADORA CNC (Maturana, 1993; Miranda, 1995)

Descripción: Se diseñó y construyó una fresadora CNC de sobremesa de tres grados de libertad, comandada por computador a través de un control numérico, también desarrollado en el departamento. La fresadora es capaz de tallar, cortar o grabar piezas de materiales como madera, aluminio, bronce y cera. Además se desarrollaron los programas FresCAD & FresCAM: FresCAD es un software de diseño asistido por computador, que cuenta con herramientas de dibujo necesarias para generar un modelo computacional de la pieza, el que luego es procesado por FresCAM para generar el código ISO de programación CNC. Financiado por: Departamento de ingeniería mecánica y metalurgia de la Pontificia Universidad Católica de Chile. J. MÁQUINA DE CORTE POR LÁSER CNC (Vadell y Chiang, 1999)

17

Descripción: Se diseñó y construyó una máquina de corte por láser. Ésta opera con un haz de láser fijo, el que es dirigido hacia una mesa X-Y en la que se monta la pieza de trabajo. Mediante un control CNC, también desarrollado en el departamento, y que es manejado a través de un computador personal, se pueden cortar las piezas diseñadas en el computador. Financiado por: FONDECYT 1940670: "Diseño y construcción de una máquina de corte por láser gobernada por computador". III. DISEÑO MECATRÓNICO 1. SISTEMA MECATRÓNICO A. Definición:

Un sistema mecatrónico comprende un sistema donde se integran tecnologías mecánicas, eléctricas, electrónicas e informáticas. El estudio de este tipo de sistemas debe abordarse en forma integrada para obtener mejores resultados, particularmente en lo que concierne a su diseño.

B. Ejemplos de Sistemas Mecatrónicos:

§ automóviles

§ electrodomésticos

§ aviones

§ robots

§ máquinas herramientas CNC

C. Exigencias del Diseño Mecatrónico:

El Diseño Mecatrónico presenta una exigencia adicional al Ingeniero Mecánico de hoy. Éste no solo debe dominar lo que podemos llamar el Diseño Mecánico clásico, vale decir dominar la Dinámica de Cuerpos Rígidos, la Resistencia de Materiales, la Mecánica de Fluidos y la Termodinámica Aplicada. Hoy por hoy, también debe añadir a su ámbito de conocimientos, los principios electromagnéticos, la electrónica digital y análoga, y la programación de computadores.

D. Requerimientos del Diseño Mecatrónico

Los siguientes son los requerimientos generales para realizar un proyecto Mecatrónico:

• Requiere formación básica en áreas no tradicionales de la Ingeniería Mecánica, particularmente electrónica de señales y de potencia, y computación tanto para el diseño como para el funcionamiento de los productos.

18

• Requiere conocimiento de los métodos y tecnologías asociadas a estas nuevas áreas.

• Requiere familiarización con las convenciones/normas de las nuevas disciplinas derivadas de éstas áreas.

• Requiere la capacidad de generar modelos matemáticos que se resuelven en forma numérica para simular el comportamiento del producto, particularmente en lo que respecta a la interacción de elementos basados en distintas tecnologías. La capacidad de modelar el régimen transiente es casi imprescindible para evaluar si se cumplirán requerimientos típicos para este tipo de productos, tales como: tiempo de respuesta, velocidad de operación, precisión de la posición, fuerzas de reacción máximas, etc.

Desde el punto de vista de la formación del Ingeniero Mecánico estos requerimientos se pueden satisfacer agregando cursos específicos de Electrónica, Control Automático, y Sistemas Digitales entre otros. Asimismo deberá existir un curso de programación de computadores en Lenguaje C/C++ orientado a aplicaciones e interfaces con el entorno. La integración de estos conocimientos se logra a partir de un curso de proyectos que debe realizarse a continuación.

Sin embargo la formación en Mecatrónica no es fácil, ya que significa agregar cursos a programas de estudio bastante sobrecargados. Habría que eliminar cursos. ¿Cuáles? Por otra parte, tampoco es posible considerar un alargamiento de la duración del programa de estudios considerando que la tendencia actual apunta en la dirección contraria. Esta situación ha hecho de que la Mecatrónica en el mundo o se ha consolidado como una disciplina paralela a la Ingeniería Mecánica, vale decir como un diploma distinto escindido de la Ingeniería Mecánica, o bien como en el caso de nuestra Universidad, se ha consolidado a nivel de posgrado como un área de especialización de la Ingeniería Mecánica.

2. El Papel Adicional del Computador en la Mecatrónica

Además de usarse como un elemento esencial del proceso de diseño y desarrollo del producto, también es cierto que es cada vez más frecuente encontrar computadores incorporados en el producto. Ello ha facilitado el control y supervisión de estos productos aumentando significativamente la capacidad de ellas tanto desde el punto de vista de la precisión así como de la velocidad de operación. Es común observar componentes tales como PLC, microprocesadores y computadores industriales en sistemas formados por mecanismos y/o transformadores de energía, sistemas que son tradicionalmente abordados por la Ingeniería Mecánica.

La incorporación de capacidad de proceso digital permite implementar estrategias de control y supervisión de variada naturaleza a partir de una misma configuración. Permite realizar control de posición y velocidad de una manera muy precisa y eficiente. Los robots y las máquinas CNC son básicamente mecanismos que no pueden funcionar si no es por el computador que hace el control de posicionamiento local y la coordinación de los actuadores.

19

3. EJEMPLO DE DISEÑO MECATRÓNICO A. DISTANCIÓMETRO LÁSER DE BAJO COSTO (Chiang et al, 2003; Wood, 2002)

• Sistema para hacer ingeniería inversa • Montado en un centro de mecanizado • Emplea la tecnología de triangulación por LÁSER-PSD, que permite medir

la distancia a un punto sobre una superficie. • El dispositivo láser barre el plano XY mientras se registra la distancia

instantánea a la superficie a digitalizar. • De este modo se obtiene una nube de puntos 3D correspondiente a dicha

superficie.

Figura. Principio de Triangulación Utilizado

20

Figura. Piezas de Prueba Obtenidas con el Sistema

2.- SISTEMA DE PESAJE AUTOMÁTICO Objetivos: Rediseñar un sistema de pesaje automático continuo para paquetes de fruta pequeños que será usado en packings de fruta para el control de pesaje del 100% de la producción. En particular se usará para la uva de mesa de exportación que se está exportando en paquetes pequeños (por ejemplo de 500 gramos) de peso garantizado.

21

B. Requerimientos de Diseño Los siguientes son los requisitos fundamentales del producto final a) Precio de Venta Máximo US$5.000 b) Carga Paquete Máximo 5 kg. c) Frecuencia de Pesaje >1800 unidades por hora d) Precisión ± 5 gr.

C. Configuración Actual

Estructura Perfiles de Acero Estructural Unidos por Soldadura y Plataformas de Acero Inoxidable

Cinta Transportadora

Motor Eléctrico Trifásico, Reductor Tornillo Sinfín, Polín de Tracción, Polín de Soporte, Polín de Tensión y Cinta.

Sistema de Pesaje

Pesa Electrónica Celda de Carga y Sistema de Comunicación RS232.

Cinta Transportadora

Motor Eléctrico Trifásico, Reductor Tornillo Sinfín, Polín de Tracción, Polín de Soporte, Polín de Tensión, Cinta.

Sistema de Rechazo

Módulo de Accionamiento

Neumático

Cilindro Neumático y Válvula.

Sistema de Coordinación y

Control

PLC

Módulo de Coordinación General, Módulo de Interpretación de Señales provenientes Pesa y Módulo de Comunicación a Sistema Central RS232.

D. Problemas del Producto Actual El modelo actual presenta los siguientes inconvenientes y desventajas: i). Aspectos Generales: n Los elementos mecánicos se desajustan con frecuencia n Falla frecuente de componentes mecánicos n Error frecuente en medición de peso n Requiere un esfuerzo de mantención frecuente y de alto costo por la distribución

geográfica de los clientes ii). Aspectos Específicos n El material de la cinta es muy sensible a la humedad n La ventana de tiempo de la medición de peso es muy corta

22

E. Enumeración de Características Positivas para Evaluación de Alternativas

Precio (Bajo-Alto) Económicas Costo de Repuestos (Alto-Bajo) Facilidad de Armar (Sencilla-Engorrosa) Facilidad de Desarmar (Sencilla-Engorrosa) Cantidad de Componentes (Alta-Baja)

Mantención

Operación continua sin fallas (Alta Frecuencia de Fallas-Baja Frecuencia de Fallas) Robustez Estructural (Sólido-Frágil) Velocidad de Operación (Alta-Baja) Precisión (Alta-Baja) Flexibilidad (Múltiples Aplicaciones-Aplicación Rígida) Funcionamiento (Suave-Ruidoso) Tamaño (Pequeño-Grande)

Capacidad

Consumo de Energía (Alto-Bajo)

Presentación (Buena-Mala) Forma (Sugerente-Anodina)

Diseño

Colores (Llamativo-Apagado) Operación por Usuario (Fácil-Compleja)

Facilidad de Configuración de Uso (Fácil-Difícil)

Sensibilidad al Ruido Electromagnético (Baja-Alta)

Sensibilidad de la Operación Normal a las condiciones medio-ambientales (Baja-Alta) Sensibilidad de la integridad de los componentes a la condiciones medio-ambientales (Baja-Alta)

Operación

Seguridad para el Operario (Alta-Baja) IV. CONCLUSIONES E HIPÓTESIS Nuestra Hipótesis es que para que un país pueda producir en forma competitiva productos manufacturados exportables, es necesario generar una fuerte capacidad de Diseño y Desarrollo de Productos, que abarque desde la concepción hasta la industrialización. De este modo las empresas pueden realmente introducir, en el debido momento, nuevos productos en mercados globalizados muy dinámicos. Para esto se debe articular un proceso o metodología adecuada a la realidad nacional, que sea replicable a un amplio grupo de productos, y que sea económico y rápido. El proceso contempla una serie de actividades, cada una de las cuales debe realizarse de una manera óptima empleando las herramientas tecnológicas más avanzadas disponibles,

23

que sean económicamente justificables. Fundamentalmente se debe hacer una labor de mejoramiento y adaptación de tecnologías disponibles y también la generar algunas soluciones innovativas, y de este modo articular un proceso que sea verdaderamente útil para las empresas. Los productos generados por la industria mecánica son cada vez más complejos, más óptimos, y más efectivos por la incorporación de tecnologías no tradicionales de la ingeniería mecánica, tanto para el diseño como para la operación de los productos. Particularmente nos referimos a incorporación de la electrónica y la computación, lo que plantea un nuevo desafío para los ingenieros mecánicos hacia el futuro. V. BIBLIOGRAFÍA Acar, M. & Parkin, Robert M. (1996) “Engineering Education for Mechatronics”, IEEE

Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, No. 1, pp106-112 Armando Arioti, Claudio Fantozzi , Massimo Granchi y Enrico Vettori, Luciano E.

Chiang S., “Metodología para la integración de la tecnología de grupo en un Sistema CAPP", Actas IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica-CIDIM'99, Universidad de Santiago. Vol.2, Mecánica de Sólidos. Santiago, Chile. Noviembre, 1999.

Biason, M. (1996) “Metodología de Fabricación de Objetos de Geometría Compleja en Máquinas CNC de 3 Ejes”, Tesis de Magister, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

Camelio, J. (1995) “Planificación y Control de Trayectorias de un Brazo Robótico de Tres Grados de Libertad con Uniones Robóticas Actuadas por Motores AC tipo Jaula de Ardilla”, Tesis de Magister, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

Castro, C. (1995) “Desarrollo de un Actuador Lineal con Control Digital”, Tesis de Magister en Desarrollo, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

Chiang, L. & Elías D. "Modelación y simulación del impacto DTH y caracterización de la curva fuerza-deformación de la roca". Actas IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica-CIDIM'99, Universidad de Santiago. Vol.2, Mecánica de Sólidos. Santiago, Chile. Noviembre, 1999.

Chiang, L. & Elías, D. “A study on the thrust effect in the stress wave propagation in down-the-hole rock drilling”. 4th World Congress on Computational Mechanics, IACM, Vol.2. pp 1063. Buenos Aires, Argentina. June, 1998.

Chiang, L. “Low Cost Automation of a Cable System for Timber Harvesting”, 6th IFAC Symposium on Cost Oriented Automation, TU-Berlin, October 8-9 2001

Chiang, L.E., Fernández N., José & Camelio R. (1996), “Diseño, Fabricación y Control de un Brazo Robótico para Aplicaciones Pick & Place”, Revista CIMIN, No. 61, pp 4-7

CHIANG, LUCIANO & ELÍAS, DANTE, "Modeling Impact in DTH Rock Drilling", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciencies, Vol. 37, pp 599-613, 2000

CHIANG, LUCIANO & JACOB, JORGE, "Low cost sun-tracking photovoltaic panel", International Journal of Mechanical Engineering Education, Vol. 26, No.4, pp 293-302, 1998

24

CHIANG, LUCIANO & STAMM, EUGENIO, "Design Optimization of Valveless DTH Pneumatic Hammers by a Weighted Pseudo-Gradient Search Method", ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 120. No 4, pp 687-694, 1998

CHIANG, LUCIANO, "Análisis Dinámico de Sistemas Mecánicos", Ediciones AlfaOmega, Ciudad de Méjico, Méjico, 350 pp, 1999

ELÍAS, D. & CHIANG, L. “Dynamic Analysis of Impact Tools by using a method based on Stress Wave propagation and impulse-momentum principle”. ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 125, Issue 1, pp131-142.

ESQUIVEL, W. & CHIANG, L. “Non-Holonomic Path Planning Among Obstacles Subject to Curvature Restrictions”, Robotica,Vol 20, No.1, pp 48-58, 2002

Esquivel, W. y Chiang, L. “Control Cinemático del Vehículo AGV-PUC”. VIII Congreso Latinoamericano de Control Automático - XIII Congreso de la Asociación Chilena de Control Automático, Viña del Mar, Chile, Vol 2, pp 463-468, noviembre 1998

Esquivel, Wilson y Chiang, L. “Planificador de Trayectorias a Través de Obstáculos Poligonales”. Cuarto Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica CIDIM 99, Santiago de Chile, 23-26 de noviembre 1999, vol 2.

Fernández, J., (1995) “Desarrollo de Un Brazo Robótico de Configuración Esférica con Tres Grados de Libertad, Basados en Sistemas Mecánicos Pivotados”, Tesis de Magister, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

González, M.A. (1996) “Diseño y Construcción de una Silla de Ruedas Autónoma con Control Electrónico”, Memoria de Ingeniero Civil, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

Hewit, J.R. & King, T.G. (1996) “Mechatronics design for Product Enhancement”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics”, Vol.1, N.2, pp111-119

Kaynak, M. (1996) “The Age of Mechatronics”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, No. 1, pp2-3

Kyura, N. (1996) “ The development of a controller for Mechatronics Equipment”, ”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, No. 1, pp30-37

Lavanchy, J., Esquivel, W., Elías, D. & Chiang, L. “Desarrollo de un Robot Móvil: Avances y Tópicos Futuros”, Anales XVI Congreso Panamericano de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines, Vol. 2, Santiago, 28/09 al 03/10 de 1997, pp 23-28

Martin, J. F., (2002) “Sistema de Visión de Bajo Costo para Robots Móviles”, Tesis de Magister, Depto. Ing. Mecánica, PUC de Chile

MARTIN, J. FRANCISCO & CHIANG, LUCIANO, "Low Cost Vision System for an Educational Platform in Artificial Intelligence and Robotics", Computer Applications in Engineering Education, Vol. 10, pp 238-248, 2002.

Maturana, F. (1993) “Diseño, Construcción y Programación de una fresadora CNC”, Memoria de Ingeniero Civil, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.

Miranda, G. (1995) “Desarrollo de un sistema CAD/CAM bajo Windows para el control de una máquina fresadora”, Tesis de Magister, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile

REYES, J. FERNANDO, y CHIANG, L., "Image-to-space path planning for a SCARA manipulator with a single color camera", Robotica, accepted for publication

VADELL, JAIME & CHIANG, LUCIANO, "Stepping Motor Driving by Controlled Energy Discharge", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 46, No. 1, pp 52-60, 1999

25

Wood, Guillermo (2002), “Diseño y Desarrollo de Escáner Láser3D para Trabajos de Ingeniería Inversa”, Memoria de Ingeniero Civil, Depto. Ing. Mecánica, P. Univ. Católica de Chile.