UNIDAD 2:Mecatrónica; Filosofía y Diseño.

2.1. Desarrollo histórico de la mecatrónica a nivel nacional e internacional.

La ingeniería ha avanzado con el ser humano, se dice que el primer gran paso que dio, fue cuando se usó herramientas labradas para la cacería o en el encender de la hoguera. El hombre empezó a desarrollar técnicas para su propio sustento, por ejemplo, técnicas para producir metales resistentes, arcos, vestimenta, arado.

El hombre no solo hizo uso de técnicas, sino que sustituyo la fuerza del hombre por la fuerza animal, a partir del surgimiento del arado. El paso importante para el surgimiento de las ingenierías fue la Revolución Industrial, el mayor cambio tecnológico, en el cuál se sustituye el trabajo manual por la industria y manufactura de maquinaria. La revolución comenzó con la mecanización de las industrias textiles.

Gracias a la Revolución Industrial, surge: La producción en serie. Aplicación de ciencia y tecnología que permita el desarrollo de máquinas que

mejoran los procesos productivos. Nuevas fuentes energéticas, el carbón y vapor. Revolución en el transporte: ferrocarriles y barcos de vapor.

A medida que pasa el tiempo, se introduce la electrónica e informática en los procesos de producción. Esta implementación, mejora la producción, incrementando la velocidad de producción y la calidad.

La industria actual prevalece gracias a la calidad de sus productos, velocidad de producción, uniformidad. Como todo va en constante cambio, siempre se irá requiriendo de nuevas implementaciones tecnológicas y el desarrollo de las mismas. Gracias a estos factores, surge la hoy en día una nueva disciplina, Mecatrónica. Que hoy por hoy se ha consolidado dentro de la sociedad mexicana como una disciplina vanguardista e innovadora.

2.2. Definición de mecatrónica.

La Ingeniería Mecatrónica surge la combinación sinérgica de distintas ramas de la Ingeniería, entre las que destacan: la Mecánica de precisión, la Electrónica, La Informática y los Sistemas de Control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados.La Mecatrónica esta centrada en mecanismos, componentes electrónicos y módulos de computación los cuales hacen posible la generación de sistemas más flexibles, versátiles y económicos. El término de Mecatrónica fue definido por primera vez en 1969 por un japonés de nombre Tetsuro Moria en la compañía japonesa Yasakawa.

2.3. Elementos claves de la mecatrónica

2.3.1. Modelación de sistemas físicos.

Los sistemas físicos son los sistemas “tangibles”, los que se presentan en la vida real, son todos aquellos sistemas compuestos por maquinaria y equipos. En la modelación de sistemas físicos, estamos hablando del diseño de los sistemas mecánicos-eléctricos.

Los modelos proporcionan predicciones útiles. La gran importancia de estos modelos es el resultado final, la predicción, es o no satisfactorio para el propósito particular considerado. Los modelos son sinónimos de representaciones. Y nos ayuda de la siguiente manera para:

La predicción. Control. Adiestramiento.

Modelo. Esquema teórico de un sistema o realidad compleja que se elabora para facilitar su compresión y estudio. Cada una de las modalidades, tipos o categorías que existen de algo.

Para efectuar el análisis de un sistema, es necesario obtener un modelo matemático que lo represente. El modelo matemático equivale a una ecuación matemática o un conjunto de ellas en base a las cuales podemos conocer el comportamiento del

sistema.

Es necesario comentar que el modelo matemático que se desarrolla a partir de un sistema no es único, debido a lo cual se pueden lograr representaciones diferentes del mismo proceso.

Estas diferentes representaciones no contradicen una a la otra. Ambas contienen información complementaria por lo que se debe encontrar aquella que proporcione la información de interés para cada problema en particular.

Dentro de este contexto, por lo general se emplea la representación en "variables de estado" aunque no por ello el método de "relación entrada-salida" deja de ser interesante a pesar de proporcionar menor información de la planta.

Para uniformizar criterios respecto a las denominaciones que reciben los elementos que conforman un sistema de control es necesario tener en mente las siguientes definiciones:

Planta Cualquier objeto físico que ha de ser controlado.

Proceso Operación o secuencia de operaciones.

caracterizada por un conjunto de cambios graduales que llevan a un resultado o estado final a partir de un estado inicial.

Sistema Combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo determinado.

Perturbación, Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.

Servomecanismo Sistema de control realimentado cuya salida es una posición mecánica.

Tipos de Modelo Físicos Matemáticos Esquemáticos Gráficos Simulación

2.3.2. Sensores y actuadores.

Los sensores son transductores (convierte un tipo de energía a otra) que miden cierto tipo de energía, un indicador o detector en pocas palabras, la energía detectada se convierte en impulsos eléctricos que son captadas por las máquinas de control. Esta información la utilizan los operadores lógicos o bien puede ser analizada por un ser humano.

Ejemplos de Sensores: Sensores de temperatura: Termopar, Termistor Sensores de deformación: Galga extensiométrica Sensores de acidez: IsFET Sensores de luz: fotodiodo, fotorresistencia, fototransistor Sensores de sonido: micrófono Sensores de contacto: final de carrera Sensores de imagen digital (fotografía): CCD o CMOS Sensores de proximidad: sensor_de_proximidad

Sensores reflectivos y por intercepción (de ranura)

Los sensores de objetos por reflexión están basados en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser, etc.) y una célula receptora del reflejo de esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, LDR, incluso chips especializados, como los receptores de control remoto. Con elementos ópticos similares, es decir emisor-receptor, existen los sensores "de ranura" (en algunos lugares lo he visto referenciado como "de barrera"), donde se establece un haz directo entre el emisor y el receptor, con un espacio entre ellos que puede ser ocupado por un objeto.

LDR (Light-Dependent Resistor, resistor dependiente de la luz).

Un LDR es un resistor que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre él. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohms).

Fotoceldas o celdas fotovoltaicas

La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Esta misma energía se puede utilizar, obviamente, para producir la detección y medición de la luz.

Fotodiodos

El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseño y construcción será especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso

de los fotodiodos, diseñados específicamente para esto, la construcción está orientada a lograr que esta sensibilidad sea máxima.

CCD y cámaras de vídeo

La abreviatura CCD viene del inglés Charge-Coupled Device, Dispositivo Acoplado por Carga. El CCD es un circuito integrado. La característica principal de este circuito es que posee una matriz de celdas con sensibilidad a la luz alineadas en una disposición físico-eléctrica que permite "empaquetar" en una superficie pequeña un enorme número de elementos sensibles y manejar esa gran cantidad de información de imagen (para llevarla al exterior del microcircuito) de una manera relativamente sencilla, sin necesidad de grandes recursos de conexiones y de circuitos de control.

Fototransistores

Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico.

Microinterruptores

No es necesario extenderse mucho sobre estos componentes (llamados "microswitch" en inglés), muy comunes en la industria y muy utilizados en equipos electrónicos y en automatización.

Sensores de presión

En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida adaptación. Se puede mencionar un sensor integrado de silicio como el MPX2100 de Motorola, de pequeño

tamaño y precio accesible.

Sensores de contacto (choque)

Para detectar contacto físico del robot con un obstáculo se suelen utilizar interruptores que se accionan por medio de actuadores físicos. Un ejemplo muy clásico serían unos alambres elásticos que cumplen una función similar a la de las antenas de los insectos. En inglés les llaman "whiskers" (bigotes), relacionándolos con los bigotes sensibles de los animales como —por ejemplo— los perros y gatos.

Piel robótica

El mercado ha producido, en los últimos tiempos, sensores planos, flexibles y extendidos a los que han bautizado como "robotic skin", o piel robótica. Uno de estos productos es el creado por investigadores de la universidad de Tokio. Se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una superficie flexible, diseñados con la intención de aportar a los robots una de las capacidades de nuestra piel: la sensibilidad a la presión.

Micrófonos y sensores de sonido

El uso de micrófonos en un robot se puede hallar en dos aplicaciones: primero, dentro de un sistema de medición de distancia, en el que el micrófono recibe sonidos emitidos desde el mismo robot luego de que éstos rebotan en los obstáculos que tiene enfrente, es decir, un sistema de sonar; y segundo, un micrófono para captar el sonido ambiente y utilizarlo en algún sentido, como recibir órdenes a través de palabras o tonos, y, un poco más avanzado, determinar la dirección de estos sonidos. Como es obvio, ahora que se habla tanto de robots para espionaje, también se incluyen micrófonos para tomar el sonido ambiente y transmitirlo a un sitio remoto.

Rangers (medidores de distancia) ultrasónicos

Los medidores ultrasónicos de distancia que se utilizan en los robots son, básicamente, un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos y espera el rebote, midiendo el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Se pueden señalar dos estrategias en estos medidores: los que tienen un emisor y un receptor separados y los que alternan la función (por medio del circuito) sobre un mismo emisor/receptor piezoeléctrico.

Hay dos sensores característicos que se utilizan en robots: 1. Los módulos de ultrasonido contenidos en las viejas cámaras Polaroid con autorango, que se pueden conseguir en el mercado de usados por relativamente poco dinero. 2. Los módulos SRF de Devantech, que son capaces de detectar objetos a una distancia de hasta 6 metros, además de conectarse al microcontrolador mediante un bus I2C.

Acelerómetros, sensores de vibración

Un acelerómetro es un dispositivo que permite medir el movimiento y las vibraciones a las que está sometido un robot (o una parte de él), en su modo de medición dinámica, y la inclinación (con respecto a la gravedad), en su modo estático. De los antiguos acelerómetros mecánicos, de tamaño grande y dificultoso de construir, porque incluían imanes, resortes y bobinas (en algunos modelos), se ha pasado en esta época a dispositivos integrados, con los elementos sensibles creados sobre los propios microcircuitos. Estos sensores, disponibles en forma de circuito integrado, son los que se utilizan normalmente en robótica experimentales. Uno de los acelerómetros integrados más conocidos es el ADXL202, muy pequeño, versátil y de costo accesible.

Sensores pendulares (Inclinómetros)

Queda claro que la inclinación de un robot se puede medir con facilidad utilizando las características de medición estática del sensor ADXL202 que describimos aquí arriba. Las ventajas de este sensor son grandes, debido a su pequeño tamaño, sólida integración y facilidad de conexión con microcontroladores. De todos modos, existen otras soluciones para determinar la posición de la vertical (en base a la fuerza de la gravedad), y las listaremos brevemente.

Contactos de mercurio

También para medir inclinación, aunque en este caso sin obtener valores intermedios, sino simplemente un contacto abierto o cerrado, existen las llaves o contactos de mercurio, que consisten en un cilindro (por lo general de vidrio) en el que existen dos contactos a cerrar y una cantidad suficiente de mercurio que se puede deslizar a un extremo u otro del cilindro y cerrar el contacto.

Giróscopos

El giroscopio o giroscopio está basado en un fenómeno físico conocido hace mucho, mucho tiempo: una rueda girando se resiste a que se le cambie el plano de giro (o lo que es lo mismo, la dirección del eje de rotación). Esto se debe a lo que en física se llama "principio de conservación del momento angular".En robots experimentales no se suelen ver volantes giratorios. Lo que es de uso común son unos sensores de pequeño tamaño, como los que se utilizan en modelos de helicópteros y robots, basados en

integrados cuya "alma" son pequeñísmas lengüetas vibratorias, construidas

directamente sobre el chip de silicio. Su detección se basa en que las piezas cerámicas en vibración son sujetas a una distorsión que se produce por el efecto Coriolis.

Termistores

Un termistor es un resistor cuyo valor varía en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC (Negative Temperature Coefficient, Coeficiente de Temperatura Negativo), que es una resistencia variable cuyo valor se decrementa a medida que aumenta la temperatura; y PTC (Positive Temperature Coefficient, Coeficiente de Temperatura Positivo), cuyo valor de resistencia eléctrica aumenta cuando aumenta la temperatura.La lectura de temperaturas en un robot, tanto en su interior como en el exterior, puede ser algo extremadamente importante para proteger los circuitos, motores y estructura de la posibilidad de que, por fricción, esfuerzo, trabas o excesos mecánicos de cualquier tipo se alcancen niveles peligrosos de calentamiento.

RTD (Termoresistencias)

Los sensores RTD (Resistance Temperature Detector), basados en un conductor de platino y otros metales, se utilizan para medir temperaturas por contacto o inmersión, y en especial para un rango de temperaturas elevadas, donde no se pueden utilizar semiconductores u otros materiales sensibles. Su funcionamiento está basado en el hecho de que en un metal, cuando sube la temperatura, aumenta la resistencia eléctrica.

Termocuplas

El sensor de una termocupla está formado por la unión de dos piezas de metales diferentes. La unión de los metales genera un voltaje muy pequeño, que varía con la temperatura. Su valor está en el orden de los milivolts, y aumenta en proporción con la temperatura. Este tipo de sensores cubre un amplio rango de temperaturas: -180 a 1370 °C.

Diodos para medir temperatura

Se puede usar un diodo semiconductor ordinario como sensor de temperatura. Un diodo es el sensor de temperatura de menor costo que se puede hallar, y a pesar de ser tan barato es capaz de producir resultados más que satisfactorios. Sólo es necesario hacer una buena calibración y mantener una corriente de excitación bien estable. El voltaje sobre un diodo conduciendo corriente en directo tiene un coeficiente de temperatura de alrededor de 2,3 mV/°C y la variación, dentro de un rango, es razonablemente lineal. Se debe establecer una

corriente básica de excitación, y lo mejor es utilizar una fuente de corriente constante, o sino un resistor conectado a una fuente estable de voltaje.

Circuitos integrados para medir temperatura

Existe una amplia variedad de circuitos integrados sensores de temperatura (se puede encontrar una lista en el link de abajo con la información detallada). Estos sensores se agrupan en cuatro categorías principales: salida de voltaje, salida de corriente, salida de resistencia y salida digital. Con salida de voltaje podemos encontrar los muy comunes LM35 (°C) y LM34 (°K) de National Semiconductor. Con salida de corriente uno de los más conocidos es el AD590, de Analog Devices. Con salida

digital son conocidos el LM56 y LM75 (también de National). Los de salida de resistencia son menos comunes, fabricados por Phillips y Siemens.

Pirosensores (sensores de llama a distancia)

Existen sensores que, basados en la detección de una gama muy angosta de ultravioletas, permiten determinar la presencia de un fuego a buena distancia. Con los circuitos que provee el fabricante, un sensor de estos (construido con el bulbo UVTron) puede detectar a 5 metros de distancia un fósforo (cerilla) encendido dentro de una habitación soleada. En el mercado de sensores industriales se puede encontrar una variedad amplia de sensores de llama a distancia, algunos que detectan también ultravioleta y otros que se basan en los infrarrojos, aunque por lo que pude ver, la mayoría son de tamaño bastante grande. Otro sensor que se utiliza en robótica, en este caso sensible a los infrarrojos, es el módulo TPA81.

Sensores de humedad

La detección de humedad es importante en un sistema si éste debe desenvolverse en entornos que no se conocen de antemano. Una humedad excesiva puede afectar los circuitos, y también la mecánica de un robot. Por esta razón se deben tener en cuenta una variedad de sensores de humedad disponibles, entre ellos los capacitivos y resistivos, más simples, y algunos integrados con diferentes niveles de complejidad y prestaciones.

Sensores magnéticos

En robótica, algunas situaciones de medición del entorno pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos. En principio, si nuestro robot debe moverse en ambientes externos a un laboratorio, una aplicación importante es una brújula que forme parte de un sistema de orientación para nuestro robot. Otra aplicación es la medición directa de campos magnéticos presentes en las inmediaciones, que podrían volverse peligrosos para el "cerebro" de nuestro robot si su intensidad es importante. Una tercera aplicación es la medición de sobrecorrientes en la parte motriz (detectando la intensidad del campo magnético que genera un conductor en la fuente de alimentación). También se podrán encontrar sensores magnéticos en la medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.

Sensores de proximidad

Los sensores de proximidad que se obtienen en la industria son resultado de la necesidad de contar con indicadores de posición en los que no existe contacto mecánico entre el actuador y el detector. Pueden ser de tipo lineal (detectores de desplazamiento) o de tipo conmutador (la conmutación entre dos estados indica una posición particular). Hay dos tipos de detectores de proximidad muy utilizados en

la industria: inductivos y capacitivos.Los detectores de proximidad inductivos se basan en el fenómeno de amortiguamiento que se produce en un campo magnético a causa de las corrientes inducidas (corrientes de Foucault) en materiales situados en las cercanías. El material debe ser metálico. Los capacitivos funcionan detectando las variaciones de la capacidad parásita que se origina entre el detector propiamente dicho y el objeto cuya distancia se desea medir. Se emplean para medir distancias a objetos metálicos y no metálicos, como la madera, los líquidos y los materiales plásticos.

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.

Existen tres tipos de actuadores: Hidráulicos Neumáticos Eléctricos

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de

precisión y mantenimiento. Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots.

1.3.3. Sistemas de control.

Un sistema de control ayuda mantener regulado un conjunto de componentes, regula la conducta de un sistema dependiendo de las situaciones que se presentan en el entorno, todo esto con el fin de obtener un sistema autosuficiente. Las características que posee un sistema de control son los siguientes:

Señal de corriente de entrada: Es el estímulo que recibe el sistema. Señal de corriente de salida: Es la respuesta otorgada por el sistema. Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para

lograr la respuesta deseada. Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se

producen en la variable. Variaciones externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un

cambio de orden correctivo. Fuente de energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar

cualquier tipo de actividad dentro del sistema. Retroalimentación: La retroalimentación es una característica importante de los

sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables del sistema. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, éste puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva.

Clasificación de los sistemas de control según su comportamiento

1. Sistema de control de lazo abierto: Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada, y da como resultado una señal de salida independiente. Estos sistemas se caracterizan por:

Sencillos y de fácil conceptos

Nada asegura su estabilidad ante una perturbación

La salida no se compara con la entrada

Afectado por las perturbaciones

La precisión depende de la previa calibración del sistema

2. Sistema de control de lazo cerrado: Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Sus características son:

Complejos, pero amplios de parámetros. La salida se compara con la entrada y la afecta para el control del sistema. Estos sistemas se caracterizan por su propiedad de retroalimentación.

Mas estable a perturbaciones y variaciones internas

Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sería el termotanque de agua que utilizamos para bañarnos.

Tipos de sistemas de control

Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos:

1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento.

2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento o no, y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia.

3. Cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales. Se encuentra el sistema de control de un hombre que conduce su vehículo, este sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil.

4. Un sistema de control puede ser neumático, eléctrico, mecánico o de cualquier tipo, y su función es recibir entradas, y coordinar una o varias respuestas según su lazo de control (para lo que esta programado).

Características de un sistema de control

1. Señal de corriente de entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica.

2. Señal de corriente de salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.

3. Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respeta deseada.

4. Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. 5. Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se

producen en la variable. 6. Variaciones externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un

cambio de orden correctivo.

7. Fuente de energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema.

8. Retroalimentación: La retroalimentación es una característica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables del sistema. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, éste puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva.

1.3.4.Computadoras y Sistemas Lógicos

Una computadora (del latín computare -calcular-), también denominada como ordenador o computador es un sistema digital con tecnología microelectrónica, capaz de recibir y procesar datos a partir de un grupo de instrucciones denominadas programas, y finalmente transferir la información procesada o guardarla en algún tipo de dispositivo o unidad de almacenamiento.

La característica principal que la distingue de otros dispositivos similares, como una calculadora no programable, es que puede realizar tareas muy diversas cargando distintos programas en la memoria para que

el procesador los ejecute.

Al contrario de los sistemas físicos, las computadoras contienen el orden lógico de un sistema, su composición abstracta. El orden lógico le da a un sistema mecánico una serie de instrucciones, es el cerebro de un sistema mecánico-eléctrico. El conjunto de sistemas mecánicos-eléctricos y de orden lógico, se le denominan sistemas Mecatrónicos.

1.3.5.Software y adquisición de datos.

El software es el conjunto de programas y procedimientos para realizar una tarea específica. Los sistemas de software, comúnmente llamados sistemas operativos, facilita la interacción de software con hardware. La adquisición de datos es el elemento principal de un sistema de control, con la adquisición de datos, el sistema de control conocerá qué es lo que sucede en el proceso que se lleva a cabo en los sistemas mecánicos-electrónicos, con la adquisición de datos, una persona puede observar la producción y efectividad de los sistemas.

Se denomina software (palabra de origen anglosajón, pronunciada "sóft-uer"), programa, equipamiento lógico o soporte lógico a todos los componentes intangibles de una computadora, es decir, al conjunto de programas y procedimientos necesarios para hacer posible la realización de una tarea específica, en contraposición a los componentes físicos del sistema (hardware). Esto incluye aplicaciones informáticas tales como un procesador de textos, que permite al usuario realizar una tarea, y software de sistema como un sistema operativo, que permite al resto de programas funcionar adecuadamente, facilitando la interacción con los componentes físicos y el resto de aplicaciones.

El término «software» fue usado por primera vez en este sentido por John W. Tukey en 1957. En las ciencias de la computación y la ingeniería de software, el software es toda la información procesada por los sistemas informáticos: programas y datos. El concepto de leer diferentes secuencias de instrucciones de la memoria de un dispositivo para controlar cálculos fue inventado por Charles Babbage como parte de su máquina diferencial. La teoría que forma la base de la mayor parte del software moderno fue propuesta por vez primera por Alan Turing en su ensayo de 1936, Los números computables, con una aplicación al problema de decisión. Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera, de forma general puede estar compuesto por los siguientes elementos.

1. Sensores.

2. Amplificadores operacionales.

3. Amplificadores de instrumentación.

4. Aisladores.

5. Multiplexores analógicos.

6. Multiplexores digitales.

7. Circuitos Sample and Hold.

8. Conversores A-D.

9. Conversores D-A.

10.Microprocesadores.

11.Contadores.

12.Filtros.

13.Comparadores.

14.Fuentes de potencia.

1.4. Integración interdisciplinaria.

2.4.1. Mecánica de Precisión

Un objetivo de la mecatrónica es integrar a la tecnología mecánica con tecnología electrónica para aumentar los niveles de productividad, calidad, versatilidad y precisión.

La precisión con la que se produce en una industria, afecta directamente la calidad de sus productos, con la calidad se gana confiabilidad entre los clientes, es por ello que es de gran importancia. Gracias a que cada vez se exige mayor calidad, la tolerancia de precisión en las industrias ha disminuido, por lo que se tiende cada vez más a la excelencia en precisión.

Desarrollos significativos de la mecánica de precisión

El pleno desarrollo tecnológico de nuevos procesos de mecanizado mediante ordenadores (CNC) o procesos electroquímicos tales como electroerosión ha promovido el despegue de lo que se considera mecánica de precisión también conocido como mecatrónica.

El proceso de la mecánica de precisión lo conforman la interacción de la mecánica con la óptica, la electrónica la informática y los sistemas de control.

La mecánica de precisión se encarga de la fabricación de componentes que son usados de forma masiva por las telecomunicaciones, microsistemas, instrumentos de medida, aparatos ópticos, ordenadores, industria aeroespacial, etc.

Control numérico de maquinas herramientas.

La operación y control de las ya clásicas maquinas herramientas mediante instrucciones dadas a la máquina mediante un ordenador asociado a la misma.

Robótica

Se denominan robots a los elementos que son capaces de realizar cualquier trabajo físico o mental estando asistidos por un programa de ordenador Técnicamente, existe un primer nivel de robots, diseñados para ejecutar respectivamente una secuencia de operaciones mecánicas controladas por un programa. Básicamente son brazos o manipuladores mecánicos, poco estáticos, que realizan con precisión e incansablemente tareas como la soldadura de piezas, colocación de pernos, pintura de carrocerías u operaciones más peligrosas como alimentación de hornos y de prensas de forjar.

Robots cibernéticos

En un segundo nivel, los robots poseen importantes dispositivos adicionales, particularmente "ojos" constituidos por cámaras de televisión. A través de ellas, el robot toma del medio ambiente un difuso patrón de luces, sombras y colores y alimenta a una computadora. Esta realiza un análisis de escenas y registra así en su memoria los objetos que lo rodean. A partir de esa información, el robot guiado por la inteligencia artificial instrumentada en la computadora planifica su actividad, generando y comparando secuencias de operaciones y eligiendo aquella que ejecutara para cumplir con el objetivo de trabajo ordenado. Se trata de auténticos ingenios cibernéticos, cuyo funcionamiento está automáticamente controlado y ajustado en función de las variaciones del entorno, aplicando para ello, en el mundo de la tecnología, el principio

de realimentación de la información. Este segundo y más avanzado nivel de robots tiene, respecto del primero, una importantísima propiedad: la versatilidad.

2.4.2. Control Electrónico

Control electrónico Se define como mando, gobierno y regulación de esta forma cuando hablamos de control de motores, equipos o maquinas, nos referimos al gobierno, mando y regulación de las funciones de dichos equipos, cada elemento del sistema utilizado para gobernar una maquina se denomina componentes de control. Y se clasifican en:

A) Manuales B) semiautomáticos C) automáticos.

El control electrónico es el control por medio de interruptores, relevadores, elementos que regulan a un sistema electrónico. En los procesos de automatización, es utilizado los PLC’s(Programable Logic Controller), este dispositivo permite el almacenar serie de instrucciones dentro de su memoria, permite elaborar instrucciones específicas o lógicas. Para usar PLC’s no se requiere conocimientos informáticos, si no más bien conocimientos de carácter eléctricos.

2.4.3. Ciencias Computacionales

Las ciencias de la computación abarcan el estudio de las bases teóricas de la información y la computación y su aplicación en sistemas computacionales. Existen diversos campos dentro de la disciplina de las ciencias de la computación; algunos enfatizan los resultados específicos del cómputo (como los gráficos por computadora), mientras que otros (como la teoría de la complejidad computacional) se relacionan con propiedades de los algoritmos usados al realizar cómputos. Otros por su parte se enfocan en los problemas que requieren la implementación de cómputos. Por ejemplo, los estudios de la teoría de lenguajes de programación describen un cómputo, mientras que la programación de computadoras aplica lenguajes de programación específicos para desarrollar una solución a un problema computacional concreto.

Las ciencias de la computación abarcan el estudio de las bases teóricas de la información y la computación y su aplicación en sistemas computacionales.

Existen diversos campos dentro de la disciplina de las ciencias de la computación; algunos enfatizan los resultados específicos del cómputo (como los gráficos por computadora), mientras que otros (como la teoría de la complejidad computacional) se relacionan

con propiedades de los algoritmos usados al realizar cómputos. Otros por su parte se enfocan en los problemas que requieren la implementación de cómputos. Por ejemplo, los estudios de la teoría de lenguajes de programación describen un cómputo, mientras que la programación de computadoras aplica lenguajes de programación específicos para desarrollar una solución a un problema computacional concreto.

2.5. Integración del Diseño, Proyecto y Manufactura de Ingeniería

En la actualidad, gracias a los avances científicos, se han desarrollado y mejorado los tipos de diseño, la forma de hacer proyectos, y la forma de diseñar los procesos de manufactura. Gracias a la intervención de las computadoras, han aparecido diferentes tipos de software, que son herramientas útiles para el ser humano, dependiendo de sus necesidades.

En nuestro caso, el Ingeniero se apoya con las nuevas herramientas del diseño para lograr diseñar con mayor rapidez, efectividad y precisión. Por ejemplo, para un ingeniero civil, ya no se requiere de estar sentado en frente de un restirador para dibujar edificios, sino que ahora se apoyan por medio del software de diseño arquitectónico para diseñarlos con mayor rapidez, precisión y efectividad.

Decimos entonces que, debido a la revolución a las computadoras, los estándares de calidad han aumentado, la velocidad de producción en una industria ha incrementado, el almacenamiento de la información se ha hecho más vasto.En la Industria de Manufactura, los Ingenieros para diseñar se apoyan con los CAM (Manufactura asistida por computadora) y los CAD (Diseño Asistido por Computadora), con esto logran una optimización del tiempo, recursos, velocidad de producción, gestión de calidad.

En las empresas, en cualquier sector, al momento de realizar un proyecto de ingeniería, se necesitan tomar decisiones, por lo que requieren de SAD (Sistemas de Apoyo a las Decisiones), estos programas dan a conocer valores estadísticos de una manera sencilla, rápida y actualizada sobre todo.