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ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO DEL GOBIERNO FEDERAL

Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos Manual para el alumno Quinto semestre

E-INOSI-01

Profesional TécnicoProfesional TécnicoProfesional TécnicoProfesional Técnico----BachillerBachillerBachillerBachiller

MecatrónicaMecatrónicaMecatrónicaMecatrónica


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos II

DIRECTORIO Director General Wilfrido Perea Curiel Secretario Académico Francisco de Padua Flores Flores Director de Desarrollo Curricular de la Formación B ásica y Regional Carmelo Tomás Pérez Alvarado Directora de Diseño Curricular de la Formación Ocup acional Violeta Araceli Figueroa Villarreal Director de Formación Académica Fernando Eulogio Sánchez Robles Directora de Acreditación y Operación de Centros de Evaluación Virginia Rivera Bernal

Nombre del Módulo: Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos Tipo de Módulo: Autocontenido Específico

D.R. a 2008 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la ley Penal. E-CBNC Calle 16 de septiembre 147 Norte Col. Lázaro Cárdenas, C.P. 52148 Metepec, Estado de México.


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos III

ÍNDICE

Mensaje al alumno 6

Competencias

7

Simbología 8

CAPÍTULO 1 IDENTIFICACIÓN DE UN SISTEMA MECATRÓNICO 9 Presentación 10 1.1.1 Disciplinas que conforman la mecatrónica 11

• Concepto de mecatrónica 11 • Áreas de aplicación de la mecatrónica 11

1.1.2. Requerimientos de sistemas mecatrónicos 12 • Sistemas 12 • Sistema de medición 13 • Sistema de control 18

1.2.1. Sensores y transductores 23 • Terminología de funcionamiento 23 • Desplazamiento, posición y proximidad 28 • Velocidad y movimiento 35 • Fuerza 36 • Presión de fluidos 37 • Nivel de líquidos 38 • Temperatura 39 • Sensores de luz 48

1.2.2. Acondicionadores de señales. 52 • Acondicionamiento de señales 52 • Protección 53 • Filtrado 53 • Señales digitales 56 • Adquisición de datos 58

1.2.3. Sistemas de presentación de datos 61 • Dispositivos para presentación visual 61 • Elementos para la presentación de datos 62 • Visualizadores 63

1.2.4. Control en lazo cerrado 66 • Procesos continuos y discretos 66 • Modos de control 67 • Modos de dos posiciones 69 • Controlador PID 69

1.2.5. Lógica digital y Microprocesadores 69 • Compuertas lógicas 69 • Lógica secuencial 70


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos IV

• Estructura de una microcomputadora 71 • Microcontroladores 72

1.2.6. Sistemas de entrada/salida 73 • Interfaces 73 • Puertos de entrada/salida 73 • Adaptador de interfaz para dispositivos periféricos 77

1.2.7. Sistemas de comunicación 78 • Comunicaciones digitales 78 • Control centralizado, jerárquico y distribuido 79 • Redes 81 • Protocolos 82 • Interfaces de comunicación 83

1.3.1. Sistemas de actuación mecánica 85 • Tipos de movimiento. 85 • Cadenas cinemáticas. 92 • Levas. 94 • Trenes de engranes. 95 • Rueda dentada 96 • Transmisión por correa y cadena. 99 • Chumaceras. 100

1.3.2. Sistema de actuación eléctrica 101 • Interruptores mecánicos 101 • Interruptores de estado sólido 102 • Solenoides 103 • Motores de CD 104 • Motores de CA 104 • Motores de paso. 105 • Servomecanismos eléctricos. 107

1.3.3. Sistemas de actuación neumática 112 • Válvulas para control dirección 112 • Válvulas de control de presión. 115 • Válvulas de control de flujo. 117 • Temporizadores. 120 • Servomecanismos neumáticos. 121

1.3.4. Sistemas de actuación hidráulica. 122 • Válvulas para control de dirección. 122 • Válvulas de control de presión. 123 • Válvulas para control de flujo. 125 • Servomecanismos hidráulicos. 126

Actividades 127 Prácticas 128 Transferencia a otros contextos 152 Autoevaluación 153 CAPÍTULO 2 INSTALACIÓN DE SISTEMAS MECATRÓNICOS 154 Presentación 155


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos V

2.1.1. Consideraciones para la instalación de un si stema mecatrónico 156 • Interpretación de los planos de un sistema mecatrón ico 156 • Consideraciones del ambiente donde se instalará el sistema mecatrónico 163

2.1.2. Instalación de un sistema mecatrónico 164 • Herramientas y componentes necesarios para la insta lación del sistema

mecatrónico 164

• Interpretación y seguimiento de las especificacione s del fabricante 165 2.2.1 Pruebas necesarias para el funcionamiento idó neo del sistema mecatrónico 165

• Identificar las variables de interés 165 • Comprobar el comportamiento de las variables de int erés 165

2.2.2 Puesta a punto del sistema mecatrónico 166 • Ajuste de los componentes del sistema mecatrónico p ara un óptimo

funcionamiento 166

• Verificación del comportamiento de las variables de interés 167 Actividades 169 Prácticas 170 Transferencia a otros contextos 181 Autoevaluación 182 CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMAS MECATRÓNICOS 183 Presentación 184 3.1.1. Funcionamiento de una máquina mecatrónica 185

• Interpretación de las instrucciones de operación de l fabricante para el funcionamiento de la máquina mecatrónica

185

• Bitácora en la operación de una máquina mecatrónica 188 3.1.2. Funcionamiento del sistema mecatrónico con c arga 189

• Pruebas de funcionamiento del sistema mecatrónico c on carga 189 • Manejo de parámetros de arranque 190

3.2.1. Condiciones para la operación de la máquina mecatrónica 194 • Requerimientos para la operación de la máquina meca trónica 194 • Comportamiento de las variables de interés de la má quina mecatrónica 198

3.2.2. Variables que requieren de supervisión 199 • Desperfectos en los componentes de la máquina. 199 • Normas de seguridad requeridas en la operación de u n sistema mecatrónico 200

Actividades 202 Prácticas 203 Transferencia a otros contextos 216 Autoevaluación 217 Respuestas a la autoevaluación 218 Sugerencias bibliográficas 221 Glosario 222 Referencias Documentales 224


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos VI

MENSAJE AL ALUMNO El presente manual apoya el aprendizaje de los contenidos del módulo de Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos . Es parte de la carrera de Profesional Técnico Bachiller en Mecatrónica. Su finalidad es proporcionarte los conocimientos y habilidades que te permitan la identificación de los distintos elementos que conforman un sistema mecatrónico, así como la interpretación de las instrucciones del fabricante para la instalación y operación de sistemas mecatrónicos. Las competencias desarrolladas con el apoyo de este manual son importantes para el desempeño de tu actividad como técnico profesional, ya que constituyen la base de diversas actividades desarrolladas en la industria y talleres. Este manual se organiza en tres capítulos: el primero trata la identificación de un sistema mecatrónico, indicando las características físicas y de funcionamiento. El segundo aborda la instalación de un sistema mecatrónico, señalando los componentes, pruebas y puesta a punto. El tercero se enfoca a la operación de sistema mecatrónico de acuerdo con las instrucciones, condiciones y comportamiento de las variables.


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos VII

COMPETENCIAS La relación entre competencias laborales que se desarrollarán en este manual y los capítulos en que se encuentran ellas se muestran a continuación:

Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos

Competencias Laborales

Capítulos

• Determinar la necesidad del requerimiento de una máquina mecatrónica de acuerdo al tipo de aplicación deseado.

• Determinar la naturaleza y características de los componentes que conforman una máquina mecatrónica.

• Determinar las condiciones óptimas de instalación de una máquina mecatrónica.

1

• Instalar una máquina mecatrónica de acuerdo con las

especificaciones de diseño. • Realizar pruebas de funcionamiento de una máquina

mecatrónica.

2

• Operar una máquina mecatrónica según las especificaciones

del fabricante. • Realizar bitácoras del funcionamiento de una máquina

mecatrónica. • Determinar el comportamiento de las variables de interés de

una máquina mecatrónica.

3


Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos 8

SIMBOLOGÍA

Investigación de campo

Investigación documental

Actividad Individual

Trabajo en equipo

Ejercicios

Prácticas

Transferencia a otros contextos

Autoevaluación



1 Identificación de un Sistema Mecatrónico



PRESENTACIÓN Bienvenido al estudio del primer capítulo de este manual. De manera general te quiero reseñar los resultados de aprendizaje que integran este capítulo, con el fin de que tengas un panorama completo de los contenidos que serán tema de estudio y puedas visualizar el alcance de las competencias que deberás adquirir en el transcurso de tu aprendizaje. Al finalizar el capítulo, podrás identificar las funciones y características de un sistema mecatrónico de acuerdo con sus aplicaciones para su adecuado funcionamiento. El siguiente diagrama ilustra los principales conceptos sobre los que trabajarás en el primer capítulo.

Mecatrónica

Disciplinas relacionadas

Tipos de sistemas utilizados en la

mecatrónica

Componentes de los sistemas mecatrónicos



1.1.1. Disciplinas que conforman la mecatrónica

• Concepto de mecatrónica El término "Mecatrónica" fue introducido por primera vez en 1969 por el ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yakasawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática, estabilidad y alcanzabilidad. Teniendo como objetivo la optimización de los elementos industriales a través de la optimización de cada uno de sus subprocesos con nuevas herramientas sinérgicas. La mecatrónica surge de 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.

• Áreas de aplicación de la mecatrónica En cuanto a aplicaciones, los rubros más importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica.



La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas flexibles y reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica. Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas (por medio de conexiones TCP/IP), estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces hápticas, navegación y locomoción. La aplicación de la Mecatrónica en el transporte se desarrolla en el diseño de mecanismos activos (ejemplo: suspensiones activas), control de vibraciones, estabilización de mecanismos y navegación autónoma. En la manufactura , la Mecatrónica se ha servido de los modelos de sistemas a eventos discretos, y los ha aplicado para el diseño óptimo de líneas de producción así como la optimización de procesos ya existente. También ha ayudado a automatizar las líneas de producción y generar el concepto de manufactura flexible. Antecedentes de la Mecatrónica son las máquinas de control numérico. En este tema los desarrollos más recientes son: análisis, detección y control de vibraciones, y temperatura, en las herramientas de corte, diagnóstico de las herramientas de corte y prototipaje rápido, electroerosionado y síntesis por láser. Las nanomáquinas son un área que se han beneficiado de los desarrollos de la Mecatrónica. Un ejemplo muy evidente es el desarrollo del disco duro. Las líneas de investigación más manejadas son: micromanejo, microactuadores y micromaquinado. La biomecatrónica es la aplicación de la mecatrónica para resolver problemas de sistemas biológicos, en particular el desarrollo de nuevos tipos de prótesis, simuladores quirúrgicos, control de posición de instrumental médico (por ejemplo catéteres), sillas de ruedas y teleoperación quirúrgica. 1.1.2. Requerimientos de sistemas mecatrónicos

• Sistemas Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etcétera se deben considerar como sistemas mecatrónicos.



• Sistema de medición

− Sensor Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etcétera. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etcétera. Los sensores son dispositivos que permiten medir el estado del mecanismo o del medio ambiente. La incorporación de sensores a los mecanismos es el resultado de utilizar controles de lazo cerrado. Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros. Por otro lado, se tiene la fusión de sensores. Un problema que se ha manejado recientemente es el desarrollo de referenciales para determinar la posición y orientación en problemas de navegación, siendo resuelto por medio de sistemas de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés).

− Acondicionador de señal La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. Un ejemplo de amplificador es el amplificador de instrumentación, que es muy inmune a cierto tipo de ruido. No sólo hay que adaptar niveles, también puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que, hay que linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser hardware o software, en este último caso ya no es parte del acondicionador. Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que, también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión. Un ejemplo de cuando la información no está en el nivel de tensión puede ser un sensor capacitivo, en el que se necesita que tenga una señal variable en el tiempo (preferentemente sinusoidal).



Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. La figura 1, muestra la disposición eléctrica del circuito y la Figura 2 corresponde a la imagen real de un puente de Wheatstone típico. Vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable

Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos C y B. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro V. La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida.

Figura 1.-Disposición del Puente de Wheatstone



Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (Corriente nula por el galvanómetro). Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro. De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor.

Figura 2.- Imagen de un Puente de Wheatstone típico

Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA). Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacidades e inductancias La disposición en puente también es ampliamente utilizada en instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variación. A la salida del puente (en la Figura 1, donde está el galvanómetro) suele colocarse un amplificador.



− Sistema de presentación visual

Una de las nuevas tendencias es la instrumentación virtual con sistemas de presentación visual. La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para ello se emplea un procesador (normalmente un PC) que ejecute un programa específico, este programa se comunica con los dispositivos para configurarlos y leer sus medidas. Las ventajas de la instrumentación virtual son que es capaz de automatizar las medidas, procesado de la información, visualización y actuación remotamente, etc. Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE (antes HP-VEE). Y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS-232, USB, etcétera LabVIEW es una herramienta gráfica para pruebas, control y diseño mediante la programación. El lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico.

Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. Ahora está disponible para las plataformas Windows, UNIX, Mac y Linux y va por la versión 8.5 y 8.5.1 con soporte para Windows Vista. Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, lo que da una idea de su uso en origen: el control de instrumentos. El lema de LabVIEW es: "La potencia está en el Software". Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y el permitir la entrada a la informática a programadores no expertos. Esto no significa que la empresa haga únicamente software, sino que busca combinar este software con todo tipo de hardware, tanto propio -tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, y otro Hardware- como de terceras empresas. Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer (programas) relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Los programas en LabView son llamados instrumentos virtuales ( VIs) Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. El labView 7.0 introduce un nuevo tipo de subVI llamado VIs Expreso (Express VIS).



Estos son VIs interactivos que tienen una configuración de caja de diálogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad del VI Expreso. El VIs estándar son VIs modulares y personalizables mediante cableado y funciones que son elementos fundamentales de operación de LabView.

Como se ha dicho, un sistema de presentación visual es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Un programa se divide en Panel Frontal y Diagrama de Bloques. El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, en la cual se definen los controles e indicadores que se muestran en pantalla (cómo el usuario interacciona con el VI). El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada función y se interconectan. Suele haber una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI con otros VIs. La figura siguiente muestra un Diagrama de Bloques de un programa en el que se genera un array de 100 elementos aleatorios, a continuación se hace la FFT de este array y se muestra en una gráfica:

Figura 3 Diagrama de Bloques



• Sistema de control

− Sistema de lazo abierto La regulación automática es una rama de la ingeniería que se ocupa del control de un proceso en un estado determinado; por ejemplo, mantener la temperatura de una calefacción, el rumbo de un avión o la velocidad de un automóvil en un valor establecido. La regulación automática, también llamada Teoría de Control, estudia el comportamiento de los sistemas dinámicos, tratándolos como cajas o bloques con una entrada y una salida. En general, la entrada al sistema es una señal analógica o digital que se capta en algún punto del sistema. Los bloques intermedios representan las diversas acciones perturbadoras que afectan a la señal, como rozamientos en los actuadores, así como el efecto de los elementos de control interpuestos, los reguladores. Estos efectos se suelen representar mediante las funciones matemáticas que los describen, llamadas funciones de transferencia. La salida del sistema se llama referencia y corresponde al valor de la señal tras actuar sobre ella las anteriores funciones de transferencia. Cuando una o más de las variables de salida de un sistema tienen que seguir el valor de una referencia que cambia con el tiempo, se necesita interponer un controlador que manipule los valores de las señales de entrada al sistema hasta obtener el valor deseado de salida.

Aunque existen diversos tipos de sistemas de control desde la antigüedad, la formalización del dominio de la regulación comenzó con un análisis de la dinámica del regulador centrífugo, dirigida por el físico James Clerk Maxwell en 1868 bajo el título On Governors, sobre los reguladores describió y analizó el fenómeno de la "caza", en el que retrasos en el sistema pueden provocar una compensación excesiva y un comportamiento inestable. Se generó un fuerte interés sobre el tema, durante el cual el compañero de clase de Maxwell, Edward John Routh, generalizó los resultados de Maxwell para los sistemas lineales en general. Este resultado se conoce con el nombre de Teorema de Routh-Hurwitz. Durante la Segunda Guerra Mundial, la Teoría de Control fue parte importante de los sistemas de control de disparo, sistemas de guiado y electrónicos. La carrera espacial también dependía del control preciso de las naves. Por otra parte, la Teoría de Control también ha visto un uso creciente en campos como la economía y la sociología. Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa doméstica. El remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa.



En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada. En la práctica el control de lazo abierto sólo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es conocida, y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas. Desde luego, tales sistemas no son sistemas de control retroalimentado. Cualquier sistema de control que funciona sobre una base de tiempos, es un sistema de lazo abierto. Por ejemplo, el control de tráfico con señales accionadas en función de tiempos, es otro caso de control de lazo abierto.

Figura 4 Ilustración: Lazo de control abierto

La tarea del operador en la ilustración de arriba, es la de ajustar la presión (p2) en una tubería por medio de una válvula de control. Para este propósito, el utiliza un valor asignado que determina una cierta señal de control (y) surgida de un ajustador remoto para cada set point (w). Dado que este método de control no considera posibles fluctuaciones en el flujo; es recomendado únicamente en sistemas donde las perturbaciones no afecten la variable de control.



− Sistema de lazo cerrado Para evitar los problemas del control en lazo abierto, la teoría de control introduce la realimentación. Un regulador de lazo cerrado utiliza la realimentación para controlar los estados y las salidas de un sistema dinámico. El nombre de "lazo cerrado" hace referencia al camino que sigue la información en el sistema: las entradas al proceso (p. ej. la tensión que se aplica a un motor eléctrico) afecta a las salidas del proceso (p. ej., la velocidad o el par que ofrece el motor). Estas salidas se miden con sensores (captadores en el lenguaje de control) y se procesan, una vez comparadas con la referencia o consigna, mediante un controlador o regulador; el resultado, una señal de control, se añade a la entrada del proceso, cerrando el lazo. El control de lazo cerrado siempre debe estar formado por:

Un proceso Medida y transmisión de la variable Controlador Elemento final de control

El control con lazo cerrado presenta las siguientes ventajas sobre el control en lazo abierto:

Corrección de las perturbaciones (tales como rozamiento impredecible en un motor). Buen comportamiento incluso con incertidumbre en el modelo, es decir, en aquellos

casos en que la estructura del modelo no representa perfectamente la realidad del proceso o los parámetros del modelo no se pueden medir con absoluta precisión.

Permite estabilizar procesos inestables. Tolerancia a variaciones en los parámetros.

La única desventaja del control en lazo cerrado frente al control en lazo abierto, es que el primero, reduce la ganancia total del sistema. Esto lleva al uso conjunto del control en lazo abierto y cerrado, para mejorar el rendimiento. Una arquitectura muy frecuente para un regulador en lazo cerrado es el regulador PID. La salida del sistema y(t) se compara con el valor de referencia r(t), a través de las medidas de un sensor. Se alimenta el error e al regulador C. Se define el error e como la diferencia entre el valor de referencia y la salida del sistema. En función del error, el regulador modifica su salida, que es precisamente la alimentación al proceso que se está controlando. Este esquema es el que se muestra en la siguiente figura. El sistema en la figura es un sistema sencillo de una sola entrada y una sola salida, SISO (del inglés single-input-single-output); los sistemas más complejos, MIMO (Multi-Input-Multi-Output) son bastante frecuentes. En estos casos, las variables se representan mediante vectores en lugar de valores escalares.



Figura 5 Sistema SISO

Si suponemos que el regulador C y el proceso P son lineales e invariantes en el tiempo (es decir, los elementos de su función de transferencia C(s) y P(s) no dependen del tiempo), el sistema de la figura se puede analizar aplicando la transformada de Laplace sobre las variables. Esto proporciona las siguientes relaciones:

Despejando Y(s) en función de R(s) se obtiene:

El término

Se denomina función de transferencia del sistema. El numerador es la ganancia en lazo abierto de r a y, y el denominador es uno más la ganancia del lazo cerrado. Si



Entonces Y(s) es muy parecido a R(s), lo que significa que la salida se ajusta muy bien a la referencia r de control.

En un sistema de lazo de control cerrado, la variable ha ser controlada (Variable controlada x) es continuamente medida y así comparada con un valor predeterminado (Variable de referencia w). Si existe una diferencia entre estas dos variables (error e o desviación del sistema xw), ajustes son realizados hasta que la diferencia cuantificada es eliminada y la variable controlada iguala la variable de referencia. Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado o control de lazo cerrado. La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema.

Figura 6 Ilustración: Lazo de control cerrado



El bosquejo del operador de la ilustración anterior, monitorea la presión p2 en una tubería para la cual diferentes consumidores están conectados. Cuando se incrementa el consumo, la presión en la tubería decrece. El operador reconoce que la presión cae y cambia la presión de control de la válvula de control neumática hasta que la presión deseada p2 es alcanzada de nuevo. A través del monitoreo de la presión y la inmediata reacción, el operador asegura que la presión es mantenida al nivel deseado. Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de parámetros del sistema. De este modo, es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y económicos, y lograr la exactitud de control requerida en determinada planta, cosa que sería imposible en un control de lazo abierto. Desde el punto de vista de la estabilidad, en el sistema de control de lazo abierto , ésta es más fácil de lograr, ya que en él la estabilidad no constituye un problema importante. En cambio, en los sistemas de lazo de control cerrado, la estabilidad si es un problema importante, por su tendencia a sobre corregir errores que pueden producir oscilaciones de amplitud constante o variable. Hay que puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente y en los que no hay perturbaciones, es preferible utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo cerrado tienen ventajas solamente si se presentan perturbaciones no previsibles y/o variaciones imprevisibles de componentes del sistema. Nótese que la potencia de salida determina parcialmente el costo, peso y tamaño de un sistema de control. La cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un sistema de control de lazo abierto. Así, entonces un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor costo y potencia. 1.2.1. Sensores y transductores

• Terminología de funcionamiento Recuerda que un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etcétera. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etcétera.



Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 mA, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable censada dentro de un rango (span), para fines de control de dicha variable en un proceso.[cita requerida]

Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Las áreas de aplicación de los sensores son: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etcétera.

Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.

Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de

entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.

Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la

variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la

salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la

magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como



por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm. Entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm., pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos; la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida. En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.

Magnitud Transductor Característica

Potenciómetro Analógica Posición lineal o angular

Encoder Digital

Transformador diferencial Analógica Desplazamiento y deformación

Galga extensiométrica Analógica

Dinamo tacométrica Analógica

Encoder Digital Velocidad lineal y angular

Detector inductivo Digital

Aceleración Acelerómetro Analógico

Fuerza y par (deformación) Galga extensiométrica Analógico

Membranas Analógica Presión

Piezoeléctricos Analógica

Turbina Analógica Caudal

Magnético Analógica



Termopar Analógica

RTD Analógica

Termistor NTC Analógica

Termistor PTC Analógica

Temperatura

Bimetal I/0

Inductivos I/0

Capacitivos I/0 Sensores de presencia

Ópticos I/0 y Analógica

Matriz de contactos I/0 Sensores táctiles

Piel artificial Analógica

Cámaras de video Procesamiento

digital Visión artificial

Cámaras CCD o CMOS Procesamiento

digital

Sensor final de carrera

Sensor capacitivo

Sensor inductivo Sensor de proximidad

Sensor fotoeléctrico

Sensor acústico (presión

sonora) micrófono

Sensores de acidez IsFET

fotodiodo

Fotorresistencia Sensor de luz

Fototransistor

Sensores captura de

movimiento Sensores inerciales

Tabla 1 Tipos y ejemplos de sensores electrónicos



Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la aceleración de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su velocidad. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón). Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra energía diferente a la salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (p.e. electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa), aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen algo de energía por lo que la señal medida resulta debilitada.

Tipos de transductores

Electroacústico

Electromagnético

Electromecánico

Electroquímico

Electrostático

Fotoeléctrico

Magnetoestrictivo

Piezoeléctrico

Radioacústico

Ejemplos

Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica

Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.

Otros ejemplos son los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada.

El sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma. Algunas de estas son termistores, galgas extensiométricas, piezoeléctricos, termostatos, etcétera.



Otros ejemplos son: un ventilador, una estufa doméstica, un dedo humano

• Desplazamiento, posición y proximidad El sensor de desplazamiento, posición y proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

Existen varios tipos de sensores de desplazamiento , posición y proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos. Los interruptores de posición también denominados finales de carrera. Basan la detección en el contacto mecánico del elemento a detectar con una parte del sensor (pulsador, palanca, etcétera). Este contacto mecánico produce la apertura o cierre de un interruptor. Dentro de los componentes electrónicos, el final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc. Los finales de carrera están fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de vidrio. Los sensores capacitivos son un tipo de sensor eléctrico, el condensador, a veces denominado con el anglicismo capacitor, es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, y en el sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo un Faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 Voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 Culombio.



Se denomina capacitancia de un conductor a la propiedad de adquirir carga eléctrica cuando es sometido a un potencial eléctrico con respecto a otro en estado neutro. La relación entre el área de las placas y la capacitancia nos da que a mayor área útil, mayor será la capacitancia (son directamente proporcionales). En tanto la relación entre la capacitancia y la separación entre dos placas es inversamente proporcional. Por último, tenemos que la capacitancia depende del dieléctrico, siendo que para el vacío, la capacitancia es C0; para un aislante dieléctrico K, la capacitancia está dada por C0K.

donde:

ε0: constante dieléctrica del vacío εr: constante dieléctrica o permisividad relativa del material dieléctrico entre las placas A: el área efectiva de las placas d: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico

Aplicaciones Detección de nivel : En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etcétera.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.

Sensado de humedad : El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permisividad con respecto a la humedad del ambiente.

Detección de posición : Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas, variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas. Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).



Una corriente (i) que circula a través de un hilo conductor, genera un campo magnético que está asociado a ella.

Figura 7 Detección de posición Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas naranjas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado.

Figura 8 Sensor inductivo

La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar. Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejada una disminución en la impedancia de ésta.



La inductancia es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera:

Donde:

XL = Reactancia Inductiva medida en Ohms ( ) π = Constante Pi. F = Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L = Inductancia medida en Henrios (H)

Figura 9 Inductancia

En resumen, el circuito detector reconocerá el cambio en la impedancia de la bobina del sensor (Debido a las corrientes de Foucault inducidas en el objeto a detectar) y enviará una señal al amplificador de salida, el cual cambiará el estado de la misma. Cuando el metal a detectar es removido de la zona de detección, el oscilador podrá generar nuevamente el campo magnético con su amplitud normal. Es en este momento en que el circuito detector nuevamente detecta este cambio de impedancia y envía una señal al amplificador de salida para que sea éste quién nuevamente, restituya el estado de la salida del sensor. Si el sensor tiene una configuración “Normal Abierta”, éste activará la salida cuando el metal a detectar ingrese a la zona de detección. Lo opuesto ocurre cuando el sensor tiene una configuración "Normal Cerrada" Estos cambios de estado son evaluados por unidades externas tales como: PLC, Relés, PC, etc.



Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas. Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible. Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos cjc. Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa. Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etcétera. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojos e infrarrojos, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde. Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, además responden bien ante luz visible e infrarroja. Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos donde se requiere una extrema velocidad de respuesta.



Fuentes de luz habituales :

Color Rango Características

INFRARROJO 890…950 nm

No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial.

Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con

presencia de polvo.

ROJO 660…700 nm Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz

ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales.

VERDE 560…565 nm

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz

ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de

marcas.

Tabla 2 Fuentes de Luz habitualel

Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz modulada y receptores fototransistores. Los LEDs, pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia que normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor. La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada. Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible. La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la misma está en función de la distancia de sensado. Esta curva es usada al momento de seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente conocido. Como se muestra a continuación.



Figura 10 Curva de exceso de ganancia

Condición de operación Mínima ganancia

requerida

Aire limpio, sin suciedad en lentes o reflector 1,5X

Ambiente levemente sucio, con humedad, o filmes sobre los reflectores o las

lentes. Lentes limpiados regularmente. 5X

Ambiente medianamente sucio, contaminación en lentes o reflectores, limpiados

ocasionalmente. 10X

Ambiente muy sucio, alta contaminación en lentes o reflectores, limpiados

esporádicamente. 50X

Tabla 3 Condiciones de operación

El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender la señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez, esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor.



Figura 11 Ejemplo de un Diagrama de Bloques del Sensor de Pro ximidad por Infrarrojos. IrSensor-A de KEDO Electronic Product Design

• Velocidad y movimiento

Los sensores de velocidad y movimiento tradicionales están controlados por un cable recubierto que es torsionado por un conjunto de pequeñas ruedas dentadas en el sistema de transmisión. La forma más común de un sensor de velocidad y movimiento depende de la interacción de un pequeño imán fijado al cable con una pequeña pieza de aluminio con forma de dedal fijada al eje del indicador. A media que el imán rota cerca del dedal, los cambios en el campo magnético inducen corriente en el dedal, que produce a su vez un nuevo campo magnético. El efecto es que el imán arrastra al dedal -así como al indicador- en la dirección de su rotación sin conexión mecánica entre ellos. El eje del puntero es impulsado hacia el cero por un pequeño muelle. El par de torsión en el dedal se incrementa con la velocidad de la rotación del imán. Así que un incremento de la velocidad hace que el dedal rote y que el indicador gire en el sentido contrario al muelle. Cuando el par de torsión producido por las corrientes inducidas iguala al del muelle del indicador éste se detiene apuntando en la dirección adecuada, que corresponde a una cifra en la rueda indicadora. El muelle se calibra de forma que una determinada velocidad de revolución del cable corresponde a una velocidad específica en el sensor. Este calibrado debe realizarse teniendo en cuenta muchos factores, incluyendo las proporciones de las ruedas dentadas que controlan al cable flexible, la tasa del diferencial y el diámetro de los neumáticos. El mecanismo del sensor a menudo viene acompañado de un odómetro y de un pequeño interruptor que envía pulsos a una computadora.



Otra forma de sensor de velocidad y movimiento se basa en la interacción entre un reloj de precisión y un pulsador mecánico controlado por una transmisión. El mecanismo del reloj impulsa al indicador hacia cero, mientras que el pulsador controlado por el dispositivo lo empuja hacia la indicación máxima. La posición del indicador refleja la relación entre las salidas de los dos mecanismos.

Figura 12 Sensores de velocidad y movimiento

• Fuerza El sensor de fuerza más común es una galga extensométrica, la cual es un dispositivo electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica. Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones de cobre y hierro, platina y silicialista. Para tratar la variación de voltaje se utilizará un puente de Wheatstone. Éste está formado por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. De esta manera podremos medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja impedancia de salida. Su principal desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa dependencia.



Figura 13 Sensor de fuerza

• Presión de fluidos Un manómetro es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen básicamente dos tipos: los de líquidos y los de gases. Los manómetros de líquidos emplean por lo general, como líquido manométrico el mercurio, que llena parcialmente un tubo en forma de U., el tubo puede estar abierto por ambas ramas o abierto por una sola. En ambos casos la presión se mide conectando el tubo al recipiente que contiene el fluido por su rama inferior abierta y determinando el desnivel h de la columna de mercurio entre ambas ramas. Si el manómetro es de tubo abierto es necesario tomar en cuenta la presión atmosférica p0 en la ecuación:

p = p0 ± ρ.g.h Si es de tubo cerrado, la presión vendrá dada directamente por p = ρ.g.h. Los manómetros de este segundo tipo permiten, por sus características, la medida de presiones elevadas.



En los manómetros metálicos la presión da lugar a deformaciones en una cavidad o tubo metálico, denominado tubo de Bourdon en honor a su inventor. Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja que marca directamente la presión sobre una escala graduada.

Figura 14 Sensor de presión de fluidos.

• Nivel de líquidos El sensor de nivel de líquidos consiste básicamente de un módulo de electrónica encapsulada y un sensor de detección del tipo presión. El sensor es soportado de cable y protegido con un cuerpo de inoxidable y soportado para un tubo rígido de. La caja de electrónica puede ser montada directamente en la cabeza del sensor o remotamente para comodidad o seguridad. El tubo de soporte puede estar suministrado por el usuario o por algún fabricante externo. Aplicaciones típicas

Cuando el sensor se instala en un tanque, sumidero, cuenca u otro recipiente, el sensor de diferimiento detecta la presión que es ejercido en él por el agua u otro líquido que rodea él. Ésta presión es proporcional linealmente a la altura y densidad del líquido sobre el sensor. No hay cavidades, y el diafragma es abierto completamente al líquido que se mide. El sensor no puede ser tapado y hecho impracticable por líquidos con muchos sólidos. Los líquidos residuales y lechadas son manejados fácilmente.



Las características de montaje superior lo hacen fácil usar en cuencas de concreto, sumideros y otros recipientes donde el montaje inferior o lateral del sensor sería difícil o imposible. Comparado con un transmisor de capacitancia, no se requiere ni referencia de tierra, ni limpieza periódica y recalibración para funcionar precisa y confiablemente. El sensor puede ser montado usando un rango ancho de las conexiones roscadas y bridadas. Puede ser suministrado con un soporte de montaje para las paredes verticales o antepechos horizontales sobre cuencas, tanques abiertos, fosas e instalaciones similares. El sensor se referencia a la presión atmosférica a través de un tubo de respiradero. Un filtro de desecante o una vejiga de aislamiento evitan la condensación de humedad en el tubo.

Figura 15 Sensor de nivel de líquidos

• Temperatura Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. En instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.



Figura 16 Diagrama de funcionamiento del termopar

Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo. Modalidades de termopares Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etcétera. A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares. Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y fiabilidad en las lecturas.



Tipos de termopares

Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C. Tipo J ( Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Es afectado por la corrosión. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usa dos para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. Los tipos B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elev ado precio quitan su atractivo. Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado p recio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.



Precauciones y consideraciones al usar termopares La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta. Problemas de conexión

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Lo más correcto es emplear conectores comerciales del mismo tipo que el termopar para evitar problemas. Resistencia de la guía Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm., tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo. Descalibración La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda. Ten en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.



Ruido La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es susceptible de error por ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian. Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajas (resistencia y condensador en serie) ya que es poco probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea menor a la frecuencia con que oscila la temperatura. Voltaje en Modo Común

Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Los voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.

Desviación térmica Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido



mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado. Externos Cuando de sueldan dos conductores de materiales diferentes A y B y el extremo soldado se somete a una temperatura diferente a los extremos libres, se produce entre estos últimos una pequeña diferencia de voltaje que es característica del par soldado. Este par soldado se conoce como termopar y el efecto que produce el voltaje se llama efecto Peltier. Estos conductores pueden ser metálicos puros o sus aleaciones, también metaloides e incluso cerámicas especiales. Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula atreves de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Es decir la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a si mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar, esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.

Leyes Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo . En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.



2. Ley de los metales intermedios . Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºc las cuales pondré en esta pagina Web así como las funciones poli nómicas que se pueden utilizar en lugar de las tablas para saber el valor en voltaje que entregar un termopar dependiendo de la temperatura.

Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan. Este aumento viene expresado como:

Donde: R es la resistencia a una temperatura de TºC R0 es la resistencia a 0ºC T es la temperatura Este efecto suele aproximarse a un sistema de primer o segundo orden para facilitar los cálculos. Los sensores RTD suelen ir asociados a montajes eléctricos tipo Puente de Wheatstone, que responden a la variación de la resistencia eléctrica por efecto de la temperatura para originar una señal analógica de 4-20 mA que es la que se utiliza en el sistema de control correspondiente como señal de medida. Termoresistencias Platino Pt Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores deben su nombre al hecho de estar fabricados de platino (Pt) y presentar una resistencia de 100ohms ó 1000ohms respectivamente a 0ºC. Son dispositivos muy lineales en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación como:



Donde Tª0 es una temperatura de referencia y R0 es la resistencia a esa temperatura. Tolerancias comerciales según norma IEC 751:1995

Pt100 Clase A ±0,15 ºC [ 0 ºC] ±0,06 Ω [ 0 ºC]

Pt100 Clase B ±0,30 ºC [ 0 ºC] ±0,12 Ω [ 0 ºC]

Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

Figura 17 Termistor

Termistor NTC

Termistor NTC [editar] Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:



donde, A y B son constantes que dependen del termistor. La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm. Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.

Termistor PTC Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.

Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente. El término bimetálico se refiere a un objeto que se componga de dos o más metales ensamblados juntos. En vez de ser una mezcla de dos o más metales, como en el caso de una aleación, los objetos bimetálicos consisten en capas de diversos metales. Trimetal y tetrametal se refieren a objetos integrados por tres y cuatro metales separados respectivamente. Los termostatos bimetálicos tanto en tiras como en discos, que convierten un cambio de temperatura en un movimiento mecánico, son los objetos bimetálicos más conocidos debido a su nombre. Están compuestos por dos capas de metales con diferentes coeficientes térmicos de expansión, por lo que al variar la temperatura tiende a flexionarse



hacia el lado de menor coeficiente de expansión. Esta disposición es utilizada en disyuntores de corriente, donde la corriente que circula por el mismo bimetal lo calienta y hace que se abra al circuito limitando la corriente máxima. Sin embargo, hay otros objetos bimetálicos comunes. Por ejemplo latas cubiertas de acero. Para disminuir el costo y evitar que la gente las derrita por su metal, las monedas se componen a menudo de un metal barato cubierto con un metal más costoso. Un tipo común de objeto trimetálico (antes de la lata de aluminio puro) era una lata estañada de acero con una tapa de aluminio. La fabricación de la tapa con aluminio permitió que fuera quitada a mano en vez de usar un abrelatas, pero estos envases resultaron difíciles de reciclar debido a su mezcla de metales.

• Sensores de luz Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz, recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Figura 18 Símbolo del fotodiodo



Principio de operación Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente. Fotodiodos de avalancha Tienen una estructura similar, pero trabajan con voltajes inversos mayores. Esto permite a los portadores de carga fotogenerados el ser multiplicados en la zona de avalancha del diodo, resultando en una ganancia interna, que incrementa la respuesta del dispositivo.

Composición El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.

Material Longitud de onda (nm)

Silicio 190–1100

Germanio 800–1700

Indio galio arsénico (InGaAs) 800–2600

sulfuro de plomo <1000-3500

Tabla 4 Composición de un fotodiodo



Figura 19 Fotodiodo

También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido. Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una superficie amplia. Investigación La investigación a nivel mundial en este campo se centra (en torno a 2005) especialmente en el desarrollo de células solares económicas, miniaturización y mejora de los sensores CCD y CMOS, así como de fotodiodos más rápidos y sensibles para su uso en telecomunicaciones con fibra óptica. Desde 2005 existen también semiconductores orgánicos. La empresa NANOIDENT Technologies fue la primera en el mundo en desarrollar un fotodetector orgánico, basado en fotodiodos orgánicos.

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de



conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos , los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones más bajos de energía (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia más baja) son suficientes para accionar el dispositivo. Las células de sulfuro de cadmio; el sulfuro de cadmio o las células de sulfuro del cadmio (CdS) se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que pulsa la célula. Cuanta más luz pulsa, más baja es la resistencia. Aunque no es exacta, incluso una célula simple de CdS puede tener una amplia gama de resistencia de cerca de 600 ohmios en luz brillante a 1 o 2 MΩ en oscuridad. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV). Usos

Se fabrican de diversos tipos. Se pueden encontrar células baratas de sulfuro del cadmio en muchos artículos de consumo, por ejemplo cámara fotográfica, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad y sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente. En el otro extremo de la escala, los fotoconductores de Ge:Cu son los sensores que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja".

Figura 20 Fotorresistencia

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el



transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente. Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc., para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión.

Figura 21 Fototransistor

1.2.2. Acondicionadores de señales

• Acondicionamiento de señales El acondicionamiento de señales es un área de la mecatrónica que se dedica al análisis y procesamiento de señales (audio, voz, imágenes, video) que son discretas. Aunque comúnmente las señales en la naturaleza nos llegan en forma analógica, también existen casos en que estas son por su naturaleza digitales, por ejemplo, las edades de un grupo de personas, el estado de una válvula en el tiempo (abierta/cerrada), etc. Se puede acondicionar una señal para obtener una disminución del nivel de ruido, para mejorar la presencia de determinados matices, como los graves o los agudos y se realiza combinando los valores de la señal para generar otros nuevos.



• Protección Una protección digital es un sistema que, dependiendo de las variaciones de las señales de entrada en el tiempo y amplitud, se realiza un procesamiento matemático sobre dicha señal; generalmente mediante el uso de la transformada rápida de Fourier; obteniéndose en la salida el resultado del procesamiento matemático o la señal de salida. Las protecciones digitales tienen como entrada una señal analógica o digital y en su salida tienen otra señal analógica o digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características de la protección digital. La protección digital es parte del procesado de señal digital. Se le da la denominación de digital más por su funcionamiento interno que por su dependencia del tipo de señal a proteger, así podríamos llamar protección digital tanto a un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que lo haga de señales analógicas. Los usos más comunes son para atenuar o amplificar algunas frecuencias, por ejemplo se puede implementar un sistema para controlar los tonos graves y agudos del audio del estéreo del auto. La gran ventaja de las protecciones digitales sobre los analógicos es que presentan una gran estabilidad de funcionamiento en el tiempo. • Filtrado

El filtrado digital consiste en la realización interna de un procesado de datos de entrada. El proceso de filtrado consiste en el muestreo digital de la señal de entrada, el procesamiento considerando el valor actual de entrada y considerando las entradas anteriores. El último paso es la reconstrucción de la señal de salida. En general la mecánica del procesamiento es:

Tomar las muestras actuales y algunas muestras anteriores (que previamente habían sido almacenadas) para multiplicadas por unos coeficientes definidos.

También se podría tomar valores de la salida en instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes.

Finalmente todos los resultados de todas estas multiplicaciones son sumados, dando una salida para el instante actual.

El procesamiento interno y la entrada del filtro serán digitales, por lo que puede ser necesario una conversión analógica-digital o digital-analógica para uso de filtros digitales con señales analógicas.



Un tema muy importante es considerar las limitaciones del filtro de entrada debido al teorema de muestreo de Nyquist-Shannon que en pocas palabras; si quiero procesar hasta una frecuencia de 10KHz, debo muestrear a por lo menos 20 KHz. Los filtros digitales se usan frecuentemente para tratamiento digital de la imagen o para tratamiento del sonido digital. Otro ejemplo común de filtros digitales son los programas para retocar imágenes. Tipos de filtros Hay varios tipos de filtros así como distintas clasificaciones para estos filtros: De acuerdo con la parte del espectro que dejan pasar y que atenúan hay:

Filtros pasa alto

Filtros pasa bajo

Filtros pasa banda

Banda eliminada

Multibanda

Pasa todo

Resonador

Oscilador

Filtro peine (Comb filter)

Filtro ranura o filtro rechaza banda (Notch filter)

De acuerdo con su orden :

Primer orden

Segundo orden

De acuerdo con el tipo de respuesta ante entrada unitaria:

FIR (Finite Impulse Response)

IIR (Infinite Impulse Response)

TIIR (Truncated Infinite Impulse Response)



De acuerdo con la estructura con que se implementa:

Laticce

Varios en cascada

Varios en paralelo

Expresión general de un filtro : Hay muchas formas de representar un filtro. Por ejemplo, en función de w (frecuencia digital), en función de z y en función de n (número de muestra). Todas son equivalentes, pero a la hora de trabajar a veces conviene más una u otra. Como regla general se suele dejar el término a0=1. Si se expresa en función de z y en forma de fracción:

Y en dominio de n:

Los coeficientes son la a y el b y son los que definen el filtro, por lo tanto, el diseño consiste en calcularlos. Ejemplo del diseño de un filtro: En primer lugar se parte de las especificaciones y basándose en éstas, se elige el tipo de filtro. En este ejemplo se parte de un filtro digital que anule las frecuencias menores a 5Hz y la de 50Hz y que no altere al resto, la frecuencia de muestreo será 1000Hz, además se quiere fase lineal. Con estas especificaciones se elige un filtro FIR. El diseño se puede hacer manualmente o con la ayuda de una computadora. En este ejemplo el método de diseño será el de Remez. En Matlab se obtienen los coeficientes que definen el filtro, que en la ecuación anterior se llaman a y b (el numerador es la variable b y el denominador solo tiene un término que es 1, como corresponde a un filtro FIR):



[n,fo,mo,w] = remezord ([0 5 45 50 50 55],[0 1 0 1], [0.01 0.1 0.01 0.1],1000); b = remez(n,fo,mo,w) En la siguiente figura se muestra el aspecto del filtro en el centro. En la parte superior se muestra la señal que se quiere filtrar y en la parte inferior la señal filtrada (se trata de un electrocardiograma).

Figura 22 Aspecto del filtro en el centro

El siguiente paso es seleccionar la forma de implementarlo, es decir su estructura. Luego se elige el hardware sobre el que funcionará. Normalmente un Procesador digital de señal o una FPGA, aunque también puede ser un programa de computadora Finalmente se usan los coeficientes obtenidos y la estructura elegida para crear el programa. • Señales digitales Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada (véase circuito de conmutación). Los sistemas digitales, como por ejemplo la computadora usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low,



respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa.

Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de subida y de bajada, respectivamente. En la figura 23 se muestra una señal digital donde se identifican los niveles y los flancos. Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada. Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los ejemplos señalados el término digital se ha relacionado siempre con dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean términos intercambiables. Por ejemplo, si nos fijamos en el código Morse, veremos que en él se utilizan, para el envío de mensajes por telégrafo eléctrico, cinco estados digitales, que son: Referido a un aparato o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la medida se representa en un visualizador mediante números (dígitos) en lugar de hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala.

Figura 23 Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Fla nco de subida y 4) Flanco de bajada.

• Adquisición de datos La adquisición de datos, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por una computadora (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de variables físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).



Definiciones Dato: representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones. Adquisición: recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en una computadora

Sistema : conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC. Una vez los datos están en memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada, archivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla, etc. Bit de resolución : número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC) utiliza para representar una señal. Rango: valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones. Teorema de Nyquist: al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada, para reconstruir la señal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del Aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar el original. Velocidad de muestreo recomendada: –2xfrecuencia mayor (medida de frecuencia) –10xfrecuencia mayor (detalle de la forma de onda) Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en una computadora, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito general como VisualBASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal. Los lenguajes especializados de programación utilizados para la adquisición de datos incluyen EPICS, utilizada en la construcción de grandes sistemas de adquisición de datos, LabVIEW, que ofrece un entorno gráfico de programación optimizado para la adquisición de datos, y MATLAB. Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje de programación además de bibliotecas y herramientas para la adquisición de datos y posterior análisis.



De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla a ala computadora, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y luego de procesada es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores. Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidores analógico - digital (A/D) y digital - analógico (D/A), para procesar información acerca de un sistema físico de forma digitalizada.

¿Cómo se adquieren los datos?:

La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos puede medir todas estas diferentes propiedades o fenómenos. Recuerda que un transductor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o condensador, etcétera. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos mesurables en la adquisición de datos por hardware. Hay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. DAQ también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de Señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizados usando CED. Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función del transductor utilizado.

El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o desamplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar desmodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. Este pretratamiento de la señal normalmente lo realiza un pequeño módulo acoplado al transductor.



DAQ hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un PC. Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos (paralelo, serie, USB, etcétera ..) o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo general, el espacio en la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño para todas las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externa es obligatoria. El cable entre este recuadro y el PC es cara debido a los numerosos cables y el blindaje necesario y porque es exótico. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad, memoria RAM). Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutar pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada, pero más barato que una CPU de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de preguntas. Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.

Ejemplos de Sistemas de adquisición y control :

DAQ para recoger datos (datalogger) medioambientales (energías renovables e ingeniería verde).

DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test).

DAQ + control de movimiento (corte con laser).

DAQ + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos).

Ventajas :

Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores (con el fin de analizar los posibles errores)

Gran capacidad de almacenamiento

Rápido acceso a la información y toma de decisión, se adquieren gran cantidad de datos para analizar

Posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo

Facilidad de automatización



Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones. Ejemplo 1 Un tipo de ejercicio de adquisición: Tenemos 300 señales a monitorizar. Todas ellas de 4 bytes y queremos guardar la información de todo el proceso cada segundo. ¿Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un año?'

300segundo * 4bytes = 1200bytes * segundo 3600 * 24 * 365 = 31536000 1200 * 31536000 = 37.8GB

Deberíamos tener una capacidad de 3ci7.8GB. Pero teniendo en cuenta que siempre se tiene que tener una copia de seguridad, esta capacidad la tendremos que multiplicar por dos y eso nos daría 75.7GB. Ejemplo 2

En un sistema de adquisición de datos entran 210 señales por segundo, de 8 bytes cada una. ¿Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un mes?

210segundo * 8bytes = 1680bytes * segundo 3600 * 24 * 30 = 2592000 1680 * 2592000 = 4.35gigabytes

1.2.3. Sistemas de presentación de datos

• Dispositivos para presentación visual

Los dispositivos para presentación visual, son comúnmente llamados visualizadores o displays en inglés, estos son los dispositivos de ciertos aparatos electrónicos que permiten mostrar información al usuario, creados a partir de la aparición de calculadoras, cajas registradoras e instrumentos de medida electrónicos en los que era necesario hacerlo. Los primeros dispositivos para presentación visual, similares a los de los ascensores, se construían con lámparas que iluminaban las leyendas. Al permitir mostrar distintas informaciones, ya se puede hablar con propiedad de visualizadores.



Un tubo Nixie es semejante a una lámpara de neón pero con varios ánodos que tienen la forma de los símbolos que se quiere representar. Otro avance fue la invención del visualizador de 7 segmentos.

Figura 24 Tubo Nixie.

• Elementos para la presentación de datos En el contexto de la informática, los elementos para la presentación de datos son una colección de información orientada a un determinado ámbito (empresa, organización, etc.), integrado, no volátil y variable en el tiempo, que ayuda a la toma de decisiones en la entidad en la que se utiliza. Se trata, sobre todo, de un expediente completo de una organización, más allá de la información transaccional y operacional, almacenado en una base diseñada para favorecer el análisis y la divulgación eficiente de datos (especialmente OLAP, procesamiento analítico en línea). La presentación no debe usarse con datos de uso actual. Los almacenes de datos contienen a menudo grandes cantidades de información que se subdividen a veces en unidades lógicas más pequeñas dependiendo del subsistema de la entidad del que procedan o para el que sea necesario. En un almacén de datos lo que se quiere es contener datos que son necesarios o útiles para una organización, es decir, que se utiliza como un repositorio de datos para posteriormente transformarlos en información útil para el usuario. Un almacén de datos debe entregar la información correcta a la gente indicada en el momento óptimo y en el formato adecuado. El almacén de datos da respuesta a las necesidades de usuarios expertos, utilizando Sistemas de Soporte a Decisiones (DSS), Sistemas de información ejecutiva (EIS) o herramientas para hacer consultas o informes. Los usuarios finales pueden hacer fácilmente consultas sobre sus almacenes de datos sin tocar o afectar la operación del sistema.



En el funcionamiento de un almacén de los datos son muy importantes las siguientes ideas:

Integración de los datos provenientes de bases de datos distribuidas por las diferentes unidades de la organización y que con frecuencia tendrán diferentes estructuras (fuentes heterogéneas). Se debe facilitar una descripción global y un análisis comprensivo de toda la organización en el almacén de datos. Separación de los datos usados en operaciones diarias de los datos usados en el almacén de datos para los propósitos de divulgación, de ayuda en la toma de decisiones, para el análisis y para operaciones de control. Ambos tipos de datos no deben coincidir en la misma base de datos, ya que obedecen a objetivos muy distintos y podrían entorpecerse entre sí. Periódicamente, se importan datos al almacén de datos de los distintos sistemas de planeamiento de recursos de la entidad (ERP) y de otros sistemas de software relacionados con el negocio para la transformación posterior. Es práctica común normalizar los datos antes de combinarlos en el almacén de datos mediante herramientas de extracción, transformación y carga (ETL). Estas herramientas leen los datos primarios (a menudo bases de datos OLTP de un negocio), realizan el proceso de transformación al almacén de datos (filtración, adaptación, cambios de formato, etc.) y escriben en el almacén.

• Visualizadores Tipos de visualizador Visualizador de segmentos En un visualizador de siete segmentos se representan los dígitos 0 a 9 iluminando los segmentos adecuados. También suelen contener el punto o la coma decimal. A veces se representan también algunos caracteres como la "E" (Error), "b" o "L" (Low Battery), etc., pero para representar los caracteres alfabéticos se introdujo el visualizador de 14 segmentos. El visualizador de 14 segmentos tuvo éxito reducido y sólo existe de forma marginal debido a la competencia de la matriz de 5x7 puntos. Los visualizadores de segmentos se fabrican en diversas tecnologías: Incandescencia, de cátodo frío, LED, cristal líquido, fluorescente, etc.



Figura 25 Display VFD

Visualizador de matriz Visualizadores de incandescencia, la matriz de 5x7 permite representar letras mayúsculas y minúsculas, signos de puntuación y caracteres especiales con un grado de legibilidad excelente. No es nueva y ya en los años 1940 se podía ver mostrando leyendas publicitarias. Estaban fabricadas con lámparas de incandescencia. Actualmente se fabrican con LED y LCD. A las matrices de 5x7 siguen las líneas de caracteres, principalmente LCD y VFD, presentándose en múltiples formatos, de una a cuatro líneas de ocho a cuarenta caracteres.

Matriz gráfica . Consiste en una matriz más grande, que puede representar tanto caracteres como gráficos. Se fabrican en LCD y VFD. Las matrices de LED están constituidas por un mosaico de visualizadores más pequeños (8x8, normalmente). Pueden ser multicolores (Rojo-Naranja-Verde o Rojo-Verde-Azul), encontrando su utilidad en vallas publicitarias, campos de fútbol, etc.



Figura 26 Visualizadores de incandescencia.

Visualizador electromecánico

Los problemas de los primeros visualizadores para su uso a la intemperie: falta de luminosidad y fragilidad condujeron al desarrollo de otros tipos de visualizador, en los que se mueve mecánicamente alguna pieza que oculta o muestra un símbolo o leyenda. Pertenecen a este tipo los visualizadores "de cortinilla", que constan de un motor paso a paso que va pasando las "hojas" que contienen distintas leyendas hasta llegar al mensaje deseado. Gozó de gran popularidad en aeropuertos, estaciones de tren y autobuses, etc. Pero la dificultad para cambiar los mensajes significó su fin cuando se pudo disponer de alternativas en otras tecnologías. Otro visualizador mecánico, que se ve como siete segmentos y como matriz consiste en segmentos o puntos fluorescentes sobre láminas que pueden girar para ponerse perpendiculares mediante la acción de un electroimán. Presenta la ventaja de que son visibles a plena luz solar y sólo consumen en el cambio de estado. Visualizador de proyección Despiece de un visualizador de proyección. Se pueden apreciar las bombillas, grupos de lentes, película conteniendo los dígitos y diafragmas. Consisten en una matriz de lámparas, de las que se ilumina sólo una cada vez. La luz se dirige a un condensador que la proyecta sobre una película que contiene los símbolos que se quiere representar. Después otro grupo de lentes enfoca la imagen sobre una pantalla translúcida, que se hacen visibles en su cara posterior. Como norma general el número de imágenes está limitado a doce y no se pueden cambiar, salvo que se desmonte la unidad y se cambie la película.



En la siguiente figura se pueden apreciar las bombillas, grupos de lentes, película conteniendo los dígitos y diafragmas

Figura 27 Despiece de un visualizador de proyección . .

Visualizador fluorescente de vacío: Consisten en una ampolla de vidrio que contiene uno o varios filamentos que actúan de cátodo, varios ánodos recubiertos de fósforo y una rejilla por carácter. Al polarizar positivamente los ánodos y las rejillas, los electrones emitidos por cátodo alcanzan un ánodo, que se ilumina. Dependiendo del modelo, funcionan con tensiones de alimentación de rejillas y ánodos a partir de 12V.

1.2.4. Control en lazo cerrado

• Procesos continuos y discretos Los procesos continuos y discretos son los aspectos fundamentales de un sistema para decidir la mejor estrategia de control en el mismo. La controlabilidad es la posibilidad de llevar el sistema a un estado particular usando una señal de control adecuada. Si un estado no es controlable, entonces ninguna señal de control aplicada podrá nunca llevar al sistema hasta un estado controlable. Por otra parte, la observabilidad es la posibilidad de "adivinar", mediante la observación de las señales de entrada y salida del sistema, el estado interno del sistema. Es decir, si el sistema se encuentra en un estado no observable, el controlador no será capaz de corregir el comportamiento en lazo cerrado si dicho estado no es deseable.

Si se estudian los estados de cada variable del sistema que se va a controlar, cada estado "malo" (desde el punto de vista del control) de dichas variables debe ser controlable y



observable para asegurar un funcionamiento correcto del sistema en bucle cerrado. Matemáticamente, si alguno de los autovalores del sistema no es, a la vez, continuo y discreto, su efecto en la dinámica del sistema se mantendrá inalterado en el control en lazo cerrado que implementemos. Si dicho autovalor es inestable, su dinámica afectará al sistema en lazo cerrado y lo hará inestable. Los polos no observables no están presentes en la función de transferencia de una representación en el espacio de estados, por lo que a veces se prefieren en el análisis de sistemas dinámicos. Si un polo no observable es inestable, entonces inestabiliza el sistema y, tanto si dicho polo es controlable como si no lo es, el sistema no se podrá estabilizar (debido a que no se puede actuar sobre el polo por no ser observable). En resumen, un sistema sólo será controlable cuando todos los polos inestables del mismo sean a la vez procesos continuos y discretos. La solución a problemas de control de sistemas no controlables o no observables suele incluir la adición de actuadores y sensores. • Modos de control

La tendencia moderna en los sistemas de ingeniería es hacia una mayor complejidad, debido principalmente a los requerimientos de las tareas complejas y la elevada precisión. Los sistemas complejos pueden tener entradas y salidas múltiples y pueden variar en el tiempo. Debido a la necesidad de alcanzar los requerimientos cada vez más restrictivos en el desempeño de los sistemas de control, al aumento en la complejidad del sistema y a un acceso fácil a las computadoras de gran escala, aproximadamente desde 1960 se ha desarrollado la teoría de control moderna, que es un nuevo enfoque del análisis y diseño de sistemas de control complejos. Este enfoque nuevo se basa en el concepto de estado. Cada sistema de control debe garantizar en primer lugar la estabilidad del comportamiento en lazo cerrado. En los sistemas lineales , esto se puede conseguir directamente mediante asignación de los polos. En los sistemas no lineales hay que recurrir a teorías específicas, habitualmente basadas en la Teoría de Aleksandr Lyapunov para asegurar la estabilidad sin tener en cuenta la dinámica interna del sistema. En función de la especificación de requisitos del sistema (es decir, de las condiciones que deseamos imponer a la salida) se debe escoger una estrategia de control u otra. A continuación se presentan las técnicas de control más habituales: Reguladores PID: Proporcional integral derivativo : El regulador PID probablemente sea el diseño de control más empleado, por ser el más sencillo. "PID" son las siglas de Proporcional-Integral-Derivativo, y se refiere a los tres



términos que operan sobre la señal de error para producir una señal de control. Si u(t) es la señal de control que se envía al sistema, y(t) es la medición que se hace de la señal de salida y r(t) es la salida deseada, el error se define como e(t) = r(t) − y(t) y un regulador PID toma el aspecto

El primer sumando aplica una señal proporcional al error. El segundo evalúa cual ha sido la evolución del error, y cobra más importancia cuando el error cometido es pequeño pero constante., El tercero término evalúa cual será la tendencia, y cobra más importancia cuando el error cometido se produce por instantes. La dinámica deseada en lazo cerrado se obtiene ajustando los tres parámetros KP, KI y KD. Este ajuste a menudo se hace iterando de manera empírica y sin conocimiento previo del modelo del sistema. A menudo se puede asegurar la estabilidad usando únicamente el término proporcional. Los reguladores PID son la clase más usada de sistemas de control: sin embargo no se pueden usar en varios casos más complicados, especialmente si se consideran sistemas MIMO (Múltiple Input Múltiple Output, múltiples entradas y salidas).

Asignación del lugar de los polos: Espacio de estad o (control) En los sistemas MIMO (múltiples entradas y salidas) se pueden asignar los lugares de los polos matemáticamente, usando una representación del espacio de estados del sistema en lazo abierto y calculando una matriz de realimentación que asigne a los polos sus posiciones deseadas. En sistemas complicados puede ser necesaria una computadora con capacidad de cálculo, y no siempre se puede asegurar la robustez de la solución. Más aún, en general no se miden todos los estados del sistema y por lo tanto se deben incorporar observadores al diseño del lugar de los polos. Control óptimo El control óptimo es una técnica particular de control en la que la señal de control intenta optimizar una determinada función de coste: por ejemplo, en el caso de un satélite, el valor de flujo de los cohetes que permitan llevarlo a la trayectoria deseada con el mínimo consumo de combustible. En las aplicaciones industriales se han usado dos métodos de diseño de control óptimo, ya que se ha demostrado que pueden garantizar estabilidad en lazo cerrado. Son el Control por Modelo Predictivo (MPC) y el Control Gaussiano Lineal Cuadrático (LQG). El primero permite tomar en consideración restricciones aplicables a las señales del sistema, que en muchos procesos industriales es un requisito decisivo. Junto con los reguladores PID, los sistemas MPC son la técnica más usada en el control de procesos.



• Modos de dos posiciones En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendidos y apagados. El control de dos posiciones extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Ventajas:

Es relativamente simple y barato Solo tiene dos posiciones, encendido y apagado

• Controlador PID Control proporcional-integral-derivativo (PID), supongamos un sistema realimentado en forma canónica, es decir, con realimentación unitaria, una de las estructuras de controladores más populares se denomina Controlador PID en atención a utilizar acciones de tipo Proporcional, Integral y Derivativo. Todos los métodos de diseño conducen a determinar los valores de Kp, Ti y Td que hacen que el sistema de lazo cerrado tenga la respuesta adecuada, medida en términos del cumplimiento de las especificaciones de diseño (error en régimen permanente, velocidad de respuesta permanente .tp, tr, ts- y sobreimpulso). El Método de Ziegler-Nichols , indica que inicialmente se deben anular las acciones integral (Ti=infinito) y derivativa (Td=0). Luego incrementar gradualmente Kp hasta que el sistema justo comience a oscilar. Este punto de inestabilidad es denominado la "última ganancia" Pu y "último período" Tu. A partir de estos valores, se pueden ajustar las ganancias del controlador PID para cada una de sus diversas modalidades.

1.2.5. Lógica digital y Microprocesadores

• Compuertas lógicas Una puerta lógica o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico que es la expresión física de un operador booleano en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip. Claude Elwood Shannon experimentaba con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y



(AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de éstos que tuviera la condición «abierto», la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo. La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistores actuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico. En nanotecnología se está desarrollando el uso de una compuerta lógica molecular, que haga posible la miniaturización de circuitos. • Lógica secuencial A diferencia de los sistemas combinacionales, en los sistemas secuenciales los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también de los valores anteriores. El sistema secuencial más simple es el biestable. La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A estos se los denomina "síncronos" o "sincrónicos", a diferencia de los "asíncronos" o "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj. Los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados SON:

Contador Registros

En todo sistema secuencial nos encontraremos con: a) Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn). b) Un conjunto finito, m, de estados internos, de aquí que los estados secuenciales también sean denominados autómatas finitos. Estos estados proporcionarán m variables internas (Y1,Y2,..., Ym). c) Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp). Dependiendo de cómo se obtengan las funciones de salida, Z, los sistemas secuenciales pueden tener dos estructuras como las que se observan el la siguiente figura, denominadas autómata de Moore, a), y autómata de Mealy, b).



Figura 28 Estructuras de bloque de un autómata de M oore, a), y un autómata de Mealy, b)

• Estructura de una microcomputadora Una microcomputadora es una computadora que tiene un microprocesador (unidad central de procesamiento). Generalmente, el microprocesador tiene los circuitos de almacenamiento (o memoria caché) y entrada/salida en el mismo circuito integrado (o chip). El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, que salió el 15 de noviembre de 1971. Desde el lanzamiento de la computadora personal de IBM, el IBM PC, el término computadora personal se aplica a las microcomputadora orientados a los consumidores. La primera generación de microcomputadora fue conocida también como computadoras domésticas. Fue el lanzamiento de la hoja de cálculo VisiCalc lo que hizo que los microcomputadoras dejasen de ser un pasatiempo para los aficionados de la informática para convertirse en una herramienta de trabajo. Sus principales características son:

Velocidad de procesamiento: Decenas de millones de instrucciones por segundo. Usuario a la vez: Uno (Por eso se llaman Personales). Tamaño: Pequeña, o portátiles. Facilidad de uso: Supuestamente fáciles de usar. Clientes usuales: Pequeñas empresas, oficinas, escuelas, individuos. Penetración social: Mediana. Impacto social: Alto, en los países industrializados. Parque instalado: Cientos de millones en el mundo. Costo: Pocos cientos de dólares estadounidenses. peso: 2 Kg aproximadamente



• Microcontroladores Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.

Figura 29 Microcontrolador Motorola 68HC11

Son diseñados para disminuir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora, utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bit) por que sustituirá a un autómata finito. En cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4) requerirá de un procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o más Códec de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de control electrónico del motor en un automóvil. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etcétera.

Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que



espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información. Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito.

Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería.

Figura 30

1.2.6. Sistemas de entrada/salida

• Interfases En el Lenguaje de programación C++, una interfaz de personas es la parte del interfaz informático que permite la circulación correcta y sencilla de información entre varias aplicaciones y entre el propio programa y el monousuario. Metafóricamente se entiende la Interfaz como una conversación entre el usuario y la tarjeta madre (o entre el usuario y el diseñador de la misma): durante muy pocos años se vio a la interacción como una charla



hombre-PC (para trabajar con una interfase alfa era necesario conocer el "lenguaje" de las tarjetas conectadas en serie). Desde una perspectiva semiótica, los usuarios no dialogan con el sistema sino con su creador por medio de un complejo juego de estrategias (del diseñador y del usuario). Puede definirse como el conjunto de comandos y/o métodos que permiten la intercomunicación del programa con cualquier otro programa o entre partes (módulos) del propio programa o elemento interno o externo. De hecho, los periféricos son controlados por interfases.

Si extrapoláramos este concepto a la vida real, podríamos decir que el teclado de un teléfono sería una interfaz de usuario, mientras que la clavija sería la interfaz que permite al teléfono comunicarse con la central telefónica.

En programación de computadoras también se habla de interfaz gráfica de usuario, que es un método para facilitar la interacción del usuario con la computadora a través de la utilización de un conjunto de imágenes y objetos pictóricos (iconos, ventanas), además de texto. En electrónica, telecomunicaciones y hardware, una interfaz (electrónica) es el puerto (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema o subsistemas hacia otros. No existe un interfaz universal, sino que existen diferentes estándares (Interfaz USB, interfaz SCSI, etc.) que establecen especificaciones técnicas concretas (características comunes), con lo que la interconexión sólo es posible utilizando el mismo interfaz en origen y destino. En materia de hardware encontramos términos que se refieren a las interfases: puerto, puerto de datos, bus, bus de datos, slot, slot de expansión. También, en materia de hardware se considera interfaz al medio mediante el cual un disco duro se comunica con los demás componentes de la computadora puede ser IDE, SCSI, USB o Firewire. • Puertos de entrada/salida En computación, un puerto es una forma genérica de denominar a una interfaz por la cual diferentes tipos de datos pueden ser enviados y recibidos. Dicha interfaz puede ser física, o puede ser a nivel software.

Puerto serie (o serial) Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre computadoras y periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un sólo bit a la vez (en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits a la vez).



El puerto serie por excelencia es el RS-232 que utiliza cableado simple desde 3 hilos hasta 25 y que conecta computadoras o microcontroladores a todo tipo de periféricos, desde terminales a impresoras y módems pasando por ratones. La interfaz entre el RS-232 y el microprocesador generalmente se realiza mediante el integrado 82C50. El RS-232 original tenía un conector tipo D de 25 pines, sin embargo la mayoría de dichos pines no se utilizaban, por lo que IBM incorporó desde su PS/2 un conector más pequeño de solamente 9 pines que es el que actualmente se utiliza.

En Europa la norma RS-422 de origen alemán es también un estándar muy usado en el ámbito industrial.

Uno de los defectos de los puertos serie iniciales era su lentitud en comparación con los puertos paralelos, sin embargo, con el paso del tiempo, están apareciendo multitud de puertos serie con una alta velocidad que los hace muy interesantes ya que tienen la ventaja de un menor cableado y solucionan el problema de la velocidad con un mayor apantallamiento; son más baratos ya que usan la técnica del par trenzado; por ello, el puerto RS-232 e incluso multitud de puertos paralelos están siendo reemplazados por nuevos puertos serie como el USB, el Firewire o el Serial ATA. Los puertos serie sirven para comunicar a la computaora con la impresora, el ratón o el módem; Sin embargo, específicamente, el puerto USB sirve para todo tipo de periféricos, desde ratones, discos duros externos, hasta conexión bluetooth. Los puertos SATA (Serial ATA): tienen la misma función que los IDE, (a éstos se conecta, la disquetera, el disco duro, lector/grabador de CDs y DVDs) pero los SATA cuentan con mayor velocidad. Un puerto de red puede ser puerto serie o puerto paralelo. PCI - Peripheral Component Interconnect Puertos PCI (Peripheral Component Interconnect): son ranuras de expansión en las que se puede conectar tarjetas de sonido, de vídeo, de red etc. El slot PCI se sigue usando hoy en día y podemos encontrar bastantes componentes (la mayoría) en el formato PCI.) Dentro de los slots PCI está el PCI-Express. Los componentes que suelen estar disponibles en este tipo de slot son:

Capturadoras de televisión Controladoras RAID Tarjetas de red, inalámbricas o no. Tarjetas de sonido

PCI-Express PCI-Express (anteriormente conocido por las siglas 3GIO, 3rd Generation I/O) es un nuevo desarrollo del bus PCI que usa los conceptos de programación y los estándares de



comunicación existentes, pero se basa en un sistema de comunicación serie mucho más rápido que PCI y AGP. Este sistema es apoyado principalmente por Intel, que empezó a desarrollar el estándar con nombre de proyecto Arapahoe después de retirarse del sistema Infiniband. Tiene velocidad de 16x (8GB/s) y es utilizado en tarjetas gráficas. Además de todo esto el 501 se pueden poner las tarjetas graficas Puertos de memoria A estos puertos se conectan las tarjetas de memoria RAM. Los puertos de memoria, son aquellos puertos en donde puedes agrandar o extender la memoria de tu computadora. Existen diversas capacidades de memorias RAM, por ejemplo, aquellas de 256MB (Megabytes) o algunas de hasta 4GB (Gigabytes), entre más grande, más almacenamiento tiene la computadora. El almacenamiento de la memoria RAM, es para que el sistema tenga rápidamente datos solicitados o programas, la RAM no se tiene que confundir con el disco duro, el disco duro una vez apagada la computadora no pierde los datos, mientras que la RAM al apagar la computadora éstos se borran completamente, la RAM fue diseñada por que el acceso a ella es más rápido que el disco duro lo que hace que la computadora sea más rápida pudiendo ejecutar una mayor cantidad de procesos. Puerto de rayos infrarrojos En este tipo de puertos, puede haber de alta velocidad, los infrarrojos sirven para conectarse con otros dispositivos que cuenten con infrarrojos sin la necesidad de cables, los infrarrojos son como el Bluetooth. La principal diferencia es que la comunicación de Infrarrojos usa como medio la luz, en cambio el Bluetooth, utiliza ondas de radio frecuencia. Especificaciones: para pasar la información por medio de infrarrojos se necesita colocar los infrarrojos pegados uno con el otro y así mantenerlos hasta que todos los datos se pasen de un puerto infrarrojo al otro, esto lleva un poco más de tiempo que si lo hiciéramos con el bluetooth. Muchas computadoras cuentan con un puerto de rayos infrarrojos de alta velocidad, que agiliza que los archivos, datos, imágenes, etc. se pasen más rápido.

Puerto USB USB (Universal Serial Bus) [editar]Permite conectar hasta 127 dispositivos y ya es un estándar en las computadoras de última generación, que incluyen al menos dos puertos USB 1.1, o puertos USB 2.0 en los más modernos. Otras ventajas que ofrece este puerto

Es totalmente Plug & Play, es decir, con sólo conectar el dispositivo y en caliente (con la computadora encendida), el dispositivo es reconocido e instalado de manera inmediata.



Sólo es necesario que el Sistema Operativo lleve incluido el correspondiente controlador o driver,

Posee una alta velocidad en comparación con otro tipo de puertos, USB 1.1 alcanza los 12 Mb/s y hasta los 480 Mb/s (60 MB/s) para USB 2.0, mientras un puerto serie o paralelo tiene una velocidad de transferencia inferior a 1 Mb/s. El puerto USB 2.0 es compatible con los dispositivos USB 1.1

El cable USB permite también alimentar dispositivos externos a través de él, el consumo máximo de este controlador es de 5 voltios. Los dispositivos se pueden dividir en dispositivos de bajo consumo (hasta 100 mA) y dispositivos de alto consumo (hasta 500 mA) para dispositivos de más de 500 mA será necesario alimentación externa. Puertos Físicos Los puertos físicos, son aquellos como el puerto "paralelo" de una computadora. En este tipo de puertos, se puede llegar a conectar: un monitor, la impresora, el escáner, etc. Ya que estos artículos cuentan con un puerto paralelo para la computadora, con el cual se puede conectar y empezar su labor. En si el puerto paralelo es una conexión más para la impresora • Adaptador de interfaz para dispositivos periférico s Se denominan periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal. Son un conjunto de dispositivos que, sin pertenecer al núcleo fundamental de la computadora, formado por la CPU y la memoria central, permitan realizar operaciones de entrada/salida (E/S) complementarias al proceso de datos que realiza la CPU. Estas tres unidades básicas en un computador, CPU, memoria central y El subsistema de E/S, están comunicadas entre sí por tres buses o canales de comunicación: El bus de direcciones, para seleccionar La dirección Del dato o Del periférico AL que se quiere acceder, El bus de control, básicamente para seleccionar La operación a realizar sobre El dato (principalmente lectura, escritura o modificación) y El bus de datos, por donde circulan los datos. El teclado y el monitor, imprescindibles en cualquier computadora personal de hoy en día (no lo fueron en las primeras computadoras), son posiblemente los periféricos más comunes, y es posible que mucha gente no los considere como tal debido a que generalmente se toman como parte necesaria de una computadora. El mouse es posiblemente el ejemplo más claro de este aspecto. Hace menos de 20 años no todos las computadora personales incluían este dispositivo.



El sistema operativo MS-DOS, el más común en esa época, tenía una interfaz de línea de comandos para la que no era necesaria el empleo de un mouse, todo se hacía mediante comandos de texto. Fue con la popularización de Finder, sistema operativo de Macintosh de Apple y la posterior aparición de Windows cuando el mouse comenzó a ser un elemento imprescindible en cualquier hogar dotado de una computadora personal. Actualmente existen sistemas operativos con interfaz de texto que tampoco hacen uso del mouse como, por ejemplo, algunos sistemas básicos de UNIX y Linux. 1.2.7. Sistemas de comunicación

• Comunicaciones digitales ¿Sabías que actualmente un 90 por ciento de las empresas utilizan los canales digitales como principal herramienta de relación con sus clientes? Si en 2006, un 72.8 por ciento de las empresas disponía de página Web propia, en 2007 esta cifra se sitúa en un 90.1 por ciento. Aún con la importancia de las páginas Web, el teléfono tiene un espacio definitorio en lo que a la comunicación digital se refiere, aunque la tendencia se marca a la baja, no se debe dejar de reconocer la importancia del teléfono, que aún se encuentra muy arraigado para su uso como herramienta de comunicación con los clientes; se ha convertido en una herramienta más dentro de todos los canales de marketing y no en un elemento exclusivo como venía siendo hasta ahora. Así como el contacto a través de páginas Web se va haciendo una herramienta sumamente importante, lo mismo ocurre con el correo electrónico, la herramienta preferida por las empresas a la hora de diseñar sus campañas de marketing, de hecho, el 92.8 por ciento de las empresas hacen uso activo del e-mail, mientras que el año pasado, sólo se alcanzó el 79.5 por ciento. En una economía globalizada, los directivos de las empresas deberán adoptar estrategias que integren a los medios de comunicación digitales, ya que al no contar con una barrera física pueden ser usados de manera global y con un bajo costo de inversión comparado con la publicidad tradicional, que genera gastos por cada punto geográfico al que se quiera llegar. La Web no tiene barreras de entrada muy altas para quienes deseen participar en ella. El ritmo de crecimiento en la red no tiene comparación en la historia de la comunicación: el número de usuarios se duplica cada 10 meses. Solamente en el año 2003 se superaron ya los 500 millones de personas conectadas a la Web.

La economía digital ofrece nuevas formas para crear negocios, que se caracterizan por la descentralización de estructuras, la presencia ya no solo física de las empresas sino con diferentes oficinas virtuales. La economía actual, basada en medios digitales, se aprovecha de la falta de intermediarios que ofrece la Web para negociar y se replantean las operaciones Business to Business y Business to Consumer; al mismo tiempo que cambian la forma de



manejar la comunicación interna, logística de atención al cliente, investigación de mercados y muy especialmente la publicidad y el marketing. La gestión de los proyectos de comunicación digitales son herramientas estratégicas que permiten a las marcas posicionar de mejor manera sus productos y servicios, así como la imagen que se asocia con ellas. Los medios online han llevado a las empresas a tener una nueva manera de relacionarse con sus clientes, proveedores y el público en general, y hasta con su competencia, ya que abriendo los canales de comunicación adecuados se crea una competencia más abierta donde no importen las erogaciones en materia publicitaria, sino la creatividad y las relaciones que se creen entre empresas y clientes. Esto hace que se cree una nueva manera de hacer publicidad y relaciones publicas , usando los nuevos canales informativos, dando una nueva mística al enfoque de dirigirse en los medios digitales Las nuevas estrategias de comunicación de las empresas deben aglutinar la información para medios tradicionales, así como desarrollar nuevos proyectos para los medios digitales, que incluyan un perfil multimedia y un toque personalizado de lo que se quiere lograr y hasta dónde se quiere llegar con estos medios, ya que al integrar este tipo de comunicación a la convencional se podría decir que la empresa que comunica a través de los medios digitales se vuelve un medio por sí sola. Otra herramienta que se puede usar son los blogs, con más de diez años de antigüedad. Los blogs hoy, son más de 70 millones en el mundo entero y 1,4 de ellos se crean cada segundo. Además, ya no es sólo una herramienta de expresión individual, se impone también como el nuevo medio de comunicación que las empresas adoptan, para desarrollar su imagen y atender mejor a sus clientes. Nadie puede pasar por alto este fenómeno, a medio camino entre el e-mail y la web. • Control centralizado, jerárquico y distribuido Hoy en día los sistemas de cómputo están organizados por varias computadoras conectados en red, esto es un sistema centralizado, jerárquico y distribuido. El problema que se plantea es que es necesario un software para coordinar las actividades. Una colección de sistemas independientes conectados con una red con un software diseñado para proporcionar soluciones de cómputo integradas. Tanto en SW como en HD los beneficios de estos servicios son en cuanto software, compartir datos, y hardware ahorro de dinero. Se denomina gestor de recursos al módulo software que gestiona recursos del mismo tipo. El resto de recursos se comunica con el gestor de recursos para utilizar otros recursos. Existen dos modelos de diseños centralizados, jerárquicos y distribuidos. Modelo Cliente/Servidor . El servidor gestiona los recursos que demanda el cliente. Un mismo proceso puede ser cliente y servidor. Puede ser cliente de un recurso y servidor de otros. El cliente solicita el recurso al servidor y si es válido el servidor se lo concede y le responde de su validez.



Modelo basado en objetos : Cada recurso es visto como un objeto y este objeto tiene un identificador unívoco que le permite moverse en la red sin variar su identidad. Los beneficios son la sencillez la flexibilidad. Los recursos son vistos de forma uniforme. Apertura Determina en qué medida el sistema es ampliable y la capacidad de añadir recursos compartidos sin interrumpir servicios. Esto se hace con la normalización de interfaces. Se requiere que el sistema sea extensible tanto de manera software como hardware. A nivel HD permitiendo que se añadan nuevas computadoras al sistema y a nivel SW permitiendo añadir nuevos servicios Concurrencia Cuando existen nuevos procesos en la computadora se dice que se están ejecutando concurrentemente. Si sólo tenemos un procesador se produce una multiplexación temporal, si tenemos n procesadores hay paralelismo y podemos ejecutarlos simultáneamente. En un sistema distribuido tendremos paralelismo. La concurrencia surge porque los usuarios pueden estar utilizando distintas tareas. Los accesos concurrentes de recursos deben ser sincronizados.

Escalabilidad Podemos tener desde dos computadoras hasta cientos, pero en estas diferentes escalas deben funcionar eficientemente. Que sea escalable un sistema es complicado. Un sistema distribuido debe ser diseñado de forma que ningún recurso ni de SW ni de HW sea restringido. La escalabilidad en sistemas distribuidos supone que a veces hay que hacer varios recursos para ello. Si estamos compartiendo un fichero y lo vamos modificando debe reflejarse a los diferentes usuarios. Tolerancia a fallos Se dice que un sistema es fiable si cumple con lo siguiente:

Seguridad: ante accesos no deseables Consistencia: a la hora de acceder a los mismos datos

Los fallos pueden ser HD y SW. Los fallos HD se solucionan con duplicación HD, lo que supone un coste económico alto, con lo que nos lo planteamos sólo en los sistemas críticos, es decir, en los servidores!



En cuanto a los fallos SW se debe recuperar la situación inicial antes de hacer comenzado el proceso que produjo el fallo. La disponibilidad en un sistema es la proporción de tiempo que está libre para su uso. Si tenemos un sistema multiusuario, el fallo de un usuario puede hacer que caiga el sistema, en cambio en un sistema distribuido sólo hará que falle donde se produjo el error ese usuario. Si la red se cae hace que caiga todo el sistema. Luego el punto crítico está en la red.

Transparencia Es la ocultación que se proporciona al usuario y a los programadores de aplicaciones de los recursos del sistema. Es el grado de concurrencia del usuario sobre la composición del sistema. El usuario lo concibe como un todo, no como un conjunto de componentes independientes. La separación de componentes proporciona ventajas como: • Redes Una red de computadoras es un conjunto de equipos (computadoras y/o dispositivos) conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información Para simplificar la comunicación entre programas (aplicaciones) de distintos equipos, se definió el Modelo OSI por la ISO, el cual especifica siete capas de abstracción. Con ello, cada capa desarrolla una función específica con un alcance definido. Una Intranet es una red privada en que la tecnología de Internet se usa como arquitectura elemental. Una red interna se construye usando los protocolos TCP/IP para comunicación de Internet, que pueden ejecutarse en muchas de las plataformas de hardware y en proyectos por cable. El hardware fundamental no es lo que construye una Intranet, lo que importa son los protocolos del software. Las Intranets pueden coexistir con otra tecnología de red de área local. En muchas compañías, los "Sistemas Patrimoniales" existentes que incluyen sistemas centrales, redes Novell, mini - computadoras y varias bases de datos, están integrados en un Intranet. Una amplia variedad de herramientas permite que esto ocurra. El guión de la Interfaz Común de Pasarela (CGI) se usa a menudo para acceder a bases de datos patrimoniales desde una Intranet. El lenguaje de programación Java también puede usarse para acceder a bases de datos patrimoniales. Una Intranet o una Red Interna se limita en alcance a una sola organización o entidad. Generalmente ofrecen servicios como HTTP, FTP, SMTP, POP3 y otros de uso general.



Figura 31 Arquitecturas de red

• Protocolos

El protocolo de red o protocolo de comunicación es el conjunto de reglas que especifican el intercambio de datos u órdenes durante la comunicación entre las entidades que forman parte de una red. Estándares de redes

IEEE 802.3, estándar para Ethernet

IEEE 802.5, estándar para Token Ring

IEEE 802.11, estándar para Wi-Fi

IEEE 802.15, estándar para Bluetooth

Algunas tecnologías relacionadas: AppleTalk, ATM, Bluetooth, DECnet, FDDI, Frame Relay, HIPPI, PPP, HDLC



Figura 32 Red Token Ring.

Expertos en la materia dicen que si dos computadoras están conectadas entre si en forma de medio de comunicación constituye una red. Sin embargo, otros afirman que una red se constituye de tres computadoras conectados o más. Por ejemplo, el Glosario de Términos de Telecomunicación explica que es “una red de los nodos de procesamiento de datos que se interconectan con el fin de la comunicación de datos”, del término “red” que se define en el mismo documento como “una interconexión de tres entidades o más que se comunican”. • Interfaces de comunicación La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo, normalmente suelen ser fáciles de entender y fáciles de accionar. Sus principales funciones son los siguientes:

Puesta en marcha y apagado

Control de las funciones manipulables del equipo

Manipulación de archivos y directorios

Herramientas de desarrollo de aplicaciones

Comunicación con otros sistemas

Información de estado

Configuración de la propia interfaz y entorno



Intercambio de datos entre aplicaciones

Control de acceso

Sistema de ayuda interactivo.

Tipos de interfaces de usuario: Atendiendo a cómo el usuario puede interactuar con una interfaz, nos encontramos con varios tipos de interfaces de usuario: Interfaces alfanuméricas (intérpretes de mandatos) que solo presentan texto. Interfaces gráficas de usuario (GUI, Graphics User Interfaces), las que permiten comunicarse con la computadora de una forma muy rápida e intuitiva representando gráficamente los elementos de control y medida. Interfaces táctiles , que representan gráficamente un "panel de control" en una pantalla sensible que permite interaccionar con el dedo de forma similar a si se accionara un control físico. Según su construcción pueden ser de hardware o de software: Interfaces hardware .- Se trata de un conjunto de controles o dispositivos que permiten la interacción hombre-máquina, de modo que permiten introducir o leer datos del equipo, mediante pulsadores, reguladores e instrumentos. Interfaces software .- Son programas o parte de ellos, que permiten expresar nuestros deseos a la computadora o visualizar su respuesta. Valoración El principal objetivo de una interfaz de usuario es que éste se pueda comunicar a través de ella con algún tipo de dispositivo, conseguida esta comunicación, el segundo objetivo que se debería perseguir es el de que dicha comunicación se pueda desarrollar de la forma más fácil y cómoda posible para el usuario, sin embargo, las interfaces no siempre son intuitivas tal como es el caso de las interfaces de línea de órdenes (CLI), que se encuentran por ejemplo en algunos sistemas operativos como los NOS de los Routers o algunos shell de Unix, DOS, etcétera. Estas interfaces son las primeras que utilizaron las computadoras, los nostálgicos las siguen prefiriendo porque se saben de memoria los comandos. El diseño de la interfaz es crítico para el manejo del equipo, hay algunas muy bien diseñadas que incorporan controles intuitivos y de fácil manejo, en cambio existen otras que no se entienden bien y el usuario no acierta a manejarlas correctamente sin estudiar un manual o recibir formación del experto.



1.3.1 Sistemas de actuación mecánica • Tipos de movimiento En mecánica el movimiento es un fenómeno físico que se define como todo cambio de posición que experimentan los cuerpos de un sistema, o conjunto, en el espacio con respecto a ellos mismos o con arreglo a otro cuerpo que sirve de referencia. Todo cuerpo en movimiento describe una trayectoria. La parte de la física que se encarga del estudio del movimiento sin estudiar sus causas es la cinemática. La parte de la física que se encarga del estudio de las causas del movimiento es la dinámica. Los diferentes tipos de movimiento que existen son:

Movimiento rectilíneo uniforme Un movimiento es rectilíneo cuando describe una trayectoria recta y uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, es decir, su aceleración es nula. Esto implica que la velocidad media entre dos instantes cualesquiera siempre tendrá el mismo valor. Además la velocidad instantánea y media de este movimiento coincidirán. La distancia recorrida se calcula multiplicando la velocidad por el tiempo transcurrido. Esta operación también puede ser utilizada si la trayectoria del cuerpo no es rectilínea, pero con la condición de que la velocidad sea constante. Durante un movimiento rectilíneo uniforme también puede presentarse que la velocidad sea negativa. Por lo tanto, el movimiento puede considerarse en dos sentidos, el positivo sería alejándose del punto de partida y el negativo sería regresando al punto de partida. De acuerdo con la primera Ley de Newton toda partícula permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme cuando no hay una fuerza neta que actúe sobre el cuerpo. Esta es una situación ideal, ya que siempre existen fuerzas que tienden a alterar el movimiento de las partículas. El movimiento es inherente que va relacionado y podemos decir que forma parte de la materia misma. Ya que en realidad no podemos afirmar que algún objeto se encuentre en reposo total. El movimiento rectilíneo uniforme se caracteriza por:

a) Movimiento que se realiza en una sola dirección en el eje horizontal. b) Velocidad constante; implica magnitud y dirección inalterables. c) La magnitud de la velocidad recibe el nombre de rapidez. Este movimiento no

presenta aceleración (aceleración=0).



Figura 33 Evolución de la posición, de la velocidad y de la aceleración de un cuerpo en un movimiento rectilíneo uniforme

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado El Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), también conocido como Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV) y Movimiento Unidimensional con Aceleración Constante, es aquél en el que un móvil se desplaza sobre una trayectoria recta y está sometido a una aceleración constante. Esto implica que para cualquier intervalo de tiempo, la aceleración del móvil tendrá siempre el mismo valor. Un ejemplo de este tipo de movimiento es el de caída libre, en el cual la aceleración que interviene y considerada constante es la que corresponde a la de la gravedad. La figura 34 muestra relaciones, respecto del tiempo, de la posición (parábola), la velocidad (recta con pendiente) y la aceleración (constante, recta horizontal) en este tipo de movimiento.



Figura 34 Evolución respecto del tiempo de la posic ión, de la velocidad y de la aceleración de un cuer po sometido a un movimiento rectilíneo uniformemente a celerado, según la mecánica clásica.

Movimiento circular El movimiento circular es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la trayectoria será una circunferencia. Si además, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular con radio fijo y velocidad angular constante.

Figura 35 Movimiento circular



Movimiento circular uniforme El movimiento circular uniforme es aquel movimiento circular en el que un cuerpo se desplaza alrededor de un punto central, siguiendo la trayectoria de una circunferencia, de tal manera que en tiempos iguales recorra espacios iguales. No se puede decir que la velocidad es constante ya que, al ser una magnitud vectorial, tiene módulo, dirección y sentido: el módulo de la velocidad permanece constante durante todo el movimiento pero la dirección está constantemente cambiando, siendo en todo momento tangente a la trayectoria circular. Esto implica la presencia de una aceleración que, si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, sí varía su dirección.

Móvil perpetuo El móvil perpetuo (en latín, perpetuum mobile) es una máquina hipotética que sería capaz de continuar funcionando eternamente, luego de un impulso inicial, sin necesidad de energía externa adicional. Su existencia violaría teóricamente la primera ley de la termodinámica. Dado que los principios de la termodinámica son algunos de los más comprobados y estables a lo largo de siglos de la física, las propuestas de movimiento perpetuo serias son siempre desdeñadas. Con frecuencia, este tipo de máquinas son utilizadas por los físicos como una forma de poner a prueba sus conocimientos, demostrando, sin utilizar la termodinámica, que no puede funcionar. Además, es frecuente la aparición de "paradojas" al imaginarse experimentos mentales que parecen mostrar móviles perpetuos; invariablemente se trata de errores de comprensión de las leyes de la física, por lo que resultan muy instructivas.

Figura 36 Móvil perpetuo de Villard de Honnecourt



Movimiento oscilatorio El movimiento oscilatorio, o movimiento aleatorio es un movimiento periódico en torno a un punto de equilibrio estable. Los puntos de equilibrio mecánico son, en general, aquellos en los cuales la fuerza neta que actúa sobre la partícula es cero. Si el equilibrio es estable, pequeños desplazamientos darán lugar a la aparición de una fuerza que tenderá a llevar a la partícula de vuelta hacia el punto de equilibrio. Tal fuerza se denomina restauradora. En términos de la energía potencial, los puntos de equilibrio estable son los mínimos locales de la misma, y el movimiento oscilatorio tiene lugar en un entorno de un mínimo local.

Movimiento armónico simple Se dice que un punto sigue un movimiento vibratorio armónico simple (m.a.s.) cuando su posición en función del tiempo es una sinusoide. Es un movimiento periódico de vaivén, en el que un cuerpo oscila a un lado y a otro de su posición de equilibrio en una dirección determinada y en intervalos iguales de tiempo. Una partícula sometida a este tipo de movimiento tendrá un punto central, alrededor del cual oscilará.

Movimiento armónico complejo Un movimiento armónico complejo es un movimiento superposición lineal de movimientos armónicos simples. Aunque un movimiento armónico simple es siempre periódico, un movimiento armónico complejo no necesariamente es periódico, aunque sí puede ser analizado mediante análisis armónico de Fourier. Un movimiento armónico complejo es periódico sólo si es la combinación de movimientos armónicos simples cuyas frecuencias son todos múltiplos racionales de una frecuencia base.

Movimiento browniano El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas partículas microscópicas que se hallan en un medio fluido (por ejemplo polen en una gota de agua). Recibe su nombre en honor a Robert Brown quien lo describe en 1827. En 1785, el mismo fenómeno había sido descrito por Jan Ingenhousz sobre partículas de carbón en alcohol. El movimiento aleatorio de estas partículas se debe a que su superficie es bombardeada incesantemente por las moléculas del fluido sometidas a una agitación térmica. Este bombardeo a escala atómica no es siempre completamente uniforme y sufre variaciones estadísticas importantes.



Así la presión ejercida sobre los lados puede variar ligeramente con el tiempo provocando el movimiento observado. Tanto la difusión como la ósmosis son fenómenos basados en el movimiento browniano. La descripción matemática del fenómeno fue elaborada por Albert Einstein y constituye el primero de sus artículos del "Annus Mirabilis" (año maravilloso en latín) de 1905. La teoría de Einstein demostraba la teoría atómica, todavía en disputa a principios del siglo XX, e iniciaba el campo de la física estadística.

Figura 37 Movimiento browniano en tres dimensiones

Movimiento directo En Astronomía el movimiento directo o movimiento progrado puede ser definido de diferentes formas:

Movimiento de rotación de un astro en sentido antihorario, visto desde encima del polo Norte solar.

Movimiento de un cuerpo en su órbita, en sentido igualmente antihorario, visto desde encima del polo Norte solar.

Movimiento de Oeste a Este de un astro en la esfera celeste, visto mirando hacia el Sur.



Tal es el movimiento mensual de la Luna, desde el hemisferio Norte. Sale por el Este en fase creciente, y aproximadamente dos semanas después luce en el Oeste en su fase llena, describiendo un movimiento antihorario desde dicho hemisferio. Asimismo, todos los planetas del Sistema Solar tienen movimientos orbitales directos.

Figura 38 El movimiento mensual de la Luna es un ca so de movimiento directo, que desde

el hemisferio Norte se aprecia con sentido antihora rio

Movimiento retrógrado Es el opuesto al directo. Tal es el movimiento diurno del Sol,[1] de Este a Oeste, en sentido horario, asimismo desde el hemisferio Norte. Podemos definirlo como:

La rotación de un cuerpo en sentido horario, visto desde encima del polo Norte solar. El movimiento de un cuerpo en su órbita , en sentido horario, visto desde encima del

polo Norte solar. El movimiento de Este a Oeste de un astro en la esfera celeste, visto mirando hacia el

Sur. De los planetas del Sistema Solar sólo dos tienen rotación retrógrada: Venus y Urano. La inclinación axial de los cuerpos con movimiento retrógrado es mayor de 90º. Así, Venus está inclinado 177,36º respecto a su órbita, y Urano 97,86º. El movimiento directo y retrógrado están definidos considerando una determinada posición del observador (desde encima del polo norte solar), y para una determinado sentido de su visual (mirando hacia el Sur). Por lo tanto un movimiento será directo o retrógrado con



independencia del observador. Otra cosa es que sea apreciado por él en sentido horario o antihorario. Así, el movimiento orbital de la Luna es directo tanto en el hemisferio Norte como en el hemisferio Sur, pero en aquél será antihorario, y en éste horario. Análogamente, el movimiento diurno del Sol -retrógrado-, será horario para un observador del Norte, y antihorario para otro del Sur. Digamos que directo o retrógrado es el verdadero sentido del movimiento, mientras que sentido horario o antihorario es circunstancial, dependiente de la posición.

Fig. 39 El movimiento diario aparente del Sol de Es te a Oeste es un movimiento retrógrado y, para el hemisferio Norte, de sentido horario

• Cadenas cinemáticas Es la unidad dinámica funcional del sistema. Está compuesta por sucesivas cadenas y las correspondientes unidades cuyo objetivo fundamental es la traslación de ese segmento motor en el espacio. En una cadena cinemática encontramos cadenas unidas por pares cinemáticos (unión móvil de dos eslabones en contacto). Se pueden conocer con el nombre de cadenas cinemáticas o motoras. Orientación de la cadena cinemática : La posición de la cadena cinemática en el espacio se determina a través de la referencia de los elementos de orientación que son externos e internos y nos permite orientar la cadena cinemática en forma objetiva para proceder a su análisis. Para eso nos basamos en los elementos de orientación. Elementos de orientación de una cadena funcional



Elementos externos de orientación : son las coordenadas de los puntos fijos de su primer miembro, en un sistema inercial de coordenadas. Cuando determinamos la orientación de los segmentos en el espacio determinamos la cinemática involucrada en el dispositivo. A este análisis se debe agregar el tiempo que se debe mantener a ese miembro en determinada posición o la cantidad de veces que se repite el movimiento en el tiempo durante la jornada de trabajo para considerar la magnitud del esfuerzo. Elementos internos de orientación : se consideran los ángulos entre cualquier par de segmentos limítrofes. Algunos implican micromovimientos que a veces exceden la amplitud normal de cada cadena, o por el contrario, cuya movilidad es insuficiente con relación a las posibilidades de movimiento de cada una. Los movimientos del dispositivo se producen gracias al desplazamiento de las cadenas cinemáticas en el espacio a través de la intervención de fuerzas que actúan sobre ellas.

Fuerzas internas: son aquellas que ponen en movimiento las cadenas cinemáticas o eslabones que la constituyen.

Fuerzas externas: se caracterizan por la interacción entre la CC analizada y el medio

circundante. Ejemplo: aceleración de la gravedad, resistencia externa (como puede ser la aplicación de diferentes cargas, reacción del piso), etc.

Los movimientos de los segmentos de las cadenas cinemáticas se realizan debido a que sobre ellos se aplican ciertos momentos de pares de fuerzas alrededor de un eje que pasa por el centro articular. En mecánica a esos pares de fuerzas se los denomina momentos articulares. Los grados de movilidad se deben calcular en función del movimiento a realizar, sin emplear todas sus posibilidades al tope. Esto significa que es más importante controlar, en cualquier actividad, los grados de libertad de movimientos que sobran en cada unidad de la cadena que los grados de libertad de movimientos que utilizó. Este es el denominado principio de las reservas. Este exceso de grados de libertad de movimiento brinda la posibilidad de compensar ciertos grados de libertad ausentes, como en caso de trabajos complicados.

Los movimientos ejecutados por las cadenas cinemáticas resultan de combinaciones al nivel de las distintas unidades básicas motoras que las componen. Estos movimientos son básicamente los explicados con anterioridad.

La aplicación de estos conceptos explica la transformación de los movimientos segmentarios de rotación en un movimiento resultante de traslación de todo el dispositivo o simplemente en una cadena cinemática.



Otra forma simplificada de estudiar una cadena cinemática es a través de la modelación de los sistemas complejos, es decir hacer un modelo del sistema que queremos analizar. Debemos tener en cuenta que tales modelos (hechos con diferentes elementos) tienen naturaleza mecánica, son evaluables a través del análisis matemático. Las cadenas cinemáticas abiertas son aquellas formadas por una serie de articulaciones sucesivas entre cadenas cuyo último elemento es libre. Las cerradas son una combinación análoga a la anterior pero cuyo último elemento es fijo o tiene que vencer una resistencia que restringe o impide la libertad de movimiento en distintos grados. De acuerdo con La resistencia a vencer tenemos:

1. Débilmente frenada: muy próxima a la cadena abierta; en este caso la resistencia a vencer es pequeña.

2. Fuertemente frenada: es aquella en la cual la resistencia es vencida con dificultad.

Como la resistencia es vencida también se la considera abierta para su análisis.

3. Estrictamente cerrada: es aquella en la cual la resistencia externa es absoluta o dominante.

La interpretación correcta desde la mecánica y la evaluación funcional indica que debemos analizar a todas las cadenas combinándolas entre sí como una gran cadena de movimiento cuyo extremo será móvil (cadenas abiertas y cerradas fuertes y débiles) o cuyo extremo será inmóvil o fijo (cadena estrictamente cerrada). • Levas

En ingeniería mecánica, una leva es un trozo de material (madera, metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene una forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores, de traslación y de rotación. La unión de una leva se conoce como unión de punto en caso de un plano o unión de línea en caso del espacio. De ser necesario pueden agregarse dientes a la leva para aumentar el contacto. El diseño de una leva depende del tipo de movimiento que se desea imprimir en el seguidor. Como ejemplos se tienen el árbol de levas del motor de combustión interna, el programador de lavadoras, etc.



La máquina que se usa para fabricar levas se le conoce como generadora.

Figura 40 Árbol de levas en un motor

• Trenes de engranes Se denomina engranaje o tren de engranes al mecanismo utilizado para transmitir potencia entre las distintas partes de una máquina. Los trenes de engranes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales a la mayor se le denomina rueda y la menor piñón. Una de las aplicaciones más importantes de los engranes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes. Según como sea el tipo de dentado que tengan y la ubicación de los ejes los engranes pueden ser:

Cilíndricos de dientes rectos

Cilíndricos de dientes helicoidales

Cónicos de dientes rectos

Cónicos de dientes helicoidales

De rueda y tornillo sin-fin

De cremallera



• Rueda dentada ¿Sabías que desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados en madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento?

Figura 41 Ruedas dentadas de madera

Figura 41 Engranaje helicoidal de Leonardo



A finales del siglo XIX, , el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventó un método revolucionario para mecanizar tornillos sin fin glóbicos tales como los que se montaban en las cajas de dirección de los vehículos antes de que fuesen hidráulicas. En 1905, M. Chambon, de Lyon (Francia), fue el creador de la máquina para el dentado de engranajes cónicos por procedimiento de fresa madre. Aproximadamente por esas fechas André Citroën inventó los engranajes helicoidales dobles. La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:

Píñón recto de 18 dientes Ejes paralelos:

Cilíndricos de dientes rectos

Cilíndricos de dientes helicoidales

Doble helicoidales

Ejes perpendiculares

Helicoidales cruzados

Cónicos de dientes rectos

Cónicos de dientes helicoidales

Cónicos hipoides

De rueda y tornillo sinfín

Por aplicaciones especiales se pueden citar:

Planetarios

Interiores

De cremallera

Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar:

Transmisión simple

Transmisión con engranaje loco

Transmisión compuesta. Tren de engranajes

Transmisión mediante cadena o polea dentada

Mecanismo piñón cadena

Polea dentada



Figura 43 Piñón recto de 18 dientes

Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan. Los dientes de un engranaje : son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo. El módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes. El paso circular : es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos. EL espesor del diente : es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.



El número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º. EL diámetro exterior: de la circunferencia limita la parte exterior del engranaje, mientras que el diámetro interior : limita el pie del diente. El pie del diente : también conocido como dedendum, es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva., mientras que la cabeza del diente o adendum,. es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo. La relación de transmisión : es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada [6] tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad que tenga la transmisión.

Figura 44 Elementos de una rueda dentada

• Transmisión por correa y cadena La transmisión de movimiento se obtiene generalmente mediante una correa o una cadena y su principal objetivo es transmitir el movimiento a las ruedas o de un mecanismo a otro. Cadenas de eslabones planos enlazados mediante pern os , habitualmente usadas en motos y bicicletas. Se usan para transmitir el movimiento de los pedales a la rueda en las



bicicletas o dentro de un motor para transmitir movimiento de un mecanismo a otro. Por ejemplo del cigüeñal al árbol de levas. Hay algún modelo de bicicleta que usa un cardan para transmitir el movimiento a las ruedas. Sin embargo, el sistema de cadena da una cierta elasticidad que ayuda a iniciar el movimiento, sobre todo en cuestas. Su inconveniente es que se puede enganchar y es más débil que un cardan. En los motores se usan cadenas para el árbol de levas porque necesita cierta fuerza. Las correas se usan para otros mecanismos de menos potencia como bomba de agua o el alternador. Cada vez se tiende más a sustituir la cadena del árbol de levas por una correa ya que hace menos ruidoso el motor. A cambio, hay que sustituir la correa con más frecuencia que una cadena. • Chumaceras Una chumacera es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste, sirviéndole de apoyo y facilitando su desplazamiento. Las chumaceras de movimiento rotativo , según el sentido del esfuerzo que soportan, las hay axiales, radiales y axiales-radiales. Una chumacera radial es la que soporta esfuerzos radiales, que son esfuerzos de dirección normal a la dirección que pasa por el centro de su eje, como por ejemplo una rueda, es axial si soporta esfuerzos en la dirección de su eje, ejemplo en quicio, y axial-radial si los puede soportar en los dos, de forma alternativa o combinada. La fabricación de chumaceras con cojinetes de bolas ocupa en tecnología un lugar muy especial, dados los procedimientos para conseguir la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores fabricantes de ese tipo de chumaceras emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final es casi perfecto, también es atribuida la gravedad como efecto adverso. Los suecos, fabricantes de acero para partes de alta fricción en máquinas, han conseguido llevar al espacio exterior la técnica para el tratamiento final de las bolas, evitando el efecto gravedad, con el fin de conseguir la esfericidad deseada.



Figura 45 Chumacera de cojinetes de bolas

1.3.2. Sistema de actuación eléctrica • Interruptores mecánicos Un interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El modelo prototípico es un dispositivo mecánico (por ejemplo un interruptor de ferrocarril) que puede ser desconectado de un curso y unido (conectado) al otro. El término "el interruptor" se refiere típicamente a la electricidad o a circuitos electrónicos. En usos donde requieren múltiples opciones de conmutación (p.ej., un teléfono), con el tiempo han sido remplazados por las variantes electrónicas que pueden ser controladas y automatizadas.

Figura 46 Símbolo de un interruptor

Los interruptores mecánicos más comunes son los relés o relevadores, son dispositivos electromecánicos que funciona como interruptores controlados por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes El relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, una forma de amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal



con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores", de ahí "relé". • Interruptores de estado sólido Los dispositivos de detección de estado sólido están diseñados para producir resultados de alta calidad en una variedad de entornos hostiles. La flexibilidad de configuración del interruptor y las opciones de montaje hacen que la unidad sea ideal para una amplia gama de aplicaciones que incluyen productos químicos hostiles y proyecciones de agua. La construcción de acero inoxidable, las marcas grabadas a láser y la clasificación hacen que estos interruptores sean ideales para las aplicaciones de alimentos, bebidas y otras aplicaciones que requieren lavado del equipo.

El dispositivo está basado en microprocesador y no contiene piezas móviles para ofrecer una vida útil más larga, un mayor grado de precisión y menor tiempo improductivo. El diseño de envolvente único y la pantalla con capacidad de inversión permite rotar el sensor para facilitar el cableado y una visualización óptima de la pantalla LCD, la cual, junto con los indicadores LED proporciona una indicación de estado de fácil lectura.

Figura 47 Interruptor de estado sólido

La gama de productos en constante evolución está diseñada para mejorar el éxito del cliente. Esta tecnología continúa con la introducción de una nueva línea de interruptores de flujo de estado sólido. Las nuevas tecnologías no sólo complementan la ya exitosa línea de interruptores electromecánicos de detección de condición sino que también expanden la



línea de productos de estado sólido de detección de condición de presión y temperatura de eficiencia comprobada. • Solenoides El solenoide es un alambre aislado enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espiras con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro del solenoide. El solenoide con un núcleo apropiado se convierte en un imán (en realidad electroimán). Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme. Podemos calcular el modulo del campo magnético dentro del solenoide según la ecuación:

Donde:

µ0 : el coeficiente de permeabilidad n : densidad de espiras del solenoide i : corriente que circula.

Este tipo de bobinas o solenoides es utilizado para accionar un tipo de válvula, llamada válvula solenoide, que responde a pulsos eléctricos respecto de su apertura y cierre. Eventualmente controlable por programa, su aplicación más recurrente en la actualidad, tiene relación con sistemas de regulación hidráulica y neumática.

El mecanismo que acopla y desacopla el motor de arranque de los motores de combustión interna en el momento de su puesta en marcha es un solenoide.

Figura 48 Solenoide



• Motores de CD El motor de corriente directa es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotativo. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales. Esta máquina de corriente directa es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica han caído en desuso pues los motores de corriente alterna del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más asequibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto el uso de motores de corriente continua sigue y se usan en aplicaciones de trenes o tranvías.

La principal característica del motor de corriente directa es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga. Una máquina de corriente directa (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, los cuales pueden estar devanados sobre la periferia del estator, o pueden estar de forma saliente. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado. • Motores de CA Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma cualquiera de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la electricidad en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos. Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador. Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de los motores y generadores es el alternador.



• Motores de paso El motor de c.c. serie, tal como se ha explicado, gira cuando se aplica c-c o c-a de baja frecuencia. Tal motor, llamado de paso, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras, taladradoras eléctricas transportables y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad con un par muy potente. Una dificultad de los motores de paso, en lo que a radio se refiere, son las chispas del colector y las interferencias de radio que ello lleva consigo o ruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 µF a 0,01 µF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa. Motores síncronos , Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará. El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo, o 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuará girando como un motor síncrono. Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad. Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren todas unas excitaciones de c-c para el campo (o rotor), así como una excitación de c-a para el rotor (o campo). Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca el tiempo exacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión.



Motores de jaula de ardilla La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos y tienen un núcleo de hierro laminado. Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor está entre dos polos de campos electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno. Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas. Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal. El desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo. El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.



Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75 por 100. Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo. Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él. En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo. Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo. De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100. Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores. • Servomecanismos eléctricos Un servomomecanismo eléctrico (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.



Figura 49 Servo

Estructura interna Motor de corriente continua, es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje aplicado en sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte. Engranajes reductores, se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torsión.

Circuito de control , este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos. Terminales : Los servomotores tienen tres terminales:

Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)

Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)

Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor

Los colores del cable de cada terminal varían con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o amarillo.



Fabricante Terminal Positivo Terminal Negativo Entrada de señal

Futaba Rojo Negro Blanco

Dong Yang Rojo Negro Blanco

Hitec Rojo Negro Amarillo

JR Rojo Marrón Naranja

Airtronics Rojo Negro Naranja

Fleet Rojo Negro Blanco

Kraft Rojo Negro Naranja

E-Sky Rojo Negro Blanco

Tabla 5 Colores de los terminales para algunas marc as comerciales

Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje. El ángulo de ubicación del motor depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Para el servomotor Futaba S3003, los valores posibles de la señal en alto están entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0° y 180°, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posición central, y otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición proporcional a dicha duración.

Es sencillo notar que, para el caso del motor anteriormente mencionado, la duración del pulso alto para conseguir un ángulo de posición θ estará dada por la fórmula

t = 0,3 + θ/100

Donde t está dada en milisegundos y θ en grados.



Duración del nivel alto [ms] Ángulo [grados]

0,30 0º

1,20 90º

2,10 180º

0,75 45º

1,00 70º

Tabla 6 Ejemplos de algunos valores usados en un se rvomotor

Para bloquear el servomotor en una posición, es necesario enviarle continuamente una señal con la posición deseada. De esta forma el servo conservará su posición y se resistirá a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición. Si los pulsos no se envían, el servomotor queda liberado, y cualquier fuerza externa puede cambiarlo de posición fácilmente.



Figura 50

Es posible modificar un servo motor para eliminar su restricción de giro y permitirle dar giros completos. Esto, sin embargo, convierte al servo motor en un motor de corriente continua normal, pues es necesario eliminar el circuito de control. Debido que los engranajes reductores se conservan luego de la modificación, el motor obtenido mantiene la fuerza y velocidad que tenían servo inicial. Además, poseen la ventaja de que tienen menos inercia que los motores de corriente continua comerciales, lo que los hace útiles para ciertas aplicaciones.



1.3.3. Sistemas de actuación neumática • Válvulas para control de dirección Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e hidráulicos están constituidos por:

Elementos de información

Órganos de mando

Elementos de trabajo

Para el tratamiento de la información y órganos de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido. En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático (cuervo). Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales. La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

Hay veces que el comando se realiza manualmente, y otras nos obliga a recurrir a la electricidad (para automatizar) por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas. Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:



Distribuir el fluido

Regular caudal

Regular presión

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenada en un depósito. En lenguaje internacional, el término "válvula" o "distribuidor" es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc.

Monoestables y biestables

Figura 51



Dos vías

Figura 52

Tres vías

Figura 53 Cuatro vías

Figura 54



Cinco vías

Dos posiciones

Figura 55

Tres posiciones

Figura 56

Anti-retorno

Figura 57

• Válvulas de control de presión Las válvulas de control y/o alivio de presión, también llamadas válvulas de seguridad o válvulas de alivio, están diseñados para liberar fluido cuando la presión interna supera el umbral establecido. Su misión es evitar una explosión, el fallo de un equipo o tubería por un exceso de presión. Existen también las válvulas de alivio que liberan el fluido cuando la temperatura supera un límite establecido. Estas válvulas son llamadas válvulas de alivio de presión y temperatura.



Figura 58 Diagrama de una válvula de control de pre sión

Las válvulas de control de presión se pueden encontrar a nivel industrial, comercial y doméstico. En general en cualquier lugar donde circule o de mantenga un fluido que esté sometido a cambios de presión y/o temperatura se puede observar este tipo de válvulas. Entre los ejemplos más comunes y a la vista de todos nosotros están los calentadores de agua. Las válvulas de control de presión instaladas en los calentadores o en la línea del calentador están diseñadas para abrirse y liberar la presión en caso de que la presión supere los 120-150 PSI (8-10 bar) para evitar una explosión en caso de fallo del termostato. En la industria también sobran los ejemplos como los compresores de aire o estaciones de reducción de presión para suministro de gas natural. Otros usos habituales de las estas válvulas son el alivio de presión en un bloqueo en el sistema de impulsión de una bomba, o para aliviar el aumento de presión debido a una expansión térmica de un fluido confinado en un sistema cerrado. A nivel industrial no todas las válvulas liberan el fluido al exterior, en el caso de gases o líquidos peligrosos la liberación se hace hacia contenedores especiales. Las válvulas de control de presión también son utilizadas para controlar procesos, en estos casos las válvulas actúan enviando los fluidos a determinados lugares dependiendo de presión del sistema.



• Válvulas de control de flujo Tipos de válvulas de control de flujo:

Tipo desvío Para controlar el flujo por medio del método de desvío, un mecanismo de válvula asegura el flujo del fluido del sistema cuando una presión diferencial seleccionada de antemano a través del elemento filtrante se excede; la válvula permite que todo o parte del flujo sea desviado del sistema.

Tipo restricción

El control hidráulico se fundamenta en el movimiento de relativamente pequeños flujos de líquido a través de estrechos ductos de comando y que son recibidos de una fuente de emisión del flujo presurizado y conducidos hasta una cámara donde mediante un diafragma o pistón, se transmite el movimiento a elementos mecánicos de un dispositivo tal como una válvula, o un elevador o cualquier otro equipo de accionamiento hidráulico. Para controlar el flujo por el método de restricción, se coloca una válvula de restricción o de aguja que regula el flujo hacia el pórtico, esta nos sirve para calibrar la velocidad de reacción de la válvula ante una variación de presión, lo que entre otras ventajas tiene el de evitar cambios bruscos de presión y el golpe de ariete. La secuencia de funcionamiento es la siguiente: En primer lugar si el sistema está en régimen, la presión aguas abajo sube un poco y el diafragma del piloto comprime al resorte cerrando el paso del circuito de control aguas abajo, por lo que la presión aguas arriba pasa en su totalidad a la cámara y la válvula tiende a cerrarse. En un segundo escenario si la presión baja en la salida de la válvula el resorte mueve al diafragma y al pistón abriendo el paso de la presión aguas abajo, por lo tanto libera presión de la cámara lo que le permite abrirse más a la válvula y compensar esa caída de presión. Por último si el caudal baja hasta llegar a cero, sabemos que la presión aguas abajo también sufrirá un incremento que provocará el cierre del paso del circuito de control aguas abajo por lo que la cámara de la válvula se presurizará totalmente y la válvula se cerrará por completo. De esta manera a caudal cero el sistema queda con presión regulada. Por tanto esto nos permite reemplazar los tanques rompe presión por válvulas reductoras.



Figura 59 Válvulas de control de flujo, compensador a de temperatura:

Las válvulas de control de flujo con compensadores de temperatura, son muy usadas cuando el fluido a transportar es volátil, y la temperatura puede ser un factor de riesgo, por ejemplo, en los surtidores de gas, los compensadores de temperatura son esenciales para mantener el flujo de gas a la temperatura deseada.

Figura 60 Válvula de control de flujo con control r emoto



La mayoría de las válvulas de control de flujo operadas por piloto llevan una conexión externa de control que usualmente es de 1/4" B.S.P.T. Este orificio esta generalmente identificado por las letras RC, o por la palabra VENT, Para que las condiciones de control remoto de la válvula sean adecuadas es aconsejable no montar los sistemas de control a más de diez pies de la válvula principal. En la figura 54, la válvula 1, es una pequeña válvula de alivio auxiliar instalada en un punto distante en la válvula de alivio principal y conectada al venteo mediante una cañería de un cuarto o 3/8". Esto permite al aperador controlar remotamente la presión de servicio.

Figura 61 Diagrama que incluye una válvula de contr ol de flujo, elemento 1

La válvula 1 está conectada en paralelo con la válvula 2 que es la sección piloto de la válvula principal, y que a su vez está controlada por un volante de ajuste. Cuando dos válvulas de alivio se encuentran conectadas en paralelo sobre la misma línea de presión hidráulica aquella que esta ajustada al valor más bajo tiene preponderancia sobra el circuito, es por ello que debemos tomar la siguiente precaución el volante de ajuste de la válvula principal debe estar colocando al valor más elevado de presión deseada, de esta forma la válvula de control remoto 1 puede ser ajustada a valores más bajos que el anunciado precedentemente. La válvula de control remoto nunca podrá ser ajustada a valores superiores fijados en la válvula 2.



Un uso común del control remoto es la colocación de válvulas de control remoto montadas en panel y conectadas mediante tuberías de pequeña sección, a los efectos de que los operadores puedan efectuar el control de un equipo a distancias. La máxima separación de 3 metros es sugerida a causa de que con líneas más largas la respuesta tiende a ser perezosa, separaciones más largas son posibles en algunas instalaciones con adecuados tipos de válvulas de alivio.

• Temporizadores Los temporizadores así como su nombre lo dice son mecanismos que funcionan o hacen una operación por cierto tiempo donde el tiempo es ajustado de acuerdo del uso dado. Entre éstos existen pequeños dentro de un integrado o grande para potencia en fin digitales o no llevan los mismos implementos básicos.

Los temporizadores están presentes en casi todos los circuitos electrónicos y son la aplicación análoga más común de la electrónica de control. Su principio de funcionamiento se basa en el tiempo de descarga de los condensadores (C), normalmente asociados a una resistencia de carga (R), en lo que se conoce como circuitos RC. Al aplicar momentáneamente un voltaje DC al circuito RC, el condensador adquirirá una carga por medio de la R asociada. El tiempo que dure en descargarse este voltaje dependerá principalmente de la capacidad en Faradios del C, y la impedancia de salida del circuito. Esto quiere decir que a mayor valor en Faradios del C, mayor tiempo tomará en descargarse; este tiempo varía proporcionalmente también con la impedancia de salida del circuito RC, lo que aplica si el circuito RC tiene que alimentar en su salida elementos electrónicos como LED o transistores etcétera. Este voltaje almacenado es el que se utiliza como señal análoga de circuitos que precisan de un tiempo para trabajar, el cual podemos modificar a voluntad, bien sea aumentando o disminuyendo la R o el C. Al amplificar esta señal tenemos un temporizador básico. Para ejemplificar mejor el tema propondremos el siguiente ejercicio; si queremos que este circuito maneje cargas reales de 120VAC debemos utilizar la señal activa en alto del pin 3 (salida) y amplificarla mediante un transistor driver. Este activará un relé que servirá para manejar lo que queramos acorde a la capacidad de sus contactos. Un circuito real que maneja la válvula de agua de un sistema sanitario por un tiempo ajustado en el temporizador es el siguiente:



Figura 62

• Servomecanismos neumáticos

Figura 63 Servomecanismo neumático

Los servomecanismos neumáticos según se ilustra en la figura 56, proporcionan operación automática o semiautomática de una válvula.



Estos servomecanismos traducen una señal de aire en movimiento del vástago por la presión de aire actuando sobre un diafragma o pistón conectado al mismo. Los actuadores neumáticos son usados en válvulas de estrangulación para posicionamiento de apertura-cierre donde se requiera una rápida acción. Cuando la presión del aire cierra la válvula y la acción del resorte abre la misma, el actuador es referido como de acción directa. Cuando la presión de aire abre la válvula y la acción del resorte la cierra, el servomecanismo es referido como de acción reversa. Los servomecanismos bidireccionales tienen aire suministrado a ambos lados del diafragma. La presión diferencial a través del diafragma posiciona el vástago de la válvula. La operación automática es proporcionada cuando las señales de aire son automáticamente controladas por el circuito de comando. La operación semiautomática es proporcionada por interruptores manuales en el circuito hacia las válvulas de control de aire. 1.3.4. Sistemas de actuación hidráulica • Válvulas para control de dirección Las válvulas hidráulicas se catalogan al igual que las neumáticas por el número de puertos en su cuerpo y por el número de posiciones que tienen fijas. Ejemplo: Una válvula 5/3 indica 5 puertos o conexiones en el cuerpo de la válvula y 3, que puede tener tres posiciones estables mediante sus actuadores. Las válvulas pueden ser actuadas mediante aire, aceite, electricidad y mecánicamente. A los primeros tipos se les denomina "piloteadas", por emplear válvulas piloto. Existen válvulas de tipo llamado proporcional en donde no existen posiciones fijas y que sirven para servomecanismos, ya que se puede regular entre posiciones infinitas el flujo mediante la acción concertada de los actuadores eléctricos. Como referencia para su empleo, existe un curso en la compañía Festo denominado "Hidráulica Proporcional". Al igual que las válvulas neumáticas, se encuentran preferentemente en bloques o cabezales, en tamaños de bases estándares. Además de las aplicaciones industriales de estos componentes, no hay que olvidar que por construcción y costo, las válvulas empleadas en la llamada hidráulica móvil (maquinaria de movimiento de tierras) son más robustas y económicas para actuarse manualmente.



Válvulas direccionales (3/2 y 5/3) de centro Tandem :

Se llaman de esta manera a las válvulas que en su posición central permiten el paso del flujo de la bomba hacia el tanque, no permitiendo ninguna comunicación con los puertas A y B; De esta manera, si se está controlando un cilindro hidráulico, el cilindro no se podrá mover cuando la válvula permanezca centrada. Claro, que con el tiempo, sí se va a perder algo de presión y, posiblemente si se mueva el cilindro. Válvulas direccionales (5/3) de centro abierto: Estas válvulas sirven para evitar golpes de ariete en circuitos con motores hidráulicos, ya que en su posición intermedia conectan todas las salidas; también, sirven en aplicaciones donde se requiere el posicionamiento manual de los actuadores. Válvulas direccionales (3/2 y 5/3) de centro cerrad o: Este tipo de válvula es empleado en circuitos donde se tiene un acumulador con su respectiva válvula de descarga. En operación, el centro no conecta ninguna de las salidas. • Válvulas de control de presión En cualquier sistema hidráulico, esta válvula es imprescindible, ya que por ser las bombas hidráulicas del tipo de desplazamiento positivo, se podría obtener teóricamente cualquier presión hasta que alguna parte del sistema fallara por fuga interna (bomba) o fuga hacia el exterior (conducto). Una vez ajustada en un valor, cada vez que el sistema no requiera aceite, la válvula operará abriendo un pasaje al tanque. Carga :

La acción ideal de una válvula de control de presión es la de aliviar el flujo total generado por la bomba una vez que se ha llegado al límite de carga fijado mediante el resorte, desafortunadamente esta condición es prácticamente imposible de lograr. La presión de ruptura está definida por el valor de presión al cual el aceite comienza a pasar del circuito principal al tanque. En las válvulas de alivio de acción directa, para que ello ocurra el sistema de presión tiene que balancear la tensión de oposición del resorte. La compresión de este resorte hace que para obtener una apertura total de la válvula de alivio deba incrementarse la presión a valores no aceptables en un circuito bien diseñado.



Descarga :

En la posición central de la válvula, el aceite es aislado en ambas caras del cilindro mientras que la bomba debe descargar libremente al tanque a través del vástago de la válvula. Este sistema, de operación automática no requiere atención por parte del operador. La mayoría de los equipos móviles que usan circuitos hidráulicas llevan válvulas de este tipo, Generalmente la válvula de alivio se encuentra incorpora da en la construcción de la válvula de comando.

Circuito para descarga del acumulador: En la figura 57 vemos un típico circuito empleando una válvula de retención comandada, Cuando el cilindro efectúa su carrera de descenso y ejerce presión puede centrarse la válvula de comando actuando entonces como retención de la presión en la cámara ciega del cilindro la válvula de retención comandada.

Figura 64 Circuito empleando una válvula de retenci ón comandada

Para la carrera de elevación de este cilindro, al efectuarse el suministro a través de la válvula de comando, a la cara del lado del vástago queda aplicada una presión piloto a la válvula de retención abriéndose esta y permitiendo la evacuación del aceite procedente de la cara ciega del cilindro. Estos circuitos son efectivos únicamente cuando el cilindro absolutamente estanco entre cámaras, es preferible el empleo en estos casos de pistones con guarniciones de múltiples " V" de tipo sintético. En la siguiente figura, la adición de un pequeño acumulador en la línea al cilindro permite resolver los problemas del mantenimiento de la presión.



Figura 65 Acumulador en línea

El acumulador usualmente de aproximadamente 1/2 galón, es llenado cuando se produce la carrera de descenso del cilindro , en la entrada en la válvula el aceite acumulado a presión se encarga de mantener la presión dentro de la cámara ciega del cilindro compensando las perdidas que pudieran existir. Cabe mencionar que el acumulador no mantiene en forma absolutamente constante el nivel de presión, y desciende a medida que el acumulador se descarga. • Válvulas para control de flujo Circuito controlador a la entrada:

Para controlar el volumen de flujo en un circuito hidráulico, se deben instalar dispositivos de control, si lo que se desea es controlar el circuito a la entrada, a la entrada del circuito se coloca una bomba, un medidor de flujo, una válvula de control y un medidor de presión.

Figura 66 Circuito controlador a la salida:

Si lo que se desea es controlar el flujo a la salida del circuito, los aditamentos deberán colocarse precisamente a la salida del circuito, bomba, medidor de flujo, válvula de control y medidor de presión.



Figura 67 Circuito de sangrado:

Otro método para controlar el flujo de un circuito hidráulico o neumático es la de instalar sangrías en el circuito, dichas sangrías no son otra cosa que válvulas que permiten la salida de flujo a condiciones predeterminadas de presión, estos sistemas son muy usados pues son confiables y no necesitan mucho mantenimiento. • Servomecanismos hidráulicos Un servomecanismo es un sistema formado de partes mecánicas y electrónicas que en ocasiones son usadas en robots, con parte móvil o fija. Puede estar formado también de partes neumáticas, hidráulicas y controladas con precisión. Ejemplos: brazo robot, mecanismo de frenos automotor, etc. Un error típico es confundir un servomecanismo con un servomotor, aunque las partes que forman un servomotor son mecanismos. En otras palabras, un servomotor es un motor especial al que se ha añadido un sistema de control (tarjeta electrónica), un potenciómetro y un conjunto de engranajes, que no permiten que el motor gire 360 grados, solo aproximadamente 180. Los servomotores son comúnmente usados en modelismo como aviones, barcos, helicópteros y trenes para controlar de manera eficaz los sistemas motores y los de dirección.



ACTIVIDADES

Investiga cuáles son las principales disciplinas que conforman la mecatrónica, escribe un resumen breve del porqué de cada una y coméntalo con el grupo.

Investiga con tus compañeros cuáles son las principales áreas de aplicación de la mecatrónica, elaboren en equipo un estudio cronológico de la robótica señalando los eventos más importantes y expónganlo en clase.

Investiga cuáles son los diferentes tipos de transductores que existen en el mercado, elabora una tabla que muestre las aplicaciones, similitudes y diferencias de cada uno, después compártelo con el grupo.

Realiza con tus compañeros una investigación de campo acerca del uso de sensores de velocidad y movimiento, visita alguna fábrica de tu comunidad e identifica cuántos dispositivos de este tipo puedas, si es posible saca algunas fotografías elabora una tabla con los nombres de los dispositivos y sus características.

Investiga cuál es el principio del movimiento perpetuo, realiza un dibujo o maqueta que lo represente, encuentra algunas aplicaciones y discútelas con el grupo.

Realiza con tu equipo de trabajo una investigación en alguna fábrica o taller de tu localidad donde se utilicen trenes de engranes para transmitir movimiento, obtén la mayor cantidad de información posible, elabora un reporte técnico y enriquécelo con los reportes de los demás equipos.



PRÁCTICAS

Unidad de aprendizaje

1

Práctica número 1

Nombre de la práctica

Identificación de un sistema mecatrónico

Propósito de la práctica

Al finalizar la práctica el alumno será capaz de identificar los sistemas mecatrónicos con base en la información proporcionada por PSP, logrando separar dicho sistemas en sistemas de medición y sistema de control

Escenario Taller o laboratorio de mecánica o electrónica

Duración 4 hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta

• Sistema mecatrónico

• Pinza de punta

• Desarmadores de diferentes puntas

• Llaves de diferente tamaño



Procedimiento

Medidas de seguridad e higiene: (+) + Acatar el reglamento interno del Conalep (laboratorio), así como las normas de seguridad e higiene

preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar el sistema mecatrónico y la herramienta al encargado del laboratorio. 3. Colocar el sistema mecatrónico en las mesas de trabajo. 4. Realizar el desmontaje correspondiente. 5. Identificar los sistemas de medición y control del sistema mecatrónico. 6. Realizar el montaje del sistema mecatrónico. Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.



Lista de cotejo de la práctica número 1:

Identificación de un sistema mecatrónico

Nombre del alumno:

Instrucciones: De la siguiente lista marque con una aquellas acciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño y que pudo observar.

Desarrollo Sí No No Aplica

Aplicó las medidas de seguridad e higiene.

+ Acató el reglamento interno del Conalep (laboratorio), así como las normas de seguridad e higiene preestablecidas.

+ Observó las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar.

+ Manejó las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP. + Aseguró una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tuvo adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogió el material y equipo, dejando limpia el área

trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó el sistema mecatrónico y la herramienta al encargado del laboratorio. 3. Colocó sistema mecatrónico en las mesas de trabajo. 4. Realizó el desmontaje correspondiente. 5. Identificó los sistemas de medición y control del sistema mecatrónico. 6. Realizó el montaje del sistema mecatrónico.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de

término: Evaluación:




1

Práctica número 2


Identificación de sensores y transductores utilizados en sistemas mecatrónicos


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de identificar los tipos de sensores y transductores utilizados en sistemas mecatrónicos.


Duración 3 hrs.


• Sensores y/o transductores


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar los sensores y/o transductores al encargado del laboratorio. 3. Colocar los sensores y/o transductores en las mesas de trabajo. 4. Identificar el tipo y naturaleza de los sensores y/o transductores. 5. Identificar las características físicas y parámetros de los sensores y/o transductores en manuales de

fabricante. Preparación.

1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Identificación de sensores y transductores utilizadores en sistemas mecatrónicos

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó los sensores y/o transductores al encargado del laboratorio. 3. Colocó los sensores y/o transductores en las mesas de trabajo. 4. Identificó el tipo y naturaleza de los sensores y/o transductores. 5. Identificó las características físicas y parámetros de los sensores y/o

transductores en manuales de fabricante.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





1

Práctica número 3


Caracterización de acondicionadores de señal utilizados en sistemas mecatrónicos


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de caracterizar los tipos de acondicionadores de señal utilizados en sistemas mecatrónicos.


Duración 1 hr.


• Acondicionadores de señal


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar los acondicionadores de señal al encargado del laboratorio. 3. Colocar los acondicionadores de señal en las mesas de trabajo. 4. Identificar el tipo de los acondicionadores de señal. 5. Identificar las características físicas y parámetros de los acondicionadores de señal en manuales de

fabricante. Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Caracterización de acondicionadores de señal utilizados en sistemas mecatrónicos

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó los acondicionadores de señal al encargado del laboratorio. 3. Colocó los acondicionadores de señal en las mesas de trabajo. 4. Identificó el tipo de los acondicionadores de señal. 5. Identificó las características físicas y parámetros de los acondicionadores de

señal en manuales de fabricante.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





1

Práctica número 4


Identificación de sistemas de presentación de datos utilizados en sistemas mecatrónicos


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de identificar los tipos de sistemas de presentación de datos utilizados en sistemas mecatrónicos.


Duración 3 hrs.


• Sistemas de presentación de datos


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar los sistemas de presentación de datos al encargado del laboratorio. 3. Colocar los sistemas de presentación de datos en las mesas de trabajo. 4. Identificar el tipo de los sistemas de presentación de datos 5. Identificar las características físicas y parámetros de los sistemas de presentación de datos en manuales

de fabricante. Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Identificación de sistemas de presentación de datos utilizados en sistemas mecatrónicos

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó los acondicionadores de señal al encargado del laboratorio. 3. Colocó los acondicionadores de señal en las mesas de trabajo. 4. Identificó el tipo de los acondicionadores de señal. 5. Identificó las características físicas y parámetros de los acondicionadores de

señal en manuales de fabricante.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





1

Práctica número 5


Sintonización de las ganancias de un controlador PID utilizados en un sistema mecatrónico


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de sintonizar las ganancias de un controlador PID utilizado en un sistema mecatrónico.


Duración 4 hrs.


• Controlador PID


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Colocar los sistemas mecatrónico en las mesas de trabajo. 4. Identificar las distintas ganancias del controlador PID del sistema mecatrónico 5. Realizar pruebas de sintonización del controlador PID del sistema mecatrónico 6. Decidir cual es la mejor sintonización del controlador PID del sistema mecatrónico . Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Sintonización de las ganancias de un controlador PID utilizados en un sistema mecatrónico

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Colocó los sistemas mecatrónico en las mesas de trabajo. 4. Identificó las distintas ganancias del controlador PID del sistema

mecatrónico

5. Realizó pruebas de sintonización del controlador PID del sistema mecatrónico

6. Decidió la mejor sintonización del controlador PID del sistema mecatrónico

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





1

Práctica número 6


Caracterización de sistemas de actuación de naturaleza mecánica, eléctrica, electrónica y neumática que se utilizan en sistemas mecatrónicos


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de caracterizar elementos de naturaleza mecánica, eléctrica, electrónica y neumática utilizados en sistemas mecatrónicos.


Duración 4 hrs.


• Elementos de naturaleza eléctrica, electrónica, mecánica y neumática


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar los elementos de distinta naturaleza al encargado del laboratorio. 3. Colocar los elementos de distinta naturaleza en las mesas de trabajo. 4. Identificar el tipo de aplicación de los elementos 5. Identificar las características físicas y parámetros de los elementos en manuales de fabricante. Preparación.

1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Caracterización de elementos de naturaleza mecánica, eléctrica, electrónica y neumática que se utilizan en sistemas mecatrónicos

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó los elementos de distinta naturaleza al encargado del laboratorio. 3. Colocó los elementos de distinta naturaleza en las mesas de trabajo. 4. Identificó el tipo de aplicación de los elementos 5. Identificó las características físicas y parámetros de los elementos en

manuales de fabricante.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de




Unidad de aprendizaje: 1

Práctica número : 7

Nombre de la práctica: Determinar el valor de una resistencia Rx mediante un puente de Wheatstone.

Propósito de la práctica :

Al finalizar la práctica, el alumno podrá determinar el valor de una resistencia Rx por medio del puente de Wheatstone partiendo de los valores conocidos de 3 resistencias.

Escenario: Taller De Mecatrónica.

Duración: 8 hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta • 2 resistencias del mismo valor. • 1 resistencia de algún valor

conocido pero diferente a las dos primeras.

• 1 resistencia de valor desconocido.

• Alambre para interconectar las resistencias.

• Soldadura de estaño. • Pasta para soldar.

• Generador de corriente.

• Galvanómetro.

• Cautín.

• Desarmadores.

• Pinzas.



Procedimiento

Aplicar las medidas de seguridad e higiene:

El taller deberá estar limpio antes de iniciar las prácticas. Los cables y mangueras deberán estar colgados del techo, de forma que no existan riesgos de tropezar con ellos. En el taller se deberá contar siempre con un extintor cuya carga se verifique semestralmente. Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo existirán cables o conductores expuestos. Los alumnos deberán utilizar la siguiente ropa de t rabajo: Botas de seguridad. Bata u overol (manga corta o larga según el clima). Para tareas de soldadura se deberá usar una careta de seguridad, guantes de carnaza y un delantal de carnaza. Para manejar piezas calientes o baterías y terminales de batería se deberán utilizar guantes de carnaza. Evitar el uso de relojes, hebillas y botones expuestos, corbatas, cabello largo sin recoger. Evitar el uso de relojes, anillos o cualquier otro accesorio o prenda metálicos siempre que se trabaje con sistemas eléctricos. Guardar la herramienta y equipo utilizado. Limpiar el área de trabajo.



Procedimiento

Implantar el concepto de Manejo de residuos generad os, aplicándose apropiadamente en cada práctica.

El taller deberá contar con un almacén de residuos peligrosos donde se concentren todos los residuos sólidos y líquidos.

Recoger con un colector adecuado, evitando en lo posible derramarlos al piso del taller, solventes y otros líquidos de desecho. Posteriormente se almacenarán en un depósito a prueba de fugas debidamente etiquetado. Cada líquido se deberá almacenar en contenedores separados.

Almacenar en una cubeta trapos sucios y solventes

Almacenar en cajas etiquetadas piezas usadas en general.

Guardar baterías inservibles sobre una charola plástica con paredes laterales.

Realizar un inventario mensual de los residuos en el almacén y contratar a una empresa que se encargue de la recolección y disposición de los residuos generados. La empresa deberá contar con la certificación o autorización vigente de las autoridades ambientales correspondientes.



Procedimiento

1. Auxiliado por el cautín, la soldadura de estaño y la pasta para soldar, así como por unas pinzas de

electricista y algún desarmador pequeño, soldar el alambre conductor en cada uno de los extremos de la resistencia R1, el valor de esta resistencia es conocido.

2. Siguiendo cuidadosamente el diagrama eléctrico mostrado a continuación, soldar la resistencia Rx a la

resistencia R1, la resistencia Rx es la resistencia de la cual se quiere determinar el valor.

3. Siguiendo nuevamente el diagrama anterior, soldar la resistencia R2 a la resistencia R1, la resistencia R2 es de un valor conocido y debe ser idéntico al valor de la resistencia R3.

4. Soldar la resistencia R3 de acuerdo al diagrama.

5. Colocar las terminales positiva y negativa del generador de corriente en los nodos A y D respectivamente

tal y como se muestra en el diagrama.

6. Colocar las puntas del galvanómetro en los nodos C y D respectivamente.

7. Aplicar corriente eléctrica por medio del generador.

8. Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (corriente nula por el galvanómetro).

Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro.



Procedimiento

9. Anotar el valor de la resistencia obtenido, si se tienen a la mano más resistencias de distintos valores,

repetir la práctica tantas veces como el tiempo lo permita.

10. Recoger todo el equipo y herramienta utilizados.

11. Limpiar el lugar de trabajo.




Determinar el valor de una resistencia Rx mediante un puente de Wheatstone.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados

en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De la siguiente lista marque con una aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño

Desarrollo Si No No Aplica

Aplicó las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.

Utilizó la ropa y equipo de trabajo.

1. Soldó el alambre conductor en cada uno de los extremos de la resistencia R1. 2. Siguió cuidadosamente el diagrama eléctrico mostrado y soldó la resistencia

Rx a la resistencia R1.

3. Soldó la resistencia R2 a la resistencia R1. 4. Soldó la resistencia R3 de acuerdo al diagrama. 5. Colocó las terminales positiva y negativa del generador de corriente en los nodos

A y D respectivamente.

6. Colocó las puntas del galvanómetro en los nodos C y D respectivamente. 7. Aplicó corriente eléctrica por medio del generador. 8. Determinó el valor de Rx. 9. Anotó el valor de la resistencia obtenido, si hubo más resistencias de distintos

valores, repitió la práctica tantas varias veces.

10. Recogió todo el equipo y herramienta utilizados. 11. Limpió el lugar de trabajo.

Manejó apropiadamente los residuos generados.

Observaciones:

PSP:

Hora de

inicio: Hora de




TRANSFERENCIA A OTROS CONTEXTOS

Con las competencias adquiridas en el capítulo finalizado, puedes iniciar una actividad dentro de la industria y desarrollar actividades dentro del departamento de mantenimiento, determinando los componentes que componen un sistema mecatrónico para su mantenimiento periódico. Por otra parte, es muy importante tomar en cuenta que la Mecatrónica está en constante avance, por lo que resulta muy conveniente para los profesionales técnicos de esta área mantenerse al tanto de lo que se está haciendo en diversas partes del mundo. En ese sentido, la suscripción a revistas especializadas, la consulta de páginas Web y la participación en foros sobre la materia son una herramienta muy útil. Un ejemplo de un sitio mexicano donde puedes encontrar información sobre congresos, talleres y eventos en torno a la Mecatrónica es la página Web de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. (http://www.mecamex.net/) Te recomendamos visitarla y si es posible, que consigas algunos números de su revista, para ello convendría que te agruparas con otros alumnos y solicitaran un donativo de para la escuela. Otro sitio, no mexicano, pero sí en español, que resulta interesante, es “Mecatrónica” (http://www.mecatronica.es/). Esta página apoya a las universidades españolas en el desarrollo de proyectos. Aquí podrás accesar a ejemplos de modelos, tutoriales, videos, foros de discusión y diversas herramientas útiles para ampliar los alcances de tu formación. Para lograr un uso a fondo de la página es recomendable que te registres como usuario, ya que mucha de la información es consultable en forma libre, pero si deseas hacer preguntas o colocar materiales tuyos, deberás poseer una cuenta. Todos estos materiales representan un apoyo para que desarrolles tu creatividad aplicada a la Mecatrónica, ya que te darás cuenta que una parte importante de las aplicaciones de Mecatrónica consisten en crear soluciones para problemas específicos en diversas áreas.



AUTOEVALUACIÓN

CAPÍTULO 1 1. ¿Qué es la Mecatrónica? 2. ¿Cuáles son las principales áreas de aplicación de la Mecatrónica? 3. ¿Qué es un sistema mecatrónico? 4. ¿Qué es un sensor? 5. ¿Cuáles son los principales tipos de transductores? 6. ¿Cómo funciona la bobina de un sensor inductivo? 7. ¿Cuáles son los estados básicos de los LED’s



2 Instalación de Sistemas Mecatrónicos



PRESENTACIÓN En el segundo capítulo de este manual tendrás la oportunidad de adquirir los conocimientos y habilidades necesarios para efectuar la instalación de un sistema mecatrónico, a ser empleado en una aplicación específica. Aplicarás los procedimientos que se emplean y/o requieren para comprobar su funcionamiento y ponerlo a punto. Una vez desarrollado todo el capítulo, estarás en posibilidades de llevar a la práctica la instalación de un sistema mecatrónico y efectuar las pruebas y ajustes que requiera para hacerlo funcionar correctamente. El siguiente diagrama muestra los principales conceptos que abordarás en el capítulo.

Instalación de sistemas mecatrónicos

Herramientas y componentes para

la del sistema

Consideraciones ambientales

Interpretación de planos

Seguimiento de especificaciones del

fabricante

Realización de pruebas de

funcionamiento

Puesta a punto del sistema



2.1.1. Consideraciones para la instalación de un si stema mecatrónico • Interpretación de los planos de un sistema mecatrón ico El dibujo mecatrónico se emplea en la representación de piezas o partes de máquinas, maquinarias, vehículos y máquinas industriales. Los planos que representan un mecanismo simple o una máquina formada por un conjunto de piezas, son llamados planos de conjunto; y los que representa un sólo elemento, plano de pieza. Los que representan un conjunto de piezas con las indicaciones gráficas para su colocación, y armar un todo, son llamados planos de montaje. En el campo de las actividades técnicas, para la representación de los objetos se utilizan varios métodos de proyección, todos los cuales tienen sus propias características, méritos y desventajas. No obstante, para la ejecución de estas representaciones bidimensionales es necesario el conocimiento del método de proyección, de modo tal que, cualquier observador sea capaz de deducir de las vistas la forma tridimensional del objeto. En los numerosos campos técnicos y sus etapas de desarrollo, a menudo es necesario proporcionar planos técnicos. Estos planos entregan una vista tridimensional de un objeto, tal como éste aparecería ante los ojos de un observador. Para leer estos planos mecatrónicos es necesaria una formación técnica profunda sobre la materia. Un dibujo (plano) es una representación gráfica de algo real. El dibujo, por tanto, es un lenguaje gráfico porque usa figuras para comunicar pensamientos e ideas. Como un dibujo es un conjunto de instrucciones que se tienen que cumplir, debe ser claro, correcto, exacto y completo. Los campos especializados son tan distintos como las ramas de la industria. Algunas de las áreas principales del dibujo mecatrónico son: Mecánico, arquitectónico, estructural eléctrico. Clasificación de los planos

Plano general o de conjunto

Este plano presenta una visión general del dispositivo a construir, de forma que se puede ver la situación de las distintas piezas que lo componen, con la relación y las concordancias existentes entre ellas.



La función principal del plano de conjunto consiste en hacer posible el montaje. Esto implica que debe primar la visión de la situación de las distintas partes, sobre la representación del detalle.

Figura 68 Plano de conjunto

Del conjunto de la figura, observamos las siguientes características, aplicables en general a cualquier plano de conjunto.

A la hora de realizar el plano de conjunto, se deben tener en cuenta todas las cuestiones relativas de la normalización: formato de dibujo, grosores de línea, escalas, disposición de vistas, cortes y secciones, etc.

En el plano de conjunto se deben dibujar las vistas necesarias. En la figura del

ejemplo, no es necesario dibujar la vista del perfil izquierdo, puesto que ya se ven y referencian todas las piezas en el alzado. La hemos incluido para dar una mejor idea de la forma del conjunto.

Para ver las piezas interiores se deben realizar los cortes necesarios. Puesto que lo

que importa es ver la distribución de las piezas, se pueden combinar distintos cortes en la misma vista. En el alzado del ejemplo, hemos representado un corte por el plano de simetría de las piezas 4, 5, 6 y 7 combinado con un corte de la placa 10 por el eje del tornillo y unos cortes parciales de las piezas 1, 2 y 3.

En el plano de conjunto hay que identificar todas las piezas que lo componen. Por eso hay que asignarles una marca a cada pieza, relacionándolas por medio de una línea de referencia. Estas marcas son fundamentales para la identificación de las piezas a lo largo de la documentación y del proceso de fabricación.



10 1 Placa de fijación

9 1 Arandela plana biselada 6,4 DIN 125

8 1 Tornillo hex. M6x16 mg 8.8 DIN 933

7 2 Arandela

6 1 Eje

5 1 Casquillo

4 1 Rueda

3 1 Soporte derecho

2 1 Soporte izquierdo

1 1 Placa Base

Marca Nº Pieza Designación y observaciones Norma

Tabla 7

Para tener completamente identificadas las piezas, hay que incluir en el plano de conjunto una lista de elementos. En esta lista se debe añadir información que no se puede ver en el dibujo. Por ejemplo, las dimensiones generales, las dimensiones nominales, la designación normalizada, las referencias normalizadas o comerciales, materiales, etc. Debido a la importancia del marcado de piezas y de la lista de elementos, los trataremos ampliamente en los puntos siguientes. Puesto que están perfectamente identificadas las piezas del conjunto, podemos simplificar su representación, especialmente en el caso de elementos normalizados o comerciales. En la figura siguiente representamos un conjunto con cuatro piezas, donde se ve claramente la situación de cada una de ellas.


3 1 Arandela plana biselada 6,4 DIN 125

2 1 Pieza 2

1 1 Pieza 1


Tabla 8



Figura 69 Conjunto con cuatro piezas

En la figura siguiente, hemos simplificado la representación del tornillo y de la arandela. Puesto que están perfectamente identificados, y quien lo vaya a montar tendrá los conocimientos suficientes para montar de forma correcta tanto el tornillo como la arandela, el resultado final será el mismo. De esta manera hemos simplificado el dibujo, facilitando su comprensión y reduciendo el tiempo de realización del mismo.

Figura 70 Tornillo y arandela


3 1 Arandela biselada 6,4 DIN 125

2 1 Pieza 2

1 1 Pieza 1


A la hora de realizar el montaje, dispondremos de todas las piezas fabricadas sobre la mesa, de forma que, quien realice el montaje sólo necesita saber cómo identificarlas correctamente y donde colocarlas. Todo dibujo técnico debe incluir las cotas necesarias. Puesto que las piezas ya están terminadas, en los planos del conjunto únicamente se dispondrán las cotas necesarias para la realización o comprobación del montaje.



3 1 Soporte derecho

2 1 Soporte izquierdo

1 1 Placa base

Marca Nº Pieza

Designación y observaciones

Norma

Figura 71

En el conjunto de la figura es imprescindible dibujar la cota de 35 mm, puesto que indica al soldador la separación a la que debe soldar los dos soportes sobre la placa base. Fíjese que se ha realizado un corte parcial sobre el soporte derecho (pieza número 3) para establecer su orientación.

Plano de fabricación y despiece Se refiere a dimensionar cada uno de los elementos a construir o fabricar según proceso (maquinado, fundido, estampado, etc.), de acuerdo con dimensiones indicadas en el plano. Maquinado: obtener la pieza según el plano ya sea a través de procesos de torneado, fresado o cepillado. Fundido: Las dimensiones de las piezas fundidas son mayores que las reales porque deben someterse a otros procesos. Estampado: Se realiza a través del uso o aplicación de matrices.



Figura 72 Plano de fabricación

Plano de montaje Estos planos se hacen frecuentemente para representar totalmente objetos sencillos, tales como piezas de mobiliario, donde las piezas son pocas y no tienen formas complicadas. Todas las dimensiones y la información necesaria para la construcción de dicha pieza y para el montaje de todas las piezas se dan directamente en el plano de montaje. Planos de montaje de diseños: Cuando se diseña una máquina, primero que todo se hace un plano o proyecto de montaje para visualizar claramente el funcionamiento, la forma y el juego de las diferentes piezas. A partir de los planos de montaje se hacen los dibujos de detalle y a cada pieza se le asigna un número. Para facilitar el ensamblaje de la máquina, en el plano de montaje se colocan los números de las diferentes piezas o detalles. Esto se hace uniendo pequeños círculos (de 3/8 pulg. a ½ de pulg. de diámetro) que contiene el número de la pieza, con las piezas correspondientes por medio de líneas indicadoras. Es importante que los dibujos de detalle no tengan planes de numeración idénticos cuando se utilizan varias listas de materiales.



Planos de montaje para instalación:

Este tipo de plano se utiliza cuando se emplean muchas personas inexpertas para ensamblar las diferentes piezas. Como estas personas generalmente no están adiestradas en la lectura de planos técnicos, se utilizan planos pictóricos simplificados para el montaje. Planos de montaje para catálogos: Son planos de montaje especialmente preparados para catálogos de compañías. Estos planos de montaje muestran únicamente los detalles y las dimensiones que pueden interesar al comprador potencial. Con frecuencia el plano tiene dimensiones expresadas con letras y viene acompañado por una tabla que se utiliza para abarcar una gama de dimensiones. Planos de Montaje desarmados: Cuando una maquina requiere servicio, por lo general las reparaciones se hacen localmente y no se regresa la maquina a la compañía constructora. Este tipo de plano se utiliza frecuentemente en la industria de reparación de aparatos, la cual emplea los planos de montaje para los trabajos de reparación y para el periodo de piezas de repuesto. También es utilizado con frecuencia este tipo de planos de montaje por compañías que fabrican equipos hágalo usted mismo, tales como equipos para fabricación de modelos, donde los planos deben de comprendidos fácilmente.

Plano en perspectiva explosiva El plano en perspectiva explosiva tiene como finalidad indicar en forma ordenada y precisa la secuencia de ubicación de las piezas que conforman un conjunto, permitiendo con ello a cualquier operario realizar un desarme y posteriormente; realizada la reparación, armar el conjunto siguiendo las informaciones del plano.



Figura 73 Plano de perspectiva explosiva o estallad a

• Consideraciones del ambiente donde se instalará el sistema mecatrónico Las grandes mutaciones que se producen en el ámbito nacional y mundial influyen en todas las actividades del hombre. Esas transformaciones obligan a que la Ingeniería Industrial se convierta en agente dinámico del cambio proponiendo nuevas soluciones flexibles que se adapten a los nuevos y cambiantes requerimientos. Así pues las consideraciones del ambiente donde se instalará el sistema mecatrónico son muy importantes y deberán abarcar lo más posible todas las áreas que se encuentran involucradas en el sistema como son:



La asistencia tecnológica , la cual se define como la labor profesionalizada de transferencia de un especialista científico-tecnológico, que ha desarrollado idoneidad en el área de materiales, procesos, productos o métodos, y que resuelve problemas complejos presentados por la industria, actuando como consultor en un área específica. La mecánica, que es la rama de la física que se encarga del estudio de todos los mecanismos y dispositivos mecánicos con el fin de optimizar su utilización. La electrónica, que es una rama de la física que estudia todo lo relacionado con el electrón y su comportamiento, así como también los fenómenos a que da lugar en estado libre, tales como la conducción de la electricidad a través de los gases o al vacío, o creación de flujos y nubes de carga negativas en los conductores. La automatización, que es una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos-eléctricos basados en computadoras para la operación y control de la producción. La electrónica, la mecánica y la informática unidas forman el concepto de mecatrónica.

El PLC, que se entiende como Controlador Lógico Programable (PLC), o autómata programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. La eficiencia, la cual se refiere a qué tan bien se está desempeñando una máquina mientras se está utilizando, normalmente se define como comparación con respecto a la producción estándar, definida por la taza diseño. La ergonomía, que consiste en el diseño del lugar de trabajo, de las herramientas, del equipo y el entorno de manera que se ajuste al operario humano. El mantenimiento, que es el conjunto de tareas que persiguen procurar que las instalaciones electromecánicas esté siempre en condiciones óptimas de operación.

2.1.2. Instalación de un sistema mecatrónico • Herramientas y componentes necesarios para la ins talación del sistema

mecatrónico Las herramientas y componentes necesarios para la instalación del sistema mecatrónico son una combinación entre la mecánica, la electrónica y la robótica y tienen una fuente casi infinita de posibilidades, sin embargo la definición concreta de lo que deberá utilizarse, dependerá 100% del tipo de máquina, equipo o sistema a instalar y deberá ser determinado por el ingeniero en base a su experiencia y conocimientos.



• Interpretación y seguimiento de las especificacio nes del fabricante

La implantación de sistemas computarizados para adquisición de información ilustra muy bien el actual papel de la mecatrónica. Existe una gran cantidad de equipo y tecnología involucrada y es por eso que la interpretación y seguimiento de las especificaciones de los fabricantes sea básica y además sea una parte primordial en el éxito del sistema, cualquier suposición o mala aplicación en alguna de las partes del sistema sin consultar y seguir al pie de la letra los manuales y las especificaciones de los fabricantes puede colapsar el sistema y llevarlo a la generación de fallas extremadamente difíciles de encontrar y reparar, si los técnicos e ingenieros saben utilizar esta importantísima herramienta las probabilidades de instalar un sistema que funcione con un mínimo de fallas se incrementará en gran medida.

2.2.1 Pruebas necesarias para el funcionamiento idó neo del sistema mecatrónico • Identificar las variables de interés Las variables de interés en un sistema mecatrónico son prácticamente infinitas, y dependerán básicamente del tipo de sistema al cual se quiera aplicar El hecho de tener información consolidada en un sistema central facilita la comunicación y, aún más importante, la cooperación con las diferentes áreas del negocio Mantenimiento, Tecnologías de la Información (TI), Finanzas, Recursos Humanos, Proyectos, etcétera, las cuales a su vez pueden alimentar más rápido sus sistemas centrales, de manera que la información se convierta en algo útil, facilitando la implantación de un control estadístico de procesos y que éste pueda tener el grado de sincronización con la realidad que la empresa necesita. Podemos decir incluso que en algunas compañías, los sistemas ayudan socializando a los diferentes departamentos, ya que desafortunadamente es común que cada área viva su propia realidad (con su propio sistema), radicalmente distinta de las otras. • Comprobar el comportamiento de las variables de int erés

La industria es compleja, y una razón es porque se crea por y para el ser humano, es decir, si nosotros somos complejos, ¿qué podemos esperar de lo que hacemos nosotros mismos? Comprobar el comportamiento de las variables de interés será pues una tarea ardua pero necesaria, obviamente mientras más complejo es el sistema, más compleja resultará la comprobación, sin embargo para asegurar que el sistema trabaje como fue diseñado será necesario comprobar las más posibles variables del mismo.



2.2.2 Puesta a punto del sistema mecatrónico

• Ajuste de los componentes del sistema mecatrónico p ara un óptimo funcionamiento

Los ejemplos de mecatrónica aplicada sobran, son tan cercanos y comunes como poderosa es la industria automotriz para la economía internacional. Allí encontramos dos aplicaciones relativamente nuevas. Una de ellas tiene lugar en las gasolineras. Los sistemas aplicados en la operación y administración de estos centros de distribución de combustible llevan ya algún tiempo conviviendo en el mercado. Una vez más, el interés se convirtió en necesidad y ésta, a su vez, nuevamente en interés y los genéricamente llamados "controles volumétricos" han estado multiplicando sus funciones para llegar a todos los mercados posibles. Para la puesta a punto de un sistema como este, existen los básicos, es decir, los que cumplen con los requerimientos oficiales como son los registros de cada despacho de combustible (hora, cantidad, valores iníciales y finales brutos y netos), la comunicación en línea con los tanques de almacenamiento y los registros de las recepciones de combustibles por vehículos autorizados.

Si buscamos algo más, encontramos soluciones que aparte de las funciones básicas cuentan con sistemas de reconocimiento de unidades, cuyas aplicaciones pueden ir desde clientes frecuentes hasta flotillas empresariales (una puerta más para la identificación por radiofrecuencia o RFID, por sus siglas en inglés), administración de las bombas desde la oficina de la estación de servicio (apertura, cierre, programación de límites de combustible o de servicios) y así sucesivamente, hasta llegar a los sistemas más completos. Estos integran aplicaciones para venta de otros productos dentro de la estación (lubricantes, aditivos, incluso, productos del supermercado), acceso remoto de clientes a su cuenta personal o corporativa en la estación o cadena de estaciones de servicio, programación de la cantidad y número de despachos en cierto período al mismo vehículo, reportes estadísticos y contables más avanzados, etcétera. En pocas palabras, los límites se elevan de manera frecuente. Hablando de puesta a punto y compatibilidad, se deben extremar precauciones, pues si el sistema trabaja con un código cerrado o propietario, sus opciones se limitan a dos caminos: O adquiere el sistema del fabricante, o bien, cambia su equipo instalado por opciones compatibles. Veamos otro ejemplo de aplicación de la mecatrónica en la industria automotriz,



La solución de moda el sistema de transmisión desde hace varios años es la CVT (Continuously Variable Transmission o Variador Continuo de Velocidad). Si bien no es la solución perfecta, su equilibrio, funcionamiento, peso y precio la hace muy atractiva. Actualmente, CVT está siendo estudiada y aplicada por la industria automotriz, en beneficio de la mecatrónica. En México, ya hay por lo menos tres modelos de autos con este sistema, cuya simpleza de operación (mecánica pura) hace difícil pensar que su funcionamiento, mejorado por la mecatrónica, sea una opción viable. Sin embargo lo es, y apenas empiezan. Una de sus apuestas más atractivas es la reducción del consumo de combustible, comparado con los modelos equivalentes con transmisiones automáticas y estándar. ¿La mejor parte? Los primeros modelos vienen en autos del segmento deportivo. • Verificación del comportamiento de las variables de interés

Como se ha mencionado con anterioridad, las variables de interés en un sistema mecatrónico son prácticamente infinitas, y dependerán básicamente del tipo de sistema al cual se quiera aplicar la verificación, consideremos el siguiente ejemplo: La industria alimenticia siempre se ha caracterizado por el grado artesanal que tienen muchos de sus procesos en una gran variedad de productos de consumo. Y aunque los dulces no sean un pilar de la alimentación básica, siempre están ahí para endulzar la vida, es por ello que las empresas en este ramo específico están tradicionalmente interesadas en desarrollos tecnológicos que les permitan ser competitivos tanto en calidad como en capacidad de producción. ¿Conoces los bombones de gota? Los bombones actuales se producen de una manera sencilla, en comparación con los olvidados bombones de gota. Para los primeros, se extruyen líneas de mezcla sobre una banda transportadora. En cierto punto de la banda, cercano al final de la misma, se tiene una especie de guillotina que golpea constantemente las líneas de mezcla. A lo largo de la banda se procura que siempre exista una capa de fécula de maíz para evitar que la mezcla se pegue y además ayude a su rápido enfriamiento. Además, en cierto tramo del recorrido, también se espolvorea fécula sobre las líneas de mezcla. Por el contrario, para fabricar los bombones de gota se necesita llenar un cajón (tradicionalmente de madera) con fécula de maíz a cierto nivel, posteriormente, imprimir los moldes mediante la fuerte inserción de una matriz de conos hecha de madera. Una vez unidos el cajón y el molde, la fécula se asienta mediante la simple pero agotadora tarea de levantar el conjunto y azotarlo en dos soportes colocados en la mesa de trabajo.



Posteriormente, la matriz de moldes se retira mediante un movimiento suave para no arruinar los moldes ya impresos. Los cajones se apilan para después transportarse con sumo cuidado a la estación de llenado. Allí, una máquina semiautomática inyecta la mezcla a diferentes velocidades conforme se llenan los moldes, es decir, primero rápido y después lento, de manera que al final del llenado se tenga la forma de, precisamente, gotas. Nuevamente se apilan los cajones y se dejan reposar aproximadamente cuatro horas a temperatura ambiente, y una vez transcurrido el tiempo, el producto se vacía en contenedores y se recupera la fécula de maíz, dando así fin al proceso de producción. Para tener una idea más clara del tamaño, imagine un bombón lo suficientemente grande para que la mano de un adulto pueda tomar sólo uno a la vez, y ahora haga un arreglo de ocho por cuatro para calcular el tamaño de los cajones y del molde. La demanda del producto creció paulatinamente, hasta que la empresa se vio en la necesidad de agilizar su línea de producción. Después del análisis, determinó que automatizar el proceso de impresión bastaba para incrementar la productividad. ¿Por qué no todo? Porque los dueños decidieron crecer a pasos pequeños, y una inversión de esa magnitud hubiera sido demasiado riesgosa para la edad y ventas de la empresa. Optaron por desahogar el cuello de botella adquiriendo una máquina cuyas ventajas se presentan a continuación:

Parámetro Operador Máquina Tiempo de impression (promedio)

Un cajón cada 35 seg Tres cajones cada 50 seg

Tiempos muertos 15 min cada 2 hrs* - Calidad de impresión Varía con el operador** Constante Personal requerido Dos impresores*** Dos estibadores

• La actividad es agotadora, aún para personal experimentado. • ** Sólo hay un maestro y la curva de aprendizaje es larga. • *** Uno por día. Si un impresor falta, el sustituto puede no ser tan eficaz.

Esto ilustra que las soluciones, las variable de interés y los puntos de verificación no siempre deben ser integrales para ser óptimos, pues para este caso en particular, una máquina de impresión puede abastecer hasta dos inyectoras simultáneas en caso de requerirse. Para esta firma bastó al principio con la eliminación del punto crítico del proceso y aprovechó al personal calificado en otras áreas de la producción, pues siempre hay algo que hacer.



ACTIVIDADES

Investiga cómo influye el medio ambiente para la instalación de un sistema mecatrónico, elabora tres ejemplos y compártelos con el grupo en clase.

Realiza junto con tu equipo de trabajo una investigación acerca de los diferentes métodos existentes para la elaboración de planos o diseños mecatrónicos, enlista las principales diferencias y las principales similitudes y coméntalo con el resto del grupo.

Investiga y elabora un reporte concerniente a la puesta a punto de un sistema mecatrónico, considera todos los aspectos que puedan influir, como la localización física del equipo, el tamaño, la aplicación, etcétera.

Realiza con tus compañeros una investigación acerca de las principales pruebas que se realizan en la industria para comprobar el idóneo funcionamiento de un sistema mecatrónico, realicen un reporte para ser entregado al profesor

Investiga cuáles son las principales variables de interés para la verificación del funcionamiento de un sistema mecatrónico, elabora una tabla que muestre dichas variables y su grado de importancia y discútelo con el grupo.

En grupos de tres a cuatro, efectúa una visita a algún taller o empresa de su comunidad y platica con los ingenieros para tratar de determinar cuáles son los métodos más comúnmente utilizados en pruebas de equipos o sistemas mecatrónicos antes de ponerlos 100% para producción. Elabora un reporte en forma de esquema.



PRÁCTICAS Unidad de aprendizaje

2

Práctica número 8


Instalación de un sistema mecatrónico


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de realizar la instalación de un sistema mecatrónico.


Duración 5 hrs.


• Manual del fabricante para la instalación de un sistema mecatrónico


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Preparar el sitio designado para la instalación 4. Colocar el sistema mecatrónico en el sitio designado para la instalación 5. Realizar la instalación del sistema mecatrónico siguiendo las indicaciones del manual de instalación 6. Durante la instalación del sistema mecatrónico aplicar las medidas de seguridad e higiene. Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Instalación de un sistema mecatrónico

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Preparó el sitio designado para la instalación 4. Colocó el sistema mecatrónico en el sitio designado para la instalación 5. Realizó la instalación del sistema mecatrónico siguiendo las indicaciones del

manual de instalación

6. Durante la instalación del sistema mecatrónico aplicó las medidas de seguridad e higiene.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





2

Práctica número 9


Pruebas y puesta a punto de un sistema mecatrónico


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de realizar pruebas y puesta a punto de un sistema mecatrónico.


Duración 4 hrs.


• Listado de pruebas de funcionamiento


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Identificar las variables de interés del sistema mecatrónico 4. Comprobar el comportamiento de las variables de interés del sistema mecatrónico 5. Ajustar los componentes (que sean necesarios) del sistema mecatrónico para un óptimo funcionamiento Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Pruebas y puesta a punto de un sistema mecatrónico

Nombre del alumno:

Instrucciones:

De la siguiente lista marque con una aquellas acciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño y que pudo observar.





+ Manejó las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP. + Aseguró una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tuvo adecuada iluminación.

+ Al terminar la sesión, recogió el material y equipo, dejando limpia el área trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Identificó las variables de interés del sistema mecatrónico 4. Comprobó el comportamiento de las variables de interés del sistema

mecatrónico

5. Ajustó los componentes (que sean necesarios) del sistema mecatrónico para un óptimo funcionamiento

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de




Unidad de aprendizaje:

2

Práctica número : 10 Nombre de la práctica:

Instalación de un sistema mecatrónico simple.


Al finalizar la práctica, el alumno podrá instalar un sistema mecatrónico simple, analizando los planos y las especificaciones del fabricante.

Escenario: Taller De Mecatrónica. Duración: 8 hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta • Planos del sistema, ensamble

general y detalles, debe incluir diagramas o instrucciones de ensamblaje.

• Todas las piezas o partes comprendidas en el plano del sistema.

• Guantes de carnaza. • Cinta de teflón. • Cinta de aislar. • Sellador de silicón.

• Equipo para soldar.

• Equipo para doblar tubería.

• Equipo de seguridad.

• Desarmadores.

• Pinzas.

• Llaves españolas.

• Llaves de estrías.

• Llaves mixtas.

• Juego de dados.

• Probador de corriente.

• Calafateadora.

• Herramienta especial de acuerdo al ensamble que se va a hacer.

• Torquímetro.



Procedimiento





Procedimiento

1. El profesor dividirá al grupo en equipos, cada equipo realizará la instalación de un sistema mecatrónico

simple diferente.

2. El profesor proveerá a cada equipo con los planos del sistema.

3. El profesor proveerá a cada equipo con las instrucciones de ensamble del sistema.

4. El profesor proveerá a cada equipo con todos los materiales necesarios para el ensamblaje.

5. Cada equipo utilizará una mesa de trabajo para colocar los planos y las partes para el ensamblaje.

6. Identificar cada una de las partes a ensamblar físicamente vs el plano de ensamblaje.

7. Estudiar y discutir en grupo las instrucciones de ensamblaje, identificar todos los sub-ensambles y determinar la secuencia de armado.

8. Identificar las herramientas y el equipo necesario para la realización del ensamblaje.

9. Realizar el ensamble.

10. Efectuar las pruebas de funcionamiento recomendadas por el fabricante.

11. Recoger todo el equipo y herramienta utilizados. 12. Limpiar el lugar de trabajo.




Instalación de un sistema mecatrónico simple.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuación se presentan los criterios que van a ser

verificados en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De la siguiente lista marque con una aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño




1. El profesor dividió al grupo en equipos. 2. El profesor proveyó a cada equipo con los planos del sistema. 3. El profesor proveyó a cada equipo con las instrucciones de ensamble del

sistema.

4. El profesor proveyó a cada equipo con todos los materiales necesarios para el ensamblaje.

5. Cada equipo utilizó una mesa de trabajo para colocar los planos y las partes para el ensamblaje.

6. Identificó cada una de las partes a ensamblar físicamente vs el plano de ensamblaje.

7. Estudió y discutió en grupo las instrucciones de ensamblaje, identificó todos los sub-ensambles y determinó la secuencia de armado.

8. Identificó las herramientas y el equipo necesario para la realización del ensamblaje.

9. Realizó el ensamble. 10. Efectuó las pruebas de funcionamiento recomendadas por el fabricante. 11. Recogió todo el equipo y herramienta utilizados. 12. Limpió el lugar de trabajo.


Observaciones:

PSP:

Hora de

inicio: Hora de





Si bien una gran cantidad de aplicaciones de la mecatrónica se lleva a cabo en las industrias, con el fin de optimizar procesos de producción al disminuir sus costos, abatir los riesgos de accidentes y aumentar la precisión de diversas tareas o procesos, también hay una gran cantidad de aplicaciones relacionadas con la investigación científica. Un ejemplo son las aplicaciones en exploración marina y trabajos de mantenimiento de barcos. Hasta hace un par de décadas el uso de robots para explorar mares y lagos era casi exclusivo de empresas con grandes recursos o de millonarios excéntricos. Hoy en día, es posible encontrar aparatos guiados a control remoto que apoyan las labores de exploración, tanto de aguas mediante sistemas de iluminación, fotografía y video. Es posible encontrar en el mercado aparatos que son usados con fines recreativos, como el buceo deportivo, hasta aparatos útiles para examinar fallas en los casos de los barcos o el estado de sus hélices, así como para identificar el estado del anclaje, ubicar objetos en aguas heladas, etcétera. La siguiente figura presenta un ejemplo de uno de esos aparatos.

Figura 74 ROV Bleeper Pro

Puedes encontrar información de algunos de esos aparatos en Fondear.com, página Web dedicada a difundir información sobre actividades náuticas. (http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Equipamiento/Bleeper/Bleeper.htm)



AUTOEVALUACIÓN

1. ¿Cuál es la forma más sencilla de funcionamiento de un sensor de velocidad?

2. ¿Cuál es el sensor de fuerza más común? 3. ¿Qué es un termopar?

4. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un fotodiodo?

5. ¿Qué es un fototransistor?

6. ¿Qué es una señal digital?

7. ¿Qué es una compuerta lógica?



3 Operación de Sistemas Mecatrónicos



PRESENTACIÓN

En el tercer capítulo desarrollarás las competencias necesarias para que manejes un mecanismo o máquina que esté siendo operada y controlada por medios electrónicos, así mismo podrás verificar el funcionamiento de la máquina, para homologarla en su desempeño contra las normas de seguridad que sean aplicables a dicho mecanismo mecatrónico. En síntesis, harás que un mecanismo o máquina pueda ser operada bajo comandos mecatrónicos de acuerdo con las norma de seguridad vigentes para su operación. Los contenidos que se abordan en este capítulo son los siguientes:

Operación de sistemas

mecatrónicos

Instrucciones de

funcionamiento

Condiciones de operación

Variables de un sistema

mecatrónico

Normas de seguridad



3.1.1. Funcionamiento de una máquina mecatrónica • Interpretación de las instrucciones de operación de l fabricante para el

funcionamiento de la máquina mecatrónica Para entender mejor este punto, analizaremos el ejemplo de una máquina mecatrónica de control numérico (torno) y las instrucciones básicas del manual del fabricante:

Figura 75 Torno CNC Gildemeister:

Descripción general

El torno de control numérico es una máquina mecatrónica con la que se pueden fabricar sólidos de revolución, es decir, piezas cilíndricas, al ser de control numérico podemos asegurar la precisión de las piezas producidas así como la calidad y el menor tiempo de producción.

Medidas de seguridad La máquina está construida de acuerdo al artículo de regulación de Bürener Maschinenfabrik (bmf) por lo que es seguro operar el equipo. Sin embargo, algunos peligros pueden resultar de la operación del equipo de manera incorrecta usando el equipo con propósitos diferentes a los que fueron concebidos. Todo el mantenimiento e instalación del equipo debe ser realizado sólo por personal calificado. Mientras se hace funcionar el sistema queda prohibido

Cualquier intervención manual o con medios auxiliares estando la maquina en marcha y las piezas en rotación.

Llevar pelo suelto, joyas o anillos

Modificar las instalaciones de seguridad, ej. Interruptores, guardas o coberturas.



La programación de revoluciones que sean mayores que las revoluciones máximas indicadas en los medios de sujeción utilizados.

Pintar o retirar avisos de advertencia.

La operación de la máquina por personas no autorizadas.

El torneado de piezas de cerámica y madera.

Realizar modificaciones de programa (software) en el sistema programable de mando.

La utilización de aparatos generadores de radiaciones electromagnéticas. (teléfonos móviles, unidades de soldadura eléctrica) en un radio de 2 m. Con respecto a la máquina.

El acceso al espacio de trabajo de la maquina.

La explotación de la máquina con la placa de seguridad de poli carbonato dañada, lo que significa no ocupar el equipo cuando la mica de la pantalla esté rota o dañada,

La ejecución de trabajos de soldadura en la máquina.

Abstenerse de toda modalidad de trabajo que represente un riesgo para la seguridad de la máquina.

Retirar virutas de forma manual, se deberán utilizar ganchos de virutas y cepillo.

Arrojar desperdicios en el refrigerante o en la eliminación de virutas.

Descuidar la máquina aun si esta trabajando de forma automática.

Tocar o manipular el interior del transportador de virutas en movimiento.

Limpiar la máquina con aire comprimido.

Utilizar lubricantes refrigerantes que no se puedan mezclar con el agua para evitar posibles explosiones. Si se va a utilizar refrigerantes con aceite a más del 15% se debe utilizar un dispositivo de protección contra explosión.

Almacenar durante la pulverización de la pieza cantidades mayores de refrigerante de 10 gr / m3.

Los trabajos con material con capacidad explosiva (magnesio, silicio, etcétera). sólo se deben realizar torneando medidas de protección adicionales como la instalación de extintor de incendios.

Desconectar el interruptor principal durante el desarrollo del procedimiento de mecanización ya que esto puede tener como consecuente daños en la máquina.

Dejar objetos de acero o hierro como pinzas, desatornilladores, etc. no deben quedarse tirados en el área cercana directa.



Símbolos e indicaciones

Advertencia, precaución : se utiliza para advertir de daños a las personas independientemente del alcance del peligro.

Se utiliza cuando debe hacerse referencia a indicadores a prescripciones y prohibiciones para la prevención de daños.

Señaliza una aplicación y utilización ventajosa y económica.

Señaliza situaciones en las que se debe informar al servicio de reparaciones autorizado.

Aviso de fuertes campos magnéticos.

Prohibición para personas con marcapasos.

Prohibición para personas con implantaciones.

Aviso de peligros de aplastamiento.

Aviso de peligros de índole eléctrico. Esta es sólo una pequeña parte de la instrucciones de operación de la máquina de parte del fabricante, como se puede ver, existen un sinnúmero de indicaciones que deben seguirse para operar la máquina con eficiencia y seguridad, dependiendo de cada equipo las instrucciones serán más o menos complejas, pero lo que si es cierto, es que mientras más se apegue el operador, el técnico o el ingeniero a ellas el equipo funcionará mejor y por largo tiempo.



• Bitácora en la operación de una máquina mecatrónica La bitácora de operación de una máquina mecatrónica deberá contener la mayor cantidad posible de elementos de verificación y control para darle al supervisor o al ingeniero de mantenimiento la más clara idea del funcionamiento de la misma y de la capacidad del operador para manejar el equipo con seguridad y eficiencia. Normalmente en la bitácora de operación se contemplan los siguientes puntos:

Hora de encendido de la máquina.

Tiempo de calentamiento.

Estado de los dispositivos de sujeción de acuerdo con la información mostrada en la pantalla.

Verificación de las herramientas de corte.

Comprobación de las referencias de “Zero” o “Home” de la máquina.

Tiempo de paro por cambio de herramientas.

Tiempo de paro por fallas de la máquina.

Pasos que se siguieron para corrección de fallas.

Estado de los niveles y presiones de los fluidos de la máquina.

Estado de las presiones neumáticas de los sistemas auxiliares de la máquina.

Número de piezas producidas vs. Cierto periodo de tiempo.

Procedimiento y hora de apagado de la máquina.

En algunas bitácoras para hacer más fácil el llenado se incluyen algunos símbolos como los que se muestran a continuación:



3.1.2. Funcionamiento del sistema mecatrónico con c arga • Pruebas de funcionamiento del sistema mecatrónico c on carga Las pruebas con carga de un sistema mecatrónico estarán basadas en la operación del equipo y las posibles implicaciones de funcionamiento, integridad y seguridad del mismo, de las herramientas, los dispositivos y del operador. Normalmente antes de comenzar por primera vez con una corrida de producción o con la fabricación de alguna parte maquinada, el operador correrá pruebas en vacío y comprobará que los husillos de la máquina no puedan llegar a chocar con los dispositivos o con alguna otra parte de la máquina, una vez que se ha asegurado de que no hay ningún problema entonces se hace la prueba con carga, esto significa que el operador alimentará a la máquina con una pieza que requiera ser maquinada. Los puntos básicos a controlar son:

Presión del refrigerante

Herramientas en buen estado y afiladas

Límites de integridad activados

Pieza clampeada adecuadamente

Alarmas restablecidas

Paros de emergencia reseteados

Sensores de herramienta rota activados

Puertas cerradas

Una vez maquinada la pieza deberá verificarse dimensionalmente para comprobar que se cumple con todas las características de diseño de la misma.



• Manejo de parámetros de arranque Siguiendo con el ejemplo del torno de control numérico, a continuación se muestran los parámetros básicos de arranque de la máquina mecatrónica. Inicialización del equipo Girar la perrilla a encendido Realizar los pasos indicados en las figuras 69 -73

Figura 76 Cuando aparezca la siguiente pantalla pre sionar la tecla de modo manual.



Figura 77 Cuando aparezca la siguiente pantalla act ivar la bomba, presionando el botón que viene marcado en la figura :

Figura 78 Presionar el botón para abrir puerta, abr ir puerta y cerrar



Figura 79

Figura 80 Referenciar Torreta Presionar una de las teclas del softkey una a la vez y esperar hasta que la torreta haga su movimiento de lo contrario se generará una alarma que no permitirá usar el torno y se tendrá que reiniciar el equipo.



Figura 81 Botones de arranque Presionar la tecla de visualización del estado de errores (1), y presionar borrar todos los errores de una de las teclas softkey (2).

Figura 82a Botones de arranque



Figura 82b Botones de arranque

Hasta que el recuadro de la figura aparezca en verde es posible usar el torno.

Figura 83 Botón digital de arranque

Este es el procedimiento básico de arranque, obviamente cada máquina tendrá sus propias variantes y los operadores, técnicos e ingenieros deberán estar capacitados en cada una de ellas. 3.2.1. Condiciones para la operación de la máquina mecatrónica • Requerimientos para la operación de la máquina meca trónica

Continuando con el ejemplo de la máquina mecatrónica de control numérico, a continuación se muestran algunos de los principales requerimientos que hay que conocer para la buena operación del equipo:

Servicio Organización-Modo de funcionamiento:



En "Servicio" se lleva a cabo la identificación de usuario para funciones protegidas por password, se selecciona el idioma de diálogo y se llevan a cabo ajustes del sistema. Además se dispone de funciones diagnóstico para la puesta en marcha y comprobación del sistema.

Modo de funcionamiento organización Transfer En Transfer se intercambian datos con otros sistemas, se organizan programas y se lleva a cabo la protección de datos Es el usuario el que maneja el "control': Es necesario saber que los programas introducidos TURN PLUS- y DIN PLUS se encuentran almacenados en el disco duro integrado. La ventaja es que se pueden memorizar gran cantidad de programas. Para el intercambio y la protección de datos se dispone de la Conexión Ethernet Es posible un intercambio de datos basado en la conexión en serie (RS232)

Nociones básicas:

Denominación de los ejes

Se denomina carro transversal al eje X y carro de bancada al eje Z.

Todos los valores X visualizados y programados se toman como diámetro.

En TURN PLUS se determina si los valores X deben interpretarse como valores de diámetro o como valores de radio. Tornos con eje Y: el eje Y se encuentra perpendicular al eje X y al Z (sistema cartesiano).

Para los desplazamientos se tiene en cuenta:

Los desplazamientos en sentido positivo (+) parten de la pieza

Los movimientos en sentido negativo ( - ) van hacia la pieza

Figura 84 Desplazamientos



Sistema de coordenadas La introducción de coordenadas de los ejes principales X, Y, Z se refieren al cero pieza – se citan las excepciones a la regla. Las indicaciones angulares para el eje C se refieren al “punto cero del eje C” (condición previa: que el eje C esté configurado como eje principal).

Coordenadas absolutas Cuando las coordenadas de una posición se refieren al punto cero de la pieza está determinada claramente mediante coordenadas absolutas.

Figura 85 Coordenadas absolutas

Unidades métricas El CNC PILOT puede programarse y manejarse en sistema “métrico” o “en pulgadas”. Las unidades métricas de la tabla son válidas para las programaciones y visualizaciones.



Tabla 9 Unidades métricas

Puntos de referencia de la máquina Punto cero de la máquina El punto de intersección entre el eje X y el eje Z se llama punto cero de la máquina. Normalmente en un torno es el punto de intersección del eje del husillo con la superficie del mismo. Se caracteriza con la letra "M”.

Figura 86Punto cero de la máquina

Punto de referencia

Depende de los sistemas de medida empleados, si el control "no recuerda" su posición al desconectarse. Si es este el caso, es necesario desplazarse a los puntos de referencia fijos tras conectar el CNC PILOT. El sistema conoce la distancia del punto de referencia al punto cero de la máquina.



Figura 87 Punto de referencia

Estas son sólo algunas de las pruebas que el operador deberá hacer periódicamente para la comprobación del buen estado del sistema y del buen funcionamiento de la máquina, como puede observarse, la filosofía de mecatrónica es hacernos la vida más fácil, pero definitivamente el nivel de preparación de los técnicos y de los operadores de maquinaria ahora es mucho más alto que en antaño. • Comportamiento de las variables de interés de la má quina mecatrónica En nuestro ejemplo se muestran algunas variables de interés que hay que vigilar, éstas son las funciones del CNC PILOT y se encuentran divididas en los modos de funcionamiento siguientes:

Modo de funcionamiento control manual En "Control manual" se conecta la máquina y se desplazan los ejes manualmente.

Modo de funcionamiento automático En el "Modo de funcionamiento automático" se procesan los programas NC. Se controla y se supervisa la fabricación de las piezas.

Modo de funcionamiento de programación DIN PLUS



En "DIN PLUS" se crean los programas NC estructurados. Primero se describe el contorno sin mecanizar y el contorno de pieza acabada y a continuación se programa los mecanizados individuales.

Simulación modo de funcionamiento de programación La "Simulación" representa gráficamente contornos programados, movimientos de desplazamiento y procesos de arranque de viruta. El CNC PILOT tiene en cuenta el espacio de trabajo, las herramientas y el medio de sujeción.

Durante la simulación el CNC PILOT calcula los tiempos principales y secundarios de cada herramienta. En tornos con varios carros el análisis del punto síncrono le ayuda a optimizar el programa NC. Otras variables de interés que hay que controlar se encuentran cuando la máquina se encuentra en modo de funcionamiento de programación TURN PLUS En “TURN PLUS" describe interactivamente el contorno de la pieza de forma gráfica. Para generar el plano de trabajo automática mente (AAG) se define el material y el medio de arranque de viruta - el CNC PILOT crea el programa NC "pulsando el botón': Una alternativa es elaborar el plano de trabajo interactivamente de forma gráfica (lAG).

Parámetro de modo de funcionamiento de organización El comportamiento del sistema del CNC PILOT se controla mediante parámetros. En este modo de funcionamiento se crean parámetros y adapta el control a sus necesidades. Además se describe en este modo de funcionamiento el medio de producción (herramientas y medio de mecanizado) y los valores de corte.

3.2.2. Variables que requieren de supervisión • Desperfectos en los componentes de la máquina. Todos los equipos deberán estar incorporados en las rutinas de mantenimiento preventivo y predictivo para tratar de anticipar las posibles fallas y tener la máquina siempre disponible para producción, sin embargo, por más eficiente que sea el mantenimiento, eventualmente la máquina sufrirá algún desperfecto en alguno de los componentes de la misma que requerirá



la intervención de los mecánicos o electricistas especializados en reparaciones, todo el personal de mantenimiento correctivo deberá conocer los procedimientos de seguridad para realizar su tarea de forma adecuada, en algunas ocasiones las empresas deciden contratar los servicios del fabricante en caso de reparaciones, esto puede ahorrar muchos dolores de cabeza, pero generalmente estos servicios post-venta son demasiado caros, así que deberá hacerse un balance de que es lo mejor para la empresa. Una vez reemplazada o reparada la parte defectuosa, deberán seguirse los procedimientos normales de arranque del equipo para asegurar que la máquina operará de forma segura y que las partes maquinadas estarán dentro de la especificación mostrada en el diseño de la misma. • Normas de seguridad requeridas en la operación de u n sistema mecatrónico Fara finalizar con nuestro ejemplo, a continuación se muestran las normas de seguridad mínimas requeridas para la operación de la máquina mecatrónica de control numérico.

Reglas de seguridad para el operador

El operador se debe asegurar que ninguna persona no autorizada trabaje con o en el equipo.

El operador está obligado a reportar cualquier cambio inmediatamente.

El operador está obligado a sólo operar el equipo si este está en perfectas condiciones de trabajo.

En ninguna circunstancia se deben remover dispositivos de seguridad

Si los dispositivos de seguridad son desinstalados debido a mantenimiento o servicio, se debe apagar la máquina de acuerdo al manual del equipo. Inmediatamente después de haber terminado el mantenimiento o servicio, todos los dispositivos de seguridad deben ser reinstalados.

Cualquier tipo de reconstrucción o modificación del equipo no autorizada está prohibida debido a razones de seguridad personal.

Todas las cubiertas y puertas de protección deben estar cerradas antes de la puesta en marcha de la máquina y no pueden ser abiertas durante el servicio. Las instalaciones de seguridad incorporadas no pueden ser colocadas fuera de servicio.

Los medios de presión pueden producir lesiones físicas. Si se han montado recipientes sometidos a presión están sujetos los mismos a pruebas regulares y si fuera necesario a una prueba de recepción en el lugar de emplazamiento de la máquina de acuerdo al reglamento de recipientes de presión y/o normas de



las CE para equipos a presión. Todos los certificados de ensayos del recipiente sometido a presión deben ser guardados cuidadosamente.

Es necesario usar guantes de protección para utilizar los lubricantes, aceites y agentes refrigerantes, así como evitar el contacto con los ojos y la piel y no aspirar vapores ni la niebla de los refrigerantes.

Accionar el pulsador Paro-Emergencia ante peligros.

Verificar la máquina en cuanto a posibles fugas y eliminar causas.

Garantizar la limpieza y buena visión del puesto de trabajo en la máquina.

Tener precaución al retirar las virutas, utilizar solamente ganchos de virutas y cepillos de mano.

No tocar ni manipular el interior del transportador de virutas en movimiento.

En caso de incendios en instalaciones hidráulicas utilizar únicamente dióxido de carbono, nunca emplee agua.

En caso de incendios en instalaciones en instalaciones hidráulicas utilizar únicamente dióxido de carbono, espuma, polvo o niebla de agua pero nunca agua.

Sólo accionar el dispositivo de paro de emergencia cuando:

Esté en peligro la vida de personas

Haya peligro de daño a la máquina o pieza.

Antes de hacer funcionar el sistema

No llevar pelo suelto, y/o joyas.

No utilizar la maquina sin la presencia de personal calificado.

No haber tomado medicamentos que causen somnolencia y disminuyan la concentración o el tiempo de reacción.

Leer el manual de uso.



ACTIVIDADES

Investiga cuáles son las condiciones mínimas que deben tenerse cuando se pretende operar un sistema mecatrónico, elabora un cuadro y discútelo con el resto del grupo, enriquece tu trabajo y hagan un cuadro final entre todos.

Investiga con tus compañeros cuáles son las nociones básicas con las que debe contar un operador de sistemas mecatrónicos para garantizar la seguridad del equipo y del mismo, elaboren un reporte para ser entregado al profesor.

Investiga cuáles son los principales desperfectos que suelen ocurrirle a algún equipo o sistema mecatrónico y elabora un reporte, comentando cómo deberían prevenirse dichos desperfectos

Investiga junto con tus compañeros en qué consisten las reglas de seguridad en la operación de un sistema o equipo mecatrónico y elaboren un listado con la mayor cantidad de reglas posibles, agreguen una columna que indique cuál regla es mandatoria y cuál es opcional.

En equipos de tres a cuatro personas, realicen una visita a algún taller o fábrica de su comunidad que tenga equipos o sistemas mecatrónicos, platiquen con los ingenieros de mantenimiento para determinar cuál es el mejor programa preventivo existente y elaboren un reporte.



PRÁCTICAS


3

Práctica número 11


Operación de una máquina mecatrónica


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de operar una máquina mecatrónica.


Duración 4 hrs.


• Manual de fabricante para la operación de una máquina mecatrónica


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Operar la máquina mecatrónica siguiendo la instrucciones del manual de operación 4. Aplicar las normas de seguridad e higiene durante la operación de la máquina mecatrónica.

Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Operación de una máquina mecatrónica

Nombre del alumno:







trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Opero la máquina mecatrónica siguiendo la instrucciones del manual de

operación

4. Aplicó las normas de seguridad e higiene durante la operación de la máquina mecatrónica.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de





3

Práctica número 12


Identificación de las condiciones de operación y comportamiento de las variables de un sistema mecatrónico


Al finalizar la práctica el alumno será capaz de identificar las condiciones de operación y comportamiento de las variables de un sistema mecatrónico.


Duración 2 hrs.


• Manual de operación del fabricante del sistema mecatrónico


• Pinza de punta





Procedimiento


preestablecidas. + Observar las identificaciones y señalizaciones del espacio físico en el que se va a trabajar. + Manejar las herramientas de acuerdo con las recomendaciones del PSP + Asegurar una ventilación adecuada en el espacio de trabajo. + Tener adecuada iluminación. + Al terminar la sesión, recogerá el material y equipo, dejando limpia el área trabajo. Desarrollo de la práctica: 1. Organizar al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitar el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Operar la máquina mecatrónica siguiendo la instrucciones del manual de operación 4. Analizar el comportamiento de las variables del sistema mecatrónico 5. Aplicar las normas de seguridad e higiene durante la operación de la máquina mecatrónica.

Preparación. 1. Contar con el material escolar para notas y apuntes.




Identificación de las condiciones de operación y comportamiento de las variables de un sistema mecatrónico

Nombre del alumno:

Instrucciones:

De la siguiente lista marque con una aquellas acciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño y que pudo observar.






trabajo.

Desarrollo de la práctica: 1. Organizó al grupo en equipos de trabajo (tres alumnos por equipo). 2. Solicitó el sistema mecatrónico al encargado del laboratorio. 3. Opero la máquina mecatrónica siguiendo la instrucciones del manual de

operación

4. Analizó el comportamiento de las variables del sistema mecatrónico 5. Aplicó las normas de seguridad e higiene durante la operación de la

máquina mecatrónica.

Observaciones:

PSP

Hora de

inicio: Hora de




Unidad de aprendizaje:

3

Práctica número : 13 Nombre de la práctica:

Operación de un equipo mecatrónico para la manufactura de una pieza torneada.


Al finalizar la práctica, el alumno podrá manufacturar una pieza en un torno de control numérico, considerado como un equipo mecatrónico.

Escenario: Taller De Mecatrónica. Duración: 8 hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta • Pieza de acero para ser

torneada. • Aceite de corte.

• Torno de control numérico. • Equipo de seguridad. • Equipo de medición. • Polipasto o equipo necesario para mover la pieza si es requerido.

• Brocas, rimas, cortadores de insertos, buriles, o la herramienta necesaria para el maquinado de la pieza en el torno.

• Juego de desarmadores. • Juego de pinzas.



Procedimiento





Procedimiento

1. El profesor dividirá al grupo en equipos, cada equipo maquinará la misma pieza en el torno de control

numérico en diferentes turnos.

2. El profesor proveerá el plano o diseño de la parte a maquinar.

3. El profesor proveerá la materia prima para manufacturar la pieza de acuerdo al diseño.

4. El profesor proveerá las herramientas necesarias para la manufactura de la pieza.

5. Checar la presión del refrigerante.

6. Checar que las herramientas se encuentren en buen estado y afiladas.

7. Checar que los límites de integridad se encuentren activados.

8. Checar que la pieza esté clampeada adecuadamente.

9. Checar que las alarmas estén restablecidas.

10. Checar que los paros de emergencia estén reseteados.

11. Checar que los sensores de herramienta rota estén activados.

12. Checar que todas las puertas de la máquina estén cerradas.

13. Girar la perrilla a encendido.

14. Presionar la tecla de modo manual.



ProcedimientoProcedimientoProcedimientoProcedimiento

15. Activar la bomba, presionando el botón.

16. Referenciar torreta. 17. Presionar la tecla de visualización del estado de errores (1) y presionar borrar todos los errores de una de

las teclas softkey (2).

18. Maquinar la pieza. 19. Verificar dimensionalmente la pieza maquinada contra el plano de la misma.

20. Hacer reporte dimensional (aceptación o rechazo).

21. Recoger todo el equipo y herramienta utilizados.

22. Limpiar el lugar de trabajo.




Operación de un equipo mecatrónico para la manufactura de una pieza torneada.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados

en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De la siguiente lista marque con una aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño




1. El profesor dividió al grupo en equipos. 2. El profesor proveyó el plano o diseño de la parte a maquinar. 3. El profesor proveyó la materia prima para manufacturar la pieza de acuerdo al

diseño.

4. El profesor proveyó las herramientas necesarias para la manufactura de la pieza.

5. Checó la presión del refrigerante. 6. Checó que las herramientas se encontraran en buen estado y afiladas. 7. Checó que los límites de integridad se encontraran activados. 8. Checó que la pieza estuviera clampeada adecuadamente. 9. Checó que las alarmas estuvieran restablecidas. 10. Checó que los paros de emergencia estuvieran reseteados. 11. Checó que los sensores de herramienta rota estuvieran activados. 12. Checó que todas las puertas de la máquina estuvieran cerradas. 13. Giró la perrilla a encendido. 14. Presionó la tecla de modo manual. 15. Activó la bomba, presionando el botón. 16. Referenció la torreta. 17. Presionó la tecla de visualización del estado de errores y presionó borrar todos

los errores.

18. Maquinó la pieza. 19. Verificó dimensionalmente la pieza maquinada contra el plano de la misma. 20. Hizo el reporte dimensional. 21. Recogió todo el equipo y herramienta utilizados. 22. Limpió el lugar de trabajo.




ObservacioObservacioObservacioObservaciones:nes:nes:nes:

PSP:

Hora de

inicio: Hora de





Una de las aplicaciones más vanguardistas, complejas e interesantes de la mecatrónica tiene que ver con la exploración espacial. Tanto los transbordadores espaciales, como las estaciones y las naves de exploración tienden a integrar cada vez en mayor número y calidad aparatos guiados a control remoto que ejecutan una gran cantidad de tareas. Uno de los ejemplos más recientes de estos aparatos lo representan los exploradores (Rovers en inglés) empleados en las misiones de exploración al planeta Marte. El Pathfinder (buscador de caminos) y los más recientes Spirit y Opportunity, son vehículos motorizados, capaces de recorrer terrenos agrestes bajo condiciones climáticas extremas, la temperatura en la noche marciana puede ser de -96°C . Además de eso, son capaces de recoger muestras de rocas, captar imágenes panorámicas y microscópicas, y enviar la información a la Tierra. Todo ello gracias a la combinación de dispositivos montados en un solo aparato y controlados por una computadora de 32 bits protegida en una “caja térmica electrónica” o cada de dispositivos electrónicos tibios (warm electronics box en iglés). Uno de los sistemas más interesantes de estos aparatos es su sistema de balance, que funciona mediante un dispositivo semejante al usado por el oído humano para mantener el equilibrio. El Spirit y el Opportunity estuvieron enviando información a la tierra durante 2003 y 2004 respectivamente. Gracias ellos se verificaron datos sobre las características de la superficie marciana y su composición química. Años después, en 2008, la sonda Phonix corroboró la presencia de rastros de hielo y por tanto el hecho de que alguna vez hubo agua en Marte.

Figura 8 8 Vehículo “Rover” para exploración en Marte



AUTOEVALUACIÓN

CAPÍTULO 3

1. ¿Cuál es la principal ventaja de un puerto USB comparado con otros?

2. ¿Qué es una red de computadoras?

3. ¿Qué es el movimiento para la mecánica?

4. ¿Qué es una cadena cinemática?

5. ¿Qué es un interruptor? 6. ¿Qué son los temporizadores?



RESPUESTAS A LA AUTOEVALUACIÓN

CAPÍTULO 1 1. Es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del

control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos para una producción con mayor plusvalía y calidad.

2. Los rubros más importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de

manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica.

3. Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etcétera. se deben considerar como sistemas mecatrónicos.

4. Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,

llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor),

5. Electroacústico, electromagnético, electromecánico, electroquímico, electrostático,

fotoeléctrico, magnetoestrictivo, piezoeléctrico y radioacústico. 6. La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar.

Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en la impedancia de ésta. La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente.

7. Los LEDs, pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia

que normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor.



CAPÍTULO 2 1. La forma más común de un sensor de velocidad y movimiento depende de la interacción

de un pequeño imán fijado al cable con una pequeña pieza de aluminio con forma de dedal fijada al eje del indicador. A media que el imán rota cerca del dedal, los cambios en el campo magnético inducen corriente en el dedal, que produce a su vez un nuevo campo magnético. El efecto es que el imán arrastra al dedal (así como al indicador) en la dirección de su rotación sin conexión mecánica entre ellos.

2. El sensor de fuerza más común es una galga extensométrica, la cual es un dispositivo

electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica.

3. Es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje

(efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

4. Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía

llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.

5. Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La

luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.

6. Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno

electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada

7. Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico que es la expresión

física de un operador booleano en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip.



CAPÍTULO 3 1. Posee una alta velocidad en comparación con otro tipo de puertos, USB 1.1 alcanza los

12 Mb/s y hasta los 480 Mb/s (60 MB/s) para USB 2.0, mientras un puerto serie o paralelo tiene una velocidad de transferencia inferior a 1 Mb/s. El puerto USB 2.0 es compatible con los dispositivos USB 1.1.

2. Es un conjunto de equipos (computadoras y/o dispositivos) conectados por medio de

cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información (archivos), recursos (CD-ROM, impresoras, etcétera.) y servicios (acceso a Internet, e-mail, chat, juegos), etcétera.

3. En mecánica el movimiento es un fenómeno físico que se define como todo cambio de

posición que experimentan los cuerpos de un sistema, o conjunto, en el espacio con respecto a ellos mismos o con arreglo a otro cuerpo que sirve de referencia. Todo cuerpo en movimiento describe una trayectoria.

4. Es la unidad dinámica funcional del sistema. Está compuesta por sucesivas cadenas y las

correspondientes unidades cuyo objetivo fundamental es la traslación de ese segmento motor en el espacio. En una cadena cinemática encontramos cadenas unidas por pares cinemáticos (unión móvil de dos eslabones en contacto). Se pueden conocer con el nombre de cadenas cinemáticas o motoras.

5. Es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El modelo prototípico es un

dispositivo mecánico (por ejemplo un interruptor de ferrocarril) que puede ser desconectado de un curso y unido (conectado) al otro.

6. Son mecanismos que funcionan o hacen una operación por cierto tiempo donde el tiempo

es ajustado de acuerdo con el uso dado.



SUGERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Alicitore Introducción a la Mecatrónica y a los Sistemas de Medición. Mcgraw Hill 2008 ISBN: 9701063856

• Bautista Gutiérrez, Rodríguez Ramírez; W. Bolton Mecatrónica Marcombo 2001 ISBN:

8426713157

• Bolton W. Mecatrónica - Sistemas de Control Electrónico en la Ingeniería Mecánica y Electrónica Alfaomega 2006

• VV.AA. Sistemas Mecatrónicos Limusa México DF 2006 ISBN: 9789681865597



GLOSARIO

Alfanumérico Arreglo simbólico combinado de literales y dígitos.

Booleano Relativo a la algebra booleana. En informática y matemáticas, son

estructuras algebraicas que "capturan la esencia" de las operaciones lógicas.

Binario De base dos.

Bipolar Las dos uniones de tipo PN en el transistor que permiten el paso de la corriente, una en función de la otra.

Bit Un bit es un dígito del sistema de numeración binario.

Circuito Es una serie de elementos eléctricos o electrónicos interconectados a través de conductores en uno o más bucles cerrados.

Circuito lógico Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip.

Código Asignación de valores dada a una serie o arreglo de símbolos.

Código máquina Es una codificación en sistema binario que es el único que puede ser directamente ejecutado por una computadora

Compuerta lógica Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular.

Chip Circuito integrado.

Decimal De base diez.

Dispositivo Artefacto creado para cumplir con una función especifica, puede ser mecánico, eléctrico, electrónico etc. y normalmente su función es unitaria.

Hexadecimal De base 16.

LED Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz policromática.



Semiconductor Sustancia o compuesto que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre.

Señal Manifestación de energía en un componente o un circuito cuando se le esta verificando.

Tolerancia Porcentaje de exactitud esperado en una variable.

Valor Magnitud expresada en unidades determinadas.

Variable Que tiene valores que oscilan dentro de un rango determinado.



REFERENCIAS DOCUMENTALES

Libros.

W. Bolton. Meactrónica: Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica. Alfaomega, 2ª Ed. 2005.

Robet H. Bishop; The Mecatronic Hanbook; Crc Press Washinton D.C

Hans-Joachim K., Matthias R.:Mechatronics. Theory And Application, Bosch Automation, 2000

Mikell P. Groover, Mitchell Weiss, Roger N. Nagel Y Nicholas G. Odrey: Robotica Industrialtecnología, Programación y Aplicaciones; Mc Graw Hill

Asfahl, C. Ray; Seguridad Industrial y Salud, México; Pearson Educación; 2002;

Páginas de Internet

• http://www.mecamex.net • http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/933/description#descript

ion • http://www.ieee.org/portal/pages/pubs/transactions/tmech.html • http://www.personal.leeds.ac.uk • http://dimei.fi-b.unam.mx/MECATRONICA/index1.html • http://www.upiita.ipn.mx/ • http://www.cnad.edu.mx/ • http://www.tu-chemnitz.de/ifm/english/index.htm • http://www.mechatronik.uni-duisburg.de/welcome-e.html • http://www.mechatronik.uni-linz.ac.at/ • http://www.dlr.de/rm// • http://mecha.ee.boun.edu.tr/ • http://mechatronics.org/

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