Diseño mecatrónico.

 

Profesores:

 

Ing. Serafín Castañeda Cedeño. sera_castaneda@yahoo.com.mx

CDMIT, Sala de proyectos.

Ofrecer al alumno un panorama amplio de las disciplinas de la ingeniería necesarias y sus interacciones, para lograr el desarrollo de productos de innovación y desarrollo tecnológico a través de la integración en un diseño mecatrónico, basado en las metodologías y herramientas de vanguardia para la solución de problemas.

Objetivo del curso.

1. Introducción al diseño mecatrónico.2. Diseño mecánico.3. Diseño electrónico.4. Control. 5. Proyecto integral.

◦ Horario de asesoría.◦ Viernes 12:00-14:00 hrs.◦ Lunes y miércoles: teoría◦ Viernes: Laboratorio.

Temario.

  

Bibliografía.CROSS, NigelEngineering Design Methods2nd editionJohn Wiley & Sons. 1997

FRENCH, VierckDibujo de IngenieríaMéxicoMc Graw-Hill, 1981.

AYALA, ÁlvaroNormas de dibujo. Laboratorio de Ingeniería Mecánica Asistido por ComputadoraMéxico,Facultad de Ingeniería. UNAM, 2003.

ALACIATORE, DavidIntroduction to Mechatronics and Measurement System 3th editionMcGraw-Hill, 2007.

ERONINI-UMEZ-ERONINIDinámica de Sistemas y ControlThomson, 2001.

NECSULESCU, DanMechatronicsPrentice Hall, 2002.

Prácticas (8-10) 3 pts.Prototipo

i. Funcionamiento 50%ii. Presentación25%iii.Documentación 25%

Planos o informesi. Presentación (limpieza, organización, distribución, etc.) 50%ii. Documentación (información de valor) 50%

2 proyectos. 4 pts. Exámenes. (3) 3 pts.

Todos los trabajos deberán se entregados en hojas tamaño carta.

Evaluación

Se formarán solo 8 equipos entre los alumnos inscritos asignados aleatoriamente.

No se reciben prácticas y/o proyectos atrasados.

Generales:

El proyecto mecatrónico debe contener bien identificadas las partes de la ingeniería mecánica, electrónica, de control y computación que lo componen, aunque estas no se encuentren bien acotadas en el contexto del proyecto en general.

Definición del proyecto mecatrónico.

1. Sistema de posición X, para tiro parabólico2. Péndulo invertido ó Scanner 3D

Descripción de los proyectos de integración

La naturaleza del diseño.

“Todo lo que una persona pueda imaginar, otras podrán hacerlo realidad”. Julio Verne.

CLASE 1. INTRODUCCION“Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronics and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes”.

Mecatrónica, termino concebido en Japón en los años 70´s y se ha adoptado por productos “inteligentes”, en realidad es una evolución natural del proceso moderno del diseño en ingeniería.

¿Qué es mecatrónica?

CONTROL ELECTRONICA

MECÁNICA SOFTWARE

PRODUCTO MECATRONICO

Video ejemplo

Actuadores

Acondicionador de señal de

entradaSensores

ControlAcondicionador de señal de

salidaInterfaz

Sistema mecánico

Tarea No.1 Lavadora doméstica.

a) Describa detalladamente el proceso de funcionamiento.

b) Realice una descripción de partes y componentes del sistema mecánico, electrónico y de control con los que cuenta.

DISEÑO

No requiere de habilidades especialesNo es indispensable. Diseño = Fabricación

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.

FabricaciónDiseño

Industria electrónica

Años Minutos/horas

Muchas veces se comienza desde el final, desde que el diseño se ha concluido, por eso es mejor realizar una descripción del artefacto que se va ha trabajar (formas, dimensiones, materiales, colores, etc.).

Lo simple es más hermoso La ley de Murphy se cumple inexorablemente No existe el diseño óptimo sino buenos diseños (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda, componentes estándares

disponibles en el comercio. Toda proyección de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta. El proceso de diseño define tanto como el 70% del costo del

producto pero solo contribuye con una fracción muy menor de este. El usuario del producto siempre hará todo lo necesario para

malograrlo. Que funcione el prototipo es lo más fácil, que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta. La operación del producto debe ser fácil, ojalá a prueba de tontos.

Postulados esenciales del diseño.

“Una gran cantidad del diseño de ingeniería es intuitivo, basado en el pensamiento subjetivo. Sin embargo, un ingeniero no se conforma con esto. Un ingeniero desea probar; probar y medir. Así como ha sido formado y no está contento si no puede probar algo. Por otra parte, un diseñador industrial, con su formación en la escuela de artes, está totalmente conforme haciendo juicios que son intuitivos”.

Richard Stevens. Diseñador Industrial.

Sensores.

Un sensor es un elemento en un sistema mecatrónico que detecta la magnitud de un parámetro físico y lo cambia por una

señal que puede procesar el sistema.

Medición deposición y velocidad.

Interruptores de limite de carrera ó de proximidad.o Interruptores mecánicos.o Inductivos.o Capacitivos.o Corriente parásita (Eddy)o Ópticos:

Alineación en modo opuestoRetrorreflectormodo de proximidad (difuso)

Sensores ópticos

Resistivos (Potenciómetro)

•No lineales.•Resolución??•Variaciones con respecto a T.•Fuerza para provocar movimiento.

Transductor para medir el desplazamiento lineal. Los voltajes se inducen en la bobina secundaria.

Existe un punto medio en la posición del núcleo donde e voltaje inducido en cada bobina es de la misma amplitud y 180° fuera de fase, lo que produce una salida “nula”.

Conforme el núcleo se mueve desde la posición nula, la amplitud aumenta una cantidad proporcional.

Transformador Lineal Diferencial Variable (LVDT)

Dispositivo que convierte movimiento en una secuencia de pulsos digitales.

Codificador óptico digital.Encoder

2-3-1-01-3-2-0

Video

Codificador óptico digital.Encoder

Video ejemplo.Demostración encoder LabVIEW

Criterios de selección.

Acondicionador de señal

Diseñar un encoder incremental con cuadratura 1X con una resolución de al menos 5°, mostrando el incremento y decremento de la posición un display. (LCD-7segmentos).

Entregar plano informativo del disco-bujes, etc. Conseguir dos motores de DC iguales para

realizar un levantamiento del sistema mecánico. Planos de ensamble del sensor/cable/soporte. Diagrama eléctrico del circuito (software).

Práctica No.1

Acondicionamiento de señal.

Acondicionamiento de señal.

AmplificaciónLos amplificadores aumentan el nivel de la señal de entrada para igualar el rango del convertidor analógico a digital (ADC), y de esta manera aumentar la resolución y sensibilidad de las medidas. Además el usar acondicionamiento de señales externo ubicado cerca del la fuente de señal o transductor, mejora el ratio de señal-a-ruido elevando el nivel de señal antes de se vea afectada por el ruido ambiental.

AtenuaciónAtenuación, el opuesto de amplificación, es necesario cuando los voltajes que serán digitalizados están fuera del rango de entrada del digitalizador. Esta forma de acondicionamiento de señales disminuye la amplitud de la señal de entrada de tal manera que la señal condicionada está dentro del rango ADC. La atenuación es necesaria para medir altos voltajes..

AislamientoLos dispositivos de acondicionamiento de señales aislados pasan la señal de su fuente al dispositivo de medida sin una conexión física usando técnicas de transformador, ópticas o de acoplamiento capacitivo. Además de romper los lazos de tierra, el aislamiento bloquea picos de alto voltaje y rechaza alto voltaje en modo común y así protege a los operadores y el valioso equipo de medida.

MultiplexadoCon el multiplexado un sistema de medida puede enrutar en secuencia múltiples señales a un solo digitalizador además de brindar una manera rentable de incrementar la cuenta de canales del sistema. Normalmente se necesita multiplexado para todas las aplicaciones de muchos canales..

FiltradoEl filtrado rechaza ruido no deseado dentro de un cierto rango de frecuencia. Casi todas las aplicaciones de adquisición de datos están sujetas a ciertos niveles de ruido de 50 ó 60 Hz producidos por líneas de potencia o maquinaria. La mayoría de los acondicionadores de señales incluyen filtros de paso bajo específicamente diseñados para brindar máximo rechazo de ruido de 50 a 60 Hz.

ExcitaciónAlgunos transductores requieren de excitación. Por ejemplo, galgas extensiométricas, termistores y RTDs requieren señales externas de excitación de voltaje o corriente. Las medidas de RTDs y termistores generalmente se toman con una fuente de corriente que convierte la variación en resistencia a un voltaje que puede ser medido. Las galgas extensiométricas, que son dispositivos de muy baja resistencia, generalmente son usadas en la configuración de puente Wheatstone con una fuente de excitación de voltaje.

Compensación de unión fríaLa compensación de unión fría es una tecnología que se requiere para medidas exactas de termopares. Cada vez que un termopar es conectado a un sistema de adquisición de datos, usted debe saber la temperatura que hay en el punto de conexión (ya que esta unión representa otro "termopar" al medir y generamente inyecta un desfase a su medida) para calcular la temperatura real que su termopar está midiendo.

Acondicionador de señal para un LVDT

Filtro pasobajas

Acondicionador de señal para un interruptor mecánico.

Cual sería el mejor acondicionador de señal para una celda de carga (strain gauge) con resistencia nominal de 3000 Ohms y quiere ser conectado al DAC de un microcontrolador el cual puede realizar conversiones de 0-5 Volts.

Ejemplo:

Strain Gauges, son dispositivos semiconductores en los cuales la resistencia varia con la deformación.

GF = (ΔR/R)/(ΔL/L) = (ΔR/R)/εEl factor de medida GF para los Straing Gauges más comunes, es de GF=2.

Es claro que cuando la relación de R1/R2=R3/R4 el voltaje de salida es cero.Si estas condiciones se cumplen se dice que el puente esta balanceado.Cualquier cambio en alguna de las resistencias provocara un voltaje diferente de cero en las terminales del puente.

¿ Y después del puente?

Actuadores

Actuadores

Diagrama funcional del actuador

Sistema Mecatrónico

Actuadores

Motores eléctricos. Clasificación.

Se usan en gran cantidad de diseños mecatrónicos debido a las características torque-velocidad que se pueden lograr con diferentes configuraciones elécticas.

Imán permanente Devanado Shunt Devanado en serie Devanado compuesto.

Motores de DC

Tm=Kt*Im

Tm: torque del motorIm: corriente en el motorKa: constante de torque

Vm=Ka*m

Vm: voltaje en el motorm: velocidad angular del motorKa: constante eléctrica del motor

Para un motor de DC

Dadas las siguientes especificaciones del fabricante de un motor de DC ¿ Cuál es la velocidad nominal, la corriente crítica, el torque de nominal y la potencia máxima del motor para un voltaje aplicado de 10 V?

Constante de torque= 0.12 Nm/A Constante eléctrica = 12V/1000 rpm Resistencia de armadura=1.5 Ohms

Ejemplo:

¿El motor se arrancará y acelerará los suficientemente rápido?

=(Tmotor-Tcarga)/J ¿Cuál es la máxima velocidad que puede producir el motor? ¿Cuál es el ciclo de trabajo operativo? Ton/Toff ¿Cuánta potencia requiere la carga? ¿Qué fuentes de potencia esta disponible? CA,CD ¿Cuál es la inercia de carga? ¿La carga se impulsará a velocidad constante? ¿Se requiere control preciso de posición ó velocidad? ¿Se requiere una transmisión o engranaje? Motorreductor ¿Es necesario invertir el motor? ¿Existen restricciones de tamaño y peso? ¿Costo?

Selección de un motor.

Para cada una de las siguientes aplicaciones ¿Cuál sería una buena elección de un motor eléctrico? Justifique su elección contestando de ser posible las preguntas anteriores.

◦ Articulación de brazo robótico para la colocación de chasis en una línea de producción de vehículos.

◦ Ventilador doméstico de techo ◦ Carretilla eléctrica (construcción)◦ Sierra circular (carpintería)◦ Fresador universal CNC◦ Grúa eléctrica (2 Toneladas)◦ Actuador de cabeza disco duro◦ Limpiaparabrisas de vehículo◦ Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco.◦ Lavadora de ropa (con aspas de agitación).

Tarea No. 2:

Control de un motor

Modos de funcionamiento de un motor de D.C.

Vm ó

Im ó T

2do

1er

3 er

4to

Etapas de potenciaAcondicionadores de salida.

Amplificadores Básicos

TBJ FET

IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores .

Circuitos excitadores para motores.

Circuitos excitadores para motores.

Simulación

Circuitos excitadores para motores.

Circuitos excitadores para motores.

Amplificadores operacionales

Circuitos excitadores para motores.

Amplificadores operacionales

Circuitos excitadores para motores.

Amplificadores operacionales

Circuitos excitadores para motores.

Amplificadores operacionales para amplificar corriente con fuente dual.

Circuitos excitadores para motores.

Amplificadores operacionales para amplificar corriente con una sola fuente.

Técnica tradicional. Rampa-Comparador Generador de PWM.

Circuitos para generar una señal de PWM.

Ejemplo PWM

Métodos para variar el nivel de voltaje.

Realizar un circuito PWM (0-100%) y una etapa de potencia para variar la velocidad de un motor de DC.

Acoplar el encoder realizado en la práctica No.1, para medir las r.p.m, utilizando el osciloscopio.

Entregar: Circuito funcionando, diagramas de conexión y planos del motor-soporte-encoder.

Práctica No. 2

ConvertidoresDAC y ADC.

La mayoría de los controladores son implementados en dispositivos digitales:MC, computadoras, etc.

Al tratarse de un dispositivo digital necesitamos de dos dispositivos muy importantes:

Introducción

SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DACADC

Convertidor DAC R-2R

Para ingresar datos analógicos a un circuito digital, estos se deben transformar en valores digitales codificados.

1.Evaluar numéricamente la señal en instantes discretos muestreo y obtener una señal digitalizada.

Introducción.

Tiempo

VoltajeSeñal analógica

Señal digitalizada

Punto muestreado

¿Qué tan rápido se debe muestrear?

Este teorema dice que es necesario muestrear una señal a una tasa de más de dos veces la componente de frecuencia máxima de la señal: fs>2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo y el límite en la tasa mínima requerida (2fmax) se llama frecuencia Nyquits.

Teorema de Shannon ó teorema de muestreo.

Si una señal se muestrea menos de dos veces su componente de frecuencia máxima puede resultar un “aliasing” de la señal.

Efecto “Aliasing”

La conversión analógico digital, involucra la concepción de dos pasos: cuantización y decofificación.

La cuantización es la transformación de una entrada analógica continua en un conjunto de estados de salida discretos.

La decodificación es la asignación de una palabra ó número digital a cada estado de salida.

Teoría de cuantización

Conversión analógica a digital

7 111                

6 110  

5 101  

4 100  

3 011  

2 010  

1 001  

0 000  

estado de salida

código de salida

0-1.25 1.25-2.5 2.5-3.75 3.75-5 5-6.25 6.25-7.5 7.5-8.75 8.75-10

    RANGOS DE VOLTAJE ANALÓGICO

RESOLUCIÓN.

Los siguientes componentes deben seleccionarse apropiadamente y aplicarse en esta secuencia para convertir una señal analógica:

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retención Convertidor analógico a digital Procesador

Conversión analógica a digital.

sensor amplificador filtro ADCMuestreo PROCESADOR

ADC de aproximaciones sucesivas

Unidad de control

Registro de aproximaciones

sucesivas

Latch

D/A

S&H

com

para

dor

endstart

Salida digital

Entrada analógica

Actuadores

Acondicionador de señal de

entradaSensores

ControlAcondicionador de señal de

salidaInterfaz

Sistema mecánico

Diseño de Circuitos electrónicos.

Realizar el esquemático

Simulación del circuito

Prueba del circuito en protoboard

Perturbaciones

Circuito en tarjeta

perforada (wirewrap)

Ajustar dimensiones, tamaño de cables,

distribución de componentes, encapsulado,

disipadores de calor, etc.

Perturbaciones

Diseño del PCB

Fabricación del PCB

Pruebas finales

Esquemático.Seleccionar componentes con número comercial/no genéricos.Etiquetas en todos los componentes y valor del componentes (Resistencias, capacitores, etc.)Distribución adecuada de todos los componentes.Selección del Fooprint

Footprint

PIN2

BAT-2

BCY-W3

DIP-8

RAD-0.2

AXIAL-0.3

DIP-16

HDR1X2H

HDR2X3

HDD1X7

MBFM-P4

TO-220

Coloca las entradas del circuito por un lado y las salidas por otro.

La alimentación del circuito tienen que estar separada.

Utiliza conectores de una sola posición para las señales.

Nuca combines las señales de control y señales de potencia en un solo cable.

Utiliza diferentes anchos de pista según el tipo de señal.

Alimenta los actuadores con una fuente de poder diferente a la del circuito de control.

Recomendaciones

PCB´s

•Una o dos capas•True hole•Reglas: ancho de la pista, separación entre las pistas•Malla

Finales

Imprimir los “finales” en fotolitos, hojas azules, acetatos, revistas. Limpiar correctamente la placa de cobre con agua y jabón (fibra). Para las hojas azules, acetatos, revistas, etc. Colocar el final sobre la

placa de cobre y colocar una plancha caliente sobre ella. Esperar a que se transfiera las líneas del circuito. En un recipiente de plástico colocar el ácido para revelar el circuito

(acido muriático y cloruro férrico). De ser posible calentar unos 10 ó 20 ° C el acido para que el relevado

sea más rápido. Mover continuamente el ácido en el recipiente de un lado a otro. Sacar la placa de cobre, limpiar nuevamente con agua y jabón para

quitar residuos de la transferencia. Verificar continuidad en las pistas. Marcar con una punta los centros de los agujeros. Barrenar cada agujero. Montar componentes.

Procedimiento tradicional para hacer un PCB

Protocolos de comunicación RS232-RS485 Tramas de información Rutinas para convertir Código ASCII - HEX Códigos de detección de error Comunicación RF

Comunicación por RS232

Códigos de detección de error.

Al transmitir algún datos por un dato de comunicación, los datos puedenSer corrompidos por el ruido, provocando que la información transmitida cambie.

¿Será posible detectar el dato corrompido?.....¿ Será posible corregirlo?

En la práctica, un canal de comunicación está sujeto a una a diversidad de perturbaciones que resultan en una distorsión del mensaje que se está trasmitiendo

En la mayoría de las aplicaciones el canal de comunicación está limitado a un alfabeto valuado de manera binaria cuyas señales se pueden denotar como 0 y 1. Un canal así se llama canal binario.

Por ejemplo, si se requiere transmitir las letras del alfabeto [A,B,C,D,E,F,G,H], estas se pueden codificar en formato binario de la siguiente forma:

 

Codificación

Código original  Símbolo 

000 A

001 B

010 C

011 D

100 E

101 F

110 G

111 H

Por ejemplo si la secuencia 000 para A se cambia por ruido a 100 entonces se identificará como 100, entonces, se decodificará como E.

Se modificará ahora el código al añadirle el dígito extra o redundante a cada secuencia de 3 bits, este dígito de más (paridad) ,se escoge para que sea 1 si la suma de los tres dígitos del código original es impar; si no sucede así, se escoge para que sea 0.

Agregar información para codificar errores

Símbolo Código original

Códigoredundante

A 000 0000

B  001 0011

C  010 0101 

D  011 0110

E  100 1001 

F  101 1010

G  110 1100

H  111 1111

Un error sencillo en una secuencia de código en particular produce otra secuencia que no pertenece al código. Por ejemplo, la secuencia de código 0000 para A se podría transformar por el ruido en cualquiera de las secuencias 0001, 0010, 0100, 1000. Ninguna de estas secuencias resultantes aparece en el código y de inmediato se detecta un error.

Un error en un dato binario se define como un valor incorrecto en uno más bits.

Un ERROR SIMPLE es un valor incorrecto en un solo bit.

Un ERROR MULTIPLE se refiere a la existencia de uno o más bits incorrectos.

Se transmiten 7 bits:

4 para la información: I3,I2,I1,IO3 para paridad: P2,P1,P0 la paridad se define como 0: número de 1´s par1: número de 1´s impar

Corrección de errores, utilizando código Hamming (4bits)

7 6 5 4 3 2 1

I3 I2 I1 P2 I0 P1 P0

P2=paridad de los bits 7,6,5=bit4P1=paridad de los bits 7,6,3=bit2P0=paridad de los bits 7,5,3 =bit1

Para detectar el bit que genero el error.

7,6,5,4=47,6,3,2=27,5,3,1 =1

Paridad en los bits, define el peso del bit de error.

Paridad impar=1Paridad par = 0

Por ejemplo la paridad de todos los números:7,6,5,4= impar=17,6,3,2=impar=17,5,3,1= impar=1Define los pesos en 4-2-1= 7=== error en el bit 7

Por ejemplo la paridad de todos los números:7,6,5,4= par=07,6,3,2=impar=17,5,3,1= impar=1

Define los pesos en 2-1= 3=== error en el bit 3

Se quiere transmitir el siguiente dato: 1011, la trama que llego es: 1110101 ¿Cuál es el bit que tiene el error? y ¿Cuál es la trama que se transmitio?

Ejemplo:

Tramas de información en comunicación sistemas de comunicación.

Maestro Esclavo

Trama de información

La trama ó protocolo de información, puede ser definida por el usuario, con el número de bits ó bytes que necesite transmitir.

Se puede definir los siguientes bytes para trasmitir información entre dos dispositivos: Maestro:PC y esclavo MC.

Por ejemplo.

Fuente

Destino

Bytes comando

Dato 0 Dato 1 Dato 2 CRC

Fuente: 01 PC-02 MCDestino: 01 PC-02 MCBytes: Número de bytes a transmitir COMANDO + DATOSComando: 01 MOVER, 02 APAGAR, 03 ENCENDER, 04 LEER POSICION, EE: ERROR, CC: o.k.Dato 0: 01 ACTUADOR1, 02: ACTUADOR2Dato 1:valor del comando (00-FF)CRC= FTE xor DESTINO exor BYTES exor COMANDO xor DATOS+1

Ejemplo de tramas Fuente: 01 PC-02 MC Destino: 01 PC-02 MC Bytes: Número de bytes a transmitir COMANDO + DATOS Comando: 01 MOVER, 02 APAGAR, 03 ENCENDER, 04 LEER POSICION, EE: ERROR, CC: o.k. Dato 0: 01 ACTUADOR1, 02: ACTUADOR2 Dato 1:valor del comando (00-FF) CRC= FTE xor DESTINO exor BYTES exor COMANDO xor DATOS+1

Ejemplo1:◦ Se transmite 0102030101FFFF: La PC comanda al MC 3 bytes: mover el actuador

1, FF grados◦ Respuesta: 020101CCCE: El MC responde con 1 byte CC=O.K.

Ejemplo2:◦ Se transmite 010202040207: La PC comanda al MC 2 bytes: leer la posición del

actuador 2◦ Respuesta: 020101AAA8: El MC responde con 1 byte AA= valor de la posición.

Código CRC

Estructura de tareas

Es importante considerar cual es la arquitectura del sistema que queremos diseñar y poder definir la tarea que debe realizar cada parte del sistema.

Definición.

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

ESTRUCTURA DE TAREAS (CALENTADOR).

ESTRUCTURA DE TAREAS (TOSTADOR).

ESTRUCTURA DE TAREAS .

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

HARWARE

SOFTWARE

PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL CONTROL:

Determinar una

configuración del sistema.

Transformar el

sistema físico en diagrama

Obtener el modelo

matemático como

una función de transferenc

ia o en variable de

estado.

Diseñar el controlador y probar para

ver si cumple con los

requerimientos.

Analizar el sistema modelo para obtener las especificaciones

.

El proceso de Diseño.Sueña, construye y disfruta.

La actividad esencial del diseño es la producción de una descripción final del artefacto.

Realizar dibujos. Anotaciones adicionales. Lista de partes y/o componentes.

Comunicación de los diseños (bitácoras de diseño).

Modelo sencillo de cuatro etapas de diseño.

EXPLORACION

GENERACION

COMUNICACION

EVALUACION

Modelo de French del proceso de diseño.

Necesidad

Análisis del problema

Planteamiento del problema

Diseño conceptual

Esquemas Seleccionados

Representación de los esquemas

Desarrollo de detalles

Dibujos de trabajo, etc.

En análisis del problema es una parte pequeña pero importante del proceso global. El resultado es un planteamiento del problema, y éste puede tener tres elementos:

1. Un planteamiento del propio problema de diseño.

2. Las limitaciones que se imponen a la solución, por ejemplo: normas, restricciones, fechas terminación, etc.

3. El criterio de excelencia hacia el que se va ha trabajar.

Diseño conceptual: Genera soluciones amplias, en forma de esquemas. Fase donde se conjuntas las ciencias de la ingeniería, el conocimiento práctico y es donde se toman las decisiones mas importantes.

Dar forma a los esquemas: Se trabajan con mas detalle, y se realiza una selección en caso de que haya más de uno. El producto es un conjunto de dibujos del sistema general.

Desarrollo de detalles: Ultima fase donde quedan por decidir muchos puntos pero importantes. Demanda mucha habilidad y paciencia.

Herramientas

Investigación

Fundamentación

Análisis: Elaborar un lista de todos los requisitos diseño y la reducción de éstos a un conjunto completo de especificaciones.

Síntesis: Encontrar soluciones posibles para cada especificación y desarrollar diseños completos a partir de estos.

Evaluación. Evaluar con exactitud con la cual los diseños alternativos satisfacen los requisitos de rendimiento para la operación, manufactura y ventas antes de seleccionar el diseño final.

Modelo ó metodología de diseño.

Análisis Síntesis Evaluación

Modelo de Pahl y Beitz del proceso de diseño.

Solución

Clarificar la tareaElaborar la especificación

Especificación

Identificar los problemas esencialesEstablecer las estructuras de las funciones

Buscar principios de solución.Combinar y confirmar en variantes de conceptosEvaluar contra los criterios técnicos y económicos

Concepto

Desarrollar arreglos preliminares y diseños de formaSeleccionar los mejores arreglos preliminares

Refinar y evaluar contra los criterios técnicos y económicos

Arreglo preliminar

Finalizar los detallesCompletar los dibujos de detalles y los documentos de producción.

Verificar todos los documentos

Arreglo definitivo

Optimizar y completar los diseños de formaVerificar si hay errores y la eficacia en costos

Preparar la lista de partes preliminares y documentos de producción

Info

rmaci

ón:

Adapta

r la

esp

eci

fica

ción

.

Actualizar y

mejorar

Tarea

Documentación

Clarificación de la tarea

Diseño Conceptual

Diseño para dar forma

Diseño de detalles

Modelo desarrollado en Alemania (VDI: Verein Deutscher Ingenierue). Enfoque sistemático para el diseño de sistemas técnicos y productos.

El proceso de diseño, como parte de la creación de un producto, se subdivide en etapas de trabajos generales, haciendo que el enfoque de diseño sea transparente, lógicamente ordenado e independiente de una rama específica de la industrial.

Modelo VDI 2221

Clarificar y definir la tarea.1

Determinar las funciones y sus estructuras

2

Buscar principios de solución y sus combinaciones

3

Dividir en módulos realizables4

Desarrollar arreglos de los módulos claves5

Completar el arreglo general

6

Preparar las instrucciones de operación y de producción7

Tarea

Realización Adicional

Especificación

Estructura de funciones

Solución principal

Arreglos preliminares

Estructura del modelos

Arreglo definitivo

Documento del producto

ETAPAS

RESULTADOS

PROBLEMA GENERAL

SOLUCION GENERAL

PROBLEMAS SECUNDARIOS

SOLUCIONES SECUNDARIAS

CLARIFICACION DE OBJETIVOS

ESTABLECIMIENTO DE FUNCIONES

FIJACION DE REQUERIMIENTO

S

DETERMINACIONDE LAS

CARACTERISTICAS

GENERACION DE ALTENATIVAS

EVALUACION DE ALTERNATIVAS

MEJORA DE DETALLES

1. Recopilar datos de los clientes.2. Interpretar los datos en términos de las necesidades del

cliente.3. Organizar las necesidades en una jerarquía de

necesidades primarias, secundarias y si es necesario terciarias.

4. Establecer la importancia relativa de las necesidades.5. Reflejarla en los resultados y en el proceso.

Identificar las necesidades.

Entrevista con el cliente.

Uno o mas miembros del equipo analizan las necesidades conun solo cliente, las entrevistas duran entre una y dos horas.

1. Recopilar datos de los clientes.

Que preguntar ????

Qué?Cómo?Porqué?Para qué?

Ir con la corriente. Utilizar estímulos y propuestas visuales. Suprimir hipótesis previamente concebidas sobre la

tecnología del producto. Hacer que el cliente demuestre el producto y/o las

funciones típicas relacionadas con éste. Hay que estar alerta de que surjan sorpresas y de la

expresión de necesidades latentes. Observar la información no verbal.

1. Recopilar datos sin procesar de los clientes.

Sugerencias para la interacción con el cliente:

Grabación de audio. Notas. Grabación de video. Fotografía fija.

1. Recopilar datos sin procesar de los clientes.

Documentar las interacciones con el cliente.

2. Interpretar los datos sin procesar en términos de las necesidades del cliente

•Expresar la necesidad en términos de lo que el producto tiene que hacer, no en términos de cómo podría hacerlo.

•Expresar la necesidad tan específicamente como los datos sin procesar.

•Utilizar fraseo positivo, no negativo.

•Expresar la necesidad como un atributo del producto.

•Evitar las palabras debe y debería.

Sistema desatornillador.

“Que” no “como”

Especificidad

Positivo no negativo

Un atributo del producto

Evitar “debe” y “debería”

Imprimir cada enunciado. Eliminar los enunciados redundantes. Agrupar de acuerdo con la similitud de la

necesidad. Para cada grupo elegir una etiqueta

generalizada de la necesidad.

3. Organizar las necesidades en una jerarquía.

Ponderar cada una de las necesidades, de acuerdo a un consenso entre los integrantes del equipo de trabajo. Se pueden ponderar de tal manera que la suma de las importancias de todas las necesidades sea 100.

4. Establecer la importancia relativa de las necesidades.

Las necesidades del cliente se deberán expresar en términos de lo que el producto tiene que hacer y no en términos de cómo debería se implementado en el producto.

5. Reflejar en los resultados y en el proceso.

Cuestionario adecuadamente estructurado. Preguntas para que el diseñador pueda generar sus

especificaciones de diseño.

Una vez obtenida esta información se pueden estimar los recursos materiales y humanos, así como estimar el tiempo necesario para el desarrollo del proyecto.

◦ Planeación.◦ Alcances (Entregables).

Análisis de las necesiades

Realizar un cuestionario con preguntas concretas, las cuales se harán a los profesores, equipo por equipo en un tiempo máximo de 10 min.

El cuestionario con las preguntas y respuestas, serán entregados al final de la práctica.

El cuestionario servirá como base para posteriormente obtener la planeación del proyecto.

Taller No.1

Clarificación de los objetivos.

“Ha que saber a donde llegar”

Cliente: Solo conoce el tipo de producto que desea.

Estructura Móvil:Animación.Video.

Estacionamiento radial:Animación 1.Animación 2.Video

PROBLEMA

Método de diseño

SOLUCION

Los objetivos de diseño también se denominan requerimientos del cliente, necesidades del usuario ó propósitos del producto.

Ejemplo: Se requiere diseñar una máquina-herramienta que sea

“segura”:

Bajo riesgo de lesión al operador. Bajo riesgo de errores de operador. Bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o a la

herramienta. Corte automático de la operación en caso de una

sobrecarga.

Método del árbol de objetivos

A medida que se amplía la lista de objetivos, deberá quedar en claro que algunos se encuentran a mayores niveles de importancia que otros.

Las preguntas que son útiles para ampliar y clarificar los objetivos pueden ser: ¿Porqué?, ¿Cómo? y ¿Qué?

Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de nivel superior a un nivel inferior:

La máquina debe ser segura

Bajo riesgo de lesión para el

operador

Bajo riesgo de errores del operador

Bajo riesgo de daño a la pieza de

trabajo o a la herramienta

Corte automático de la operación

ante una sobrecarga

¿Cóm

o?

¿Por q

ue?

Sistema de alarma

El sistema es 100 % confiable Operación

El sistema toma

acciones

Solo el usuario lo desactiva

No tiene fallas Locales RemotasEl sistema funciona aun con

cortes de energíaActiva

alarma sonora

Notifica al usuario

Notifica a la policía

Preparar una lista de objetivos de diseño.Estos se toman del planteamiento de diseño, a partir de preguntas al cliente y de una reunión con el equipo de

diseño.

Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de mayor y menor nivel.Los objetivos principales y los objetivos secundarios de la

lista ampliada se agrupan aproximadamente en niveles jerárquicos.

Dibujar un diagrama del árbol de objetivos que muestre la relaciones jerárquicas e interconexiones.

Las rama (o raíces) del árbol representan las relaciones que sugieren medios para alcanzar objetivos.

Resumen:

Ejemplo: Tetera Automática

Elaboración automática de té

Proceso del té con extracto del té

Proceso normal del té Proceso del té por perfusión

Calentar Agua Combinar el agua y las hojas

de té

Controlar el tiempo de preparación

Separar el té de las hojas

Pasar por la superficie de

calentamiento

Agua a Té Té a Agua

Agua y Té

Medir el tiempo

Medir la concentración

del té

Medir en el proceso el estado que

depende del tiempo

Sacar el Té

Sacar las hojas

Remover ambos

Llevar la energía al

elemento de calentamiento

Llevar el agua al elemento

de calentamiento

Funciones Medios

Diseñe el árbol de objetivos sobre el transporte público (Microbus) en la ciudad de México.

Considere como objetivos primarios: Rápido, seguro, cómodo.

Tarea No 1.

El sistema de transporte

El sistema de transporte debe ser rápido.

El sistema de transporte debe ser

seguro para los pasajero.

El sistema de transporte debe ser

cómodo para los usuarios.

Establecimiento de las funciones.

Divide y vencerás.

Este método ofrece un medio para considerar las funciones esenciales y el nivel en el que el problema debe abordarse. Las funciones esenciales son aquellas que debe satisfacer el dispositivo independientemente de los componentes físicos que pudieran utilizarse.

Descripción del método.

Procedimiento:

1. Expresar la función global del diseño en términos de la conversión de entradas y salidas.

“CAJA NEGRA”

ENTRADAS SALIDAS

FUNCION

2. Descomponer la función global en un conjunto de funciones secundarias necesarias. Cuando se especifican las funciones secundarias, conviene plantearse con un verbo y un sustantivo.

Por ejemplo: “amplificar señal”, “contar artículos”, “separar desperdicio”, etc.

Cada función necesaria, tiene sus propias entradas y salidas.

3. Dibujar un diagrama de bloques que muestre las interacciones entre las funciones secundarias.

Función Secundaria

Función Secundaria

Función Secundaria

Función Secundaria

Entradas

Salidas

Función

Dibujar los limites del sistema.Aquí se definen los límites funcionales para el producto o dispositivo a

diseñar.En el diagrama no puede haber

entradas o salidas “sueltas”, excepto aquéllas que provienen de los limites del sistema o van hacia afuera.

Muchos de estos limites, dependen de los requerimientos del cliente o de la política gerencial.

5. Buscar componentes apropiados para realizar las funciones secundarias y sus iteracciones.

Aquí se determina el tipo de sistema a ser desarrollado posteriormente (sistema mecánico, electrónico, PC, humano, etc.).

Ejemplo: Teterá Automática.

Té PREPARANDOS

E

Agua Fría(Cantidad Medida)

Hojas de Té(Cantidad Medida)

Té Caliente

Hojas de Té(Desperdicio)

Energía

Modelos alternativos.

El agua se calienta

Té en infusión

El agua y el té se mezclan

El agua y el té se separan

Agua

Energía

Hojas de té

Té

Hojas

El agua se calienta

Las hojas de té se sumergen

Agua

Energía

Hojas de té

Té

Hojas

El agua se calienta

Las hojas de té se sumergen Las hojas de té

se sumergen

TéTé

Agua

Energía

Análisis de funciones.

REGULARel calentamiento

CALENTAR el agua

MEZCLAR El té y el agua

PERMITIR La infusión

SEPARAR el té y las hojas

TRANSFORMARLa energía en

calor

ACTIVARLa separación

REGULARLa infusión

té

hojas

Energía (eléctrica)

Agua

Ejemplo:

Lavadora

Ropa SuciaRopa Limpia

Mugre

ENTRADAS FUNCION SALIDAS

Aflojar Mugre

(agregar agua y

detergente

Desprender mugre(agitar)

Quitar mugre

(enjuagar)

Sacar Agua(centrifugar)

Secar ropa Planchar ropa

Ropa Sucia

Agua Detergente

AguaAire Caliente

Aire húmedo

AguaAgua Sucia

Ropa limpia

Funciones secundarias esenciales Medios para lograr las funciones secundariasAflojar la mugre Agregar agua y detergenteDesprender la mugre AgitarQuitar la mugre AgitarSacar el agua Exprimir (centrifugar)Secar la ropa Soplar agua calienteQuitar arrugas Planchar

Péndulo InvertidoEjemplo:

Leer posición de la interfaz

Generar error Evaluar controlador

Amplificar señal de corrección

Mover motor

Acondicionar señal

Desplazar móvil

Corregir posición del péndulo

Leer posición real

Posición deseada

Energía

Posición del péndulo

Realizar una presentación por equipo, donde se realice (Máx. 10 min) y seleccionar un integrante del equipo que realice la presentación :

1. Enunciados obtenidos de la entrevista con el cliente (procesados).

2. Clasificación de los enunciados con prioridades.3. Árbol de objetivos (sistema mecánico, electrónico y de

control, con posibles interacciones).4. Caja Negra y funciones detalladas del sistema detallado.

Nota: Enviar presentación a sera_castaneda@yahoo.com.mx a mas tardar en día viernes a las 9:00 hrs.

Taller No. 2

Determinación de las características.

Es necesario entender exactamente qué desean los clientes en términos de los atributos del producto y asegurar que éstos se traduzcan cuidadosamente en especificaciones apropiadas a las características de ingeniería.

Un método completo para lograr la correspondencia entre los requerimientos del cliente con las características de ingeniería es el método de despliegue de la función de calidad (QFD).

RC: Requerimientos

CT: Características técnias

Ejemplo:

Fijación de requerimientos

El conjunto de requerimientos comprende la especificación del rendimiento del producto o la máquina.

Hay que establecer o por lo menos identificar las especificaciones más importantes en los primeros momentos del proceso de diseño.

Ejemplos.

D: Demandasd: Deseadas