Diseño mecatrónico. Profesores:   Profesores: Ing. Serafín Castañeda Cedeño. sera_castaneda@yahoo.com.mx CDMIT, Sala de proyectos.

Objetivo del curso. 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.

Temario. Introducción al diseño mecatrónico. Diseño mecánico. Diseño electrónico. Control. Proyecto integral. Horario de asesoría. Viernes 12:00-14:00 hrs. Lunes y miércoles: teoría Viernes: Laboratorio.

Bibliografía. CROSS, Nigel Engineering Design Methods 2nd edition John Wiley & Sons. 1997 FRENCH, Vierck Dibujo de Ingeniería México Mc Graw-Hill, 1981. AYALA, Álvaro Normas de dibujo. Laboratorio de Ingeniería Mecánica Asistido por Computadora México,Facultad de Ingeniería. UNAM, 2003. ALACIATORE, David Introduction to Mechatronics and Measurement System 3th edition McGraw-Hill, 2007. ERONINI-UMEZ-ERONINI Dinámica de Sistemas y Control Thomson, 2001. NECSULESCU, Dan Mechatronics Prentice Hall, 2002.  

Evaluación Prácticas (8-10) 3 pts. 2 proyectos. 4 pts. Prototipo Funcionamiento 50% Presentación 25% Documentación 25% Planos o informes Presentación (limpieza, organización, distribución, etc.) 50% Documentación (información de valor) 50% 2 proyectos. 4 pts. Exámenes. (3) 3 pts. Todos los trabajos deberán se entregados en hojas tamaño carta.

Generales: Se formarán solo 8 equipos entre los alumnos inscritos asignados aleatoriamente. No se reciben prácticas y/o proyectos atrasados.

Definición del proyecto mecatrónico. 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.

Descripción de los proyectos de integración Sistema de posición X, para tiro parabólico Péndulo invertido ó Scanner 3D

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”.

¿Qué es mecatrónica? 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.

ELECTRONICA CONTROL PRODUCTO MECATRONICO MECÁNICA SOFTWARE

Video ejemplo

Acondicionador de señal de entrada Actuadores Sensores Sistema mecánico Acondicionador de señal de entrada Actuadores Sensores Control Interfaz Acondicionador de señal de salida Actuadores: Motores DC-bobinas para campo eléctrico (ionización de la tinta) Sensores: Encoder lineal-rotatorio- incremental sensores de limite de carrera Acondicionador de señal. Contadores de pulsos, etapas de potencia Sistema mecánico: Engranes-guías-poleas-rodillos Sistema de control: MC circuitos electrónicos Interfaz: leds-botones-interruptor principal-comunicación

Tarea No.1 Lavadora doméstica. Describa detalladamente el proceso de funcionamiento. Realice una descripción de partes y componentes del sistema mecánico, electrónico y de control con los que cuenta.

No requiere de habilidades especiales DISEÑO No 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.

Diseño Fabricación Años Industria electrónica 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.).

Postulados esenciales del diseño. 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.

“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. Interruptores mecánicos. Inductivos. Capacitivos. Corriente parásita (Eddy) Ópticos: Alineación en modo opuesto Retrorreflector modo de proximidad (difuso)

Sensores ópticos

Resistivos (Potenciómetro) No lineales. Resolución?? Variaciones con respecto a T. Fuerza para provocar movimiento.

Transformador Lineal Diferencial Variable (LVDT) 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.

Codificador óptico digital.Encoder Dispositivo que convierte movimiento en una secuencia de pulsos digitales. 2-3-1-0 1-3-2-0 Video

Codificador óptico digital.Encoder Video ejemplo. Demostración encoder LabVIEW

Acondicionador de señal Criterios de selección. Acondicionador de señal

Práctica No.1 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).

Acondicionamiento de señal.

Acondicionamiento de señal. Amplificación Los 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. Atenuación Atenuación, 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.. Aislamiento Los 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. Multiplexado Con 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.. Filtrado El 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. Excitación Algunos 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 fría La 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.

Ejemplo: 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.

GF = (ΔR/R)/(ΔL/L) = (ΔR/R)/ε Strain Gauges, son dispositivos semiconductores en los cuales la resistencia varia con la deformación. GF = (ΔR/R)/(ΔL/L) = (ΔR/R)/ε El 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 Sistema Mecatrónico Actuadores Diagrama funcional del actuador

Motores eléctricos. Clasificación.

Motores de DC 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.

Para un motor de DC Tm=Kt*Im Tm: torque del motor Im: corriente en el motor Ka: constante de torque Vm=Ka*m Vm: voltaje en el motor m: velocidad angular del motor Ka: constante eléctrica del motor

Ejemplo: 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

Selección de un motor. ¿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?

Tarea No. 2: 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).

Control de un motor

Modos de funcionamiento de un motor de D.C. Im ó T 4to 1er Vm ó  3 er 2do

Acondicionadores de salida. Etapas de potencia Acondicionadores de salida.

Amplificadores Básicos IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor TBJ FET 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.

Circuitos para generar una señal de PWM. Técnica tradicional. Rampa-Comparador Generador de PWM. Ejemplo PWM

Métodos para variar el nivel de voltaje.

Práctica No. 2 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.

Convertidores DAC y ADC.

SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL Introducción 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: SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL ADC DAC

Convertidor DAC R-2R

Introducción. 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. Señal digitalizada Voltaje Señal analógica Punto muestreado Tiempo ¿Qué tan rápido se debe muestrear?

Teorema de Shannon ó teorema de muestreo. 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.

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

Teoría de cuantización 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.

Conversión analógica a digital 7 111   6 110 5 101 4 100 3 011 2 010 1 001 000 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.

Conversión analógica a digital. 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 sensor amplificador filtro Muestreo ADC PROCESADOR

ADC de aproximaciones sucesivas Unidad de control end start S&H comparador Registro de aproximaciones sucesivas Entrada analógica Latch Salida digital D/A

Acondicionador de señal de entrada Actuadores Sensores Sistema mecánico Acondicionador de señal de entrada Actuadores Sensores Control Interfaz Acondicionador de señal de salida

Diseño de Circuitos electrónicos. Perturbaciones Prueba del circuito en protoboard Realizar el esquemático Simulación del circuito Diseño del PCB Fabricación del PCB Ajustar dimensiones, tamaño de cables, distribución de componentes, encapsulado, disipadores de calor, etc. Circuito en tarjeta perforada (wirewrap) Pruebas finales Perturbaciones

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 RAD-0.2 HDR2X3 PIN2 BAT-2 AXIAL-0.3 HDD1X7 DIP-16 MBFM-P4 BCY-W3 DIP-8 HDR1X2H TO-220

Recomendaciones 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.

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

Finales

Procedimiento tradicional para hacer un PCB 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.

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

Códigos de detección de error. Al transmitir algún datos por un dato de comunicación, los datos pueden Ser corrompidos por el ruido, provocando que la información transmitida cambie. 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 ¿Será posible detectar el dato corrompido?..... ¿ Será posible corregirlo?

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.

Codificación 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:   Por ejemplo si la secuencia 000 para A se cambia por ruido a 100 entonces se identificará como 100, entonces, se decodificará como E. Código original  Símbolo  000 A 001 B 010 C 011 D 100 E 101 F 110 G 111 H

Agregar información para codificar errores 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.

Código original Código Símbolo  Código original Código redundante 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.

Corrección de errores, utilizando código Hamming (4bits) Se transmiten 7 bits: 4 para la información: I3,I2,I1,IO 3 para paridad: P2,P1,P0 la paridad se define como 0: número de 1´s par 1: número de 1´s impar 7 6 5 4 3 2 1 I3 I2 I1 P2 I0 P1 P0 P2=paridad de los bits 7,6,5=bit4 P1=paridad de los bits 7,6,3=bit2 P0=paridad de los bits 7,5,3 =bit1

Para detectar el bit que genero el error. 7,6,5,4=4 7,6,3,2=2 7,5,3,1 =1 Paridad en los bits, define el peso del bit de error. Paridad impar=1 Paridad par = 0 Por ejemplo la paridad de todos los números: 7,6,5,4= impar=1 7,6,3,2=impar=1 7,5,3,1= impar=1 Define los pesos en 4-2-1= 7=== error en el bit 7 7,6,5,4= par=0 Define los pesos en 2-1= 3=== error en el bit 3

Ejemplo: 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?

Tramas de información en comunicación sistemas de comunicación. Trama de información Maestro Esclavo La trama ó protocolo de información, puede ser definida por el usuario, con el número de bits ó bytes que necesite transmitir.

Por ejemplo. Se puede definir los siguientes bytes para trasmitir información entre dos dispositivos: Maestro:PC y esclavo MC. Fuente Destino Bytes comando Dato 0 Dato 1 Dato 2 CRC 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

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

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

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

ESTRUCTURA DE TAREAS (CALENTADOR).

ESTRUCTURA DE TAREAS (TOSTADOR).

ESTRUCTURA DE TAREAS .

ALMACENAMIENTO DE DATOS USUARIO: POSICION DESEADA REPORTES EXTERNO INTERNO INTERFAZ ALMACENAMIENTO DE DATOS CONTROL CON RETROALIMENTACION SOFTWARE INTERPRETAR SEÑAL SEÑAL COMANDADA ACONDICIONADOR DE SEÑAL HARWARE AMPLIFICADOR DE SEÑAL SENSOR ACTUADOR

PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL CONTROL: Obtener el modelo matemático como una función de transferencia o en variable de estado. Determinar una configuración del sistema. Transformar el sistema físico en diagrama 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.

Comunicación de los diseños (bitácoras de diseño). La actividad esencial del diseño es la producción de una descripción final del artefacto. Realizar dibujos. Anotaciones adicionales. Lista de partes y/o componentes.

Modelo sencillo de cuatro etapas de diseño. EXPLORACION GENERACION EVALUACION COMUNICACION

Modelo de French del proceso de diseño. Necesidad 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: Un planteamiento del propio problema de diseño. Las limitaciones que se imponen a la solución, por ejemplo: normas, restricciones, fechas terminación, etc. 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. Análisis del problema Planteamiento del problema 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. Diseño conceptual Esquemas Seleccionados Representación de los esquemas Desarrollo de detalles: Ultima fase donde quedan por decidir muchos puntos pero importantes. Demanda mucha habilidad y paciencia. Desarrollo de detalles Dibujos de trabajo, etc.

Herramientas Fundamentación Investigación

Modelo ó metodología de diseño. Análisis Síntesis Evaluación 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 de Pahl y Beitz del proceso de diseño. Tarea Actualizar y mejorar Clarificación de la tarea Clarificar la tarea Elaborar la especificación Información: Adaptar la especificación. Especificación Identificar los problemas esenciales Establecer las estructuras de las funciones Buscar principios de solución. Combinar y confirmar en variantes de conceptos Evaluar contra los criterios técnicos y económicos Diseño Conceptual Concepto Desarrollar arreglos preliminares y diseños de forma Seleccionar los mejores arreglos preliminares Refinar y evaluar contra los criterios técnicos y económicos Diseño para dar forma Arreglo preliminar Optimizar y completar los diseños de forma Verificar si hay errores y la eficacia en costos Preparar la lista de partes preliminares y documentos de producción Arreglo definitivo Finalizar los detalles Completar los dibujos de detalles y los documentos de producción. Verificar todos los documentos Diseño de detalles Documentación Solución

Modelo VDI 2221 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.

ETAPAS RESULTADOS Especificación Estructura de funciones Tarea ETAPAS RESULTADOS Clarificar y definir la tarea. 1 Especificación Determinar las funciones y sus estructuras 2 Estructura de funciones Buscar principios de solución y sus combinaciones 3 Solución principal Dividir en módulos realizables 4 Estructura del modelos Desarrollar arreglos de los módulos claves 5 Arreglos preliminares Completar el arreglo general 6 Arreglo definitivo Preparar las instrucciones de operación y de producción 7 Documento del producto Realización Adicional

SOLUCIONES SECUNDARIAS PROBLEMAS SECUNDARIOS PROBLEMA GENERAL SOLUCION GENERAL MEJORA DE DETALLES CLARIFICACION DE OBJETIVOS ESTABLECIMIENTO DE FUNCIONES EVALUACION DE ALTERNATIVAS DETERMINACIONDE LAS CARACTERISTICAS FIJACION DE REQUERIMIENTOS GENERACION DE ALTENATIVAS SOLUCIONES SECUNDARIAS PROBLEMAS SECUNDARIOS

Identificar las necesidades. Recopilar datos de los clientes. Interpretar los datos en términos de las necesidades del cliente. Organizar las necesidades en una jerarquía de necesidades primarias, secundarias y si es necesario terciarias. Establecer la importancia relativa de las necesidades. Reflejarla en los resultados y en el proceso.

1. Recopilar datos de los clientes. Entrevista con el cliente. Uno o mas miembros del equipo analizan las necesidades con un solo cliente, las entrevistas duran entre una y dos horas. Que preguntar ???? Qué? Cómo? Porqué? Para qué?

1. Recopilar datos sin procesar de los clientes. Sugerencias para la interacción con el cliente: 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. Documentar las interacciones con el cliente. Grabación de audio. Notas. Grabación de video. Fotografía fija.

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”

3. Organizar las necesidades en una jerarquía. 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.

4. Establecer la importancia relativa de las necesidades. 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.

5. Reflejar en los resultados y en el proceso. 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.

Análisis de las necesiades 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).

Taller No.1 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.

Clarificación de los objetivos. “Ha que saber a donde llegar”

Estructura Móvil: Animación. Video. Cliente: Solo conoce el tipo de producto que desea. Estacionamiento radial: Animación 1. Animación 2. Video PROBLEMA SOLUCION Método de diseño Los objetivos de diseño también se denominan requerimientos del cliente, necesidades del usuario ó propósitos del producto.

Método del árbol de objetivos 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. 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?

La máquina debe ser segura Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de nivel superior a un nivel inferior: ¿Cómo? 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 ¿Por que? Corte automático de la operación ante una sobrecarga

Sistema de alarma El sistema toma acciones El sistema es 100 % confiable Operación Solo el usuario lo desactiva No tiene fallas Locales Remotas El sistema funciona aun con cortes de energía Activa alarma sonora Notifica al usuario Notifica a la policía

Resumen: 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.

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 Sacar las hojas Pasar por la superficie de calentamiento Agua a Té Té a Agua Remover ambos Agua y Té Sacar el Té Llevar la energía al elemento de calentamiento Llevar el agua al elemento de calentamiento Medir el tiempo Medir la concentración del té Medir en el proceso el estado que depende del tiempo Funciones Medios

Tarea No 1. Diseñe el árbol de objetivos sobre el transporte público (Microbus) en la ciudad de México. Considere como objetivos primarios: Rápido, seguro, cómodo. 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.

Descripción del método. 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.

Procedimiento: 1. Expresar la función global del diseño en términos de la conversión de entradas y salidas. FUNCION “CAJA NEGRA” ENTRADAS SALIDAS

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 Salidas Entradas Función Secundaria Función Secundaria 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 Caliente Agua Fría (Cantidad Medida) Té PREPARANDOSE Hojas de Té (Cantidad Medida) Hojas de Té (Desperdicio) Energía

Modelos alternativos. El agua se calienta El agua y el té se mezclan Té en infusión El agua y el té se separan Energía Hojas Hojas de té Agua Té El agua se calienta Las hojas de té se sumergen Energía Hojas Hojas de té Té Agua Las hojas de té se sumergen Té El agua se calienta Las hojas de té se sumergen Energía

Análisis de funciones. té Agua hojas Energía (eléctrica) REGULAR el calentamiento REGULAR La infusión té Agua CALENTAR el agua MEZCLAR El té y el agua PERMITIR La infusión SEPARAR el té y las hojas hojas TRANSFORMAR La energía en calor ACTIVAR La separación Energía (eléctrica)

Ejemplo: Ropa Limpia Ropa Sucia Lavadora Mugre ENTRADAS FUNCION SALIDAS

(agregar agua y detergente Aire húmedo Agua Sucia Agua Ropa Sucia Aflojar Mugre (agregar agua y detergente Desprender mugre (agitar) Quitar mugre (enjuagar) Sacar Agua (centrifugar) Secar ropa Planchar ropa Ropa limpia Aire Caliente Agua Agua Detergente Funciones secundarias esenciales Medios para lograr las funciones secundarias Aflojar la mugre Agregar agua y detergente Desprender la mugre Agitar Quitar la mugre Agitar Sacar el agua Exprimir (centrifugar) Secar la ropa Soplar agua caliente Quitar arrugas Planchar

Ejemplo: Péndulo Invertido Posición deseada Energía Posición del péndulo Leer posición de la interfaz Amplificar señal de corrección Corregir posición del péndulo Evaluar controlador Desplazar móvil Generar error Mover motor Acondicionar señal Leer posición real

Taller No. 2 Realizar una presentación por equipo, donde se realice (Máx. 10 min) y seleccionar un integrante del equipo que realice la presentación : Enunciados obtenidos de la entrevista con el cliente (procesados). Clasificación de los enunciados con prioridades. Árbol de objetivos (sistema mecánico, electrónico y de control, con posibles interacciones). 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.

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: Demandas d: Deseadas