Procedimientos de diseño en mecatrónica Procedures of ... · 211 González-Palacios M.A. Ingeniería Investigación y Tecnología. 209-222Vol. XII, Núm. 2. 2011, , ISSN 2594-0732,

Ingenieriacutea Investigacioacuten y Tecnologiacutea Vol XII Nuacutem 1 2011 209-222 ISSN 2594-0732 FI-UNAM(artiacuteculo arbitrado)DOI httpdxdoiorg1022201fi25940732e201112n2021

Procedimientos de disentildeo en mecatroacutenica

Procedures of Design in Mechatronics

Gonzaacutelez-Palacios MA Departamento de Ingenieriacutea Mecaacutenica

Universidad de Guanajuato E-mail maxgsalamancaugtomx

Informacioacuten del artiacuteculo recibido noviembre de 2008 reevaluado febrero de 2010 aceptado septiembre de 2010

Descriptores

bull prototipo virtualbull automatizacioacutenbull disentildeo controlbull reconocimiento de vozbull interfaz graacutefica

Keywords

bull virtual prototypebull automationbull design controlbull voice recognitionbull graphical interface

Resumen

En este documento se presentan los conceptos fundamentales relacionados con los procedimientos del disentildeo en mecatroacutenica En una forma sistemaacutetica se desarrolla un caso de estudio consistente en el disentildeo de una maacutequina de tecnologiacutea de punta De esta manera se plantean los criterios maacutes importan-tes que se deben tomar en cuenta en todo el proceso Asiacute se establece que el punto de partida es el planteamiento del problema a traveacutes de ideas las cuales se plasman en una serie de bocetos que serviraacuten de base para defi nir y decidir por la solucioacuten maacutes factible Se hace hincapieacute que desde el momen-to de trazar los bocetos se deben tener muy claras las difi cultades a las que el disentildeador estaraacute expuesto y que la mejor manera de enfrentar este proble-ma es contar con una formacioacuten teoacuterico-praacutectica integral Con todo esto se establece que la generacioacuten de prototipos virtuales representa una etapa muy importante pues se simulan los movimientos y se pueden detectar po-sibles confl ictos antes de pasar a procesos de manufactura de partes Tam-bieacuten se enfatiza que el control sincronizado de los movimientos de una maacutequina debe integrarse tanto mecaacutenica como electroacutenicamente a traveacutes de un disentildeo adecuado de software Al conjugar todos los conceptos analizados en este documento se incrementan las probabilidades de eacutexito en la creacioacuten de un dispositivo innovador

Abstract

This document presents fundamental concepts related to the procedures of design in Mechatronics It is developed systematically a case study which consists in the de-sign of a state of the art machine This way the most important criteria to be consid-ered in the design process are established Then it is se led down that the departing point is the problem planning through brain storm ideas which are then drafted into sketches to provide enough information to help in the decision of the best feasible solution It is remarked that from this stage it is important to take into account all di culties the designer faces and the best way to a ack this problem is the formal theoretical and practical integral training With all this it is stated that virtual


Ingenieriacutea Investigacioacuten y Tecnologiacutea Vol XII Nuacutem 2 2011 209-222 ISSN 2594-0732 FI-UNAM210

Introduccioacuten

Para ilustrar los procedimientos de disentildeo en mecatroacute-nica desde su fase conceptual hasta la realizacioacuten de un sofi sticado sistema automatizado se presenta el si-guiente caso de estudio que consiste en el disentildeo de una maacutequina sorteadora la cual se defi ne como HorizontalSorting System que en lo sucesivo se referiraacute a eacutesta como la HSS De esta manera y para proporcionar una imagen clara de este caso de estudio en la primera sec-cioacuten se describe en forma breve el proceso posterior-mente se presenta el objetivo fundamental incluyendo las caracteriacutesticas principales que la HSS debe cubrir En la siguiente seccioacuten denominada Conceptualizacioacutense hace hincapieacute en la importancia de tener una forma-cioacuten integral de las disciplinas involucradas en el dise-ntildeo que se esteacute desarrollando ademaacutes en esta seccioacuten se plantea tambieacuten la importancia de la generacioacuten de prototipos virtuales como una fase preliminar a la crea-cioacuten del prototipo real Despueacutes en la seccioacuten de Inte-gracioacuten se introducen los conceptos de identifi cacioacuten de partes y sub-ensambles para auxiliar en el manteni-miento del proceso del disentildeo cuando se van presenta-do modifi caciones y adecuaciones en la constante tendencia a la perfeccioacuten y mejoramiento de producto deseado En la siguiente seccioacuten El disentildeo de las partespresenta el proceso de coacutemo se disentildean a detalle cada una de las partes que integran los sub-ensambles parti-cularizando en uno de los sub-ensambles de la HSS Se dedica la siguiente seccioacuten a la discusioacuten de los aspec-tos relacionados con el software de control y sincroniza-cioacuten de todas las partes movibles para que se lleve a cabo la tarea que se defi nioacute en el objetivo Finalmente en la seccioacuten Efi ciencia se discute brevemente sobre los imprevistos y de coacutemo eacutestos pueden afectar en el des-empentildeo y la efi ciencia global del producto disentildeado

Planteamiento y objetivo

Suponga que se tienen que inspeccionar laacuteminas (hojas) de chapa de madera cuya aacuterea es de 1200 X 2400 mm con un espesor promedio de 07 mm y un peso aproximado de 15 Kg a su vez estas hojas han sido formadas me-diante la unioacuten de franjas de un ancho especiacutefi co pero

que puede variar entre 60 y 300 mm por la misma longi-tud de 2400 mm La inspeccioacuten se fundamenta en obser-var la hoja para determinar su calidad Esta uacuteltima depende de varios factores los principales son la veta el grano y la perfeccioacuten de las uniones De esta manera de-pendiendo de la calidad de la hoja se tendraacute que decidir a queacute pila en formacioacuten seraacute llevada Puede darse el caso de que se tengan hasta 10 opciones Cualquier pila que acumule un determinado nuacutemero de hojas de la misma calidad es removida de la fi la y queda el espacio para iniciar una nueva pila El operador toma hoja por hoja de la pila de inspeccioacuten y las desliza hasta su destino En promedio esta tarea le lleva quince segundos de los cua-les entre cinco y ocho segundos son necesarios para de-terminar la calidad por parte de un operador califi cado No es difiacutecil deducir que en una jornada de 8 horas al 90 de efi ciencia el operador puede clasifi car hasta 1700 hojas y que para lograr este objetivo tiene que caminar en forma intermitente alrededor de 10 km

Cuando el ingeniero se da a la tarea de resolver un problema de disentildeo debe tener claramente defi nido el objetivo que en este caso se plantea como sigue

Disentildear una maacutequina que elimine al maacuteximo el des-gaste fiacutesico del operador y que su capacidad de produc-cioacuten dependa solamente del tiempo que le lleve al operador decidir por la calidad de la laacutemina

Ademaacutes es importante estipular las caracteriacutesticas principales que la maacutequina debe cubrir

Confi able El manejo de la hoja debe hacerse cuidado-samente para evitar cualquier dantildeo y no demeritar su calidad

Modular Debe tomarse en cuenta que el disentildeo sea vaacute-lido tanto para una maacutequina de dos estaciones como de maacutes de diez

Flexible El software de control debe tener la capacidad de programarse de acuerdo a los diversos tipos de madera del que estaacuten hechas las hojas que seraacuten sor-teadas ya que en este caso el nuacutemero de las calida-des variacutea de acuerdo al tipo

Alto rendimiento Debe tener la capacidad de trabajar continuamente y sin interrupciones

Bajo costo En el proceso del disentildeo se determinan va-rias soluciones que cumplen con los requisitos sin

prototyping with the aid of computer graphics represents a very important stage since the moving parts are simulated and possible confl icts or collisions can be de-tected before starting the manufacture of the parts It is also emphasized that the synchronized motion control of a machine must be integrated not only mechanical-ly but also electronically through a suitable software design Once all the concepts analyzed in this document are combined there are high expectations of success when creating a state of the art machine

DOI httpdxdoiorg1022201fi25940732e201112n2021

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Gonzaacutelez-Palacios MA

Ingenieriacutea Investigacioacuten y Tecnologiacutea Vol XII Nuacutem 2 2011 209-222 ISSN 2594-0732 FI-UNAM

embargo el factor costo ayudaraacute a delimitar las op-ciones

Cuando se tiene defi nido el objetivo junto con las caracteriacutesticas yo requisitos miacutenimos a cumplir es im-portante hacer una buacutesqueda de maquinaria que se haya desarrollado en el mercado que mejor cumpla las especifi caciones de manera que se pueda partir de una base o concepto ya desarrollado En particular no se encontroacute alguacuten equipo que cumpliera plenamente los requisitos y aquellos que mejor se acercaban no se con-sideraron viables de tomar como base ya que eacutestos equipos fueron disentildeados para transportar hojas de es-pesores mayores a 3 mm y sus sistemas de transporte desempentildean velocidades mayores a las que las hojas menores a 1 mm de espesor pueden soportar sin dantildear-se o afectar su calidad En este caso de estudio se tomoacute la decisioacuten de disentildear la maacutequina partiendo de cero

Conceptualizacioacuten

Como ya se mencionoacute anteriormente a un operador ca-lifi cado le toma entre cinco y ocho segundos defi nir la calidad de la hoja por lo que se tomoacute como base una capacidad entre 6 y 8 hojas por minuto La conceptuali-zacioacuten es una de las etapas maacutes interesantes porque el disentildeador pone en juego toda su imaginacioacuten y plasma sus ideas en muacuteltiples bocetos Ademaacutes durante esta etapa es importante conocer la opinioacuten de los interesa-dos que en este caso son los operadores califi cados que realizan esta tarea manualmente

Aunque soacutelo se dibujen esquemas es importante te-ner siempre en mente la factibilidad de fabricacioacuten de los componentes Por consiguiente las probabilidades de eacutexito dependen considerablemente por una parte de la experiencia de haberse familiarizado previamente con partes mecaacutenicas y por otra del conocimiento teoacute-rico de las propiedades fiacutesicas de las mismas Es por esto que el buen disentildeador debe pasar por un proceso de formacioacuten teoacuterico-praacutectico integral

Despueacutes de discutir varios conceptos se debe optar por el que mejor cumpla los objetivos y las restriccio-nes En este caso se decidioacute por tener una liacutenea de trans-porte por bandas con estaciones por debajo para formar las pilas Cada estacioacuten conteniendo un dispositivo para tomar la hoja de la liacutenea y apilarla La fi gura 1 muestra una copia del boceto original que representa dicho concepto a partir del cual se desprendioacute el desa-rrollo de la HSS En este boceto se indican dos vistas parciales a saber lateral y de planta

Habiendo elegido el boceto que representa un fuer-te potencial en la solucioacuten del problema se procede a

hacer uso de una herramienta de dibujo asistido por computadora (Omura 2009) de preferencia que cuente con la capacidad de disentildear en forma parameacutetrica de manera que se simplifi que el proceso de modifi car di-mensiones cuando sea necesario En la actualidad los avances tecnoloacutegicos de la computacioacuten graacutefi ca han permitido que sea posible disentildear a detalle modelos soacute-lidos de cada una de las partes de que se compone una maacutequina o prototipo y asiacute probar que los ensambles en-tre piezas que se conectan mutuamente se logren con-forme a los requerimientos De esta manera al conjunto de partes ensambladas que realizan una funcioacuten defi ni-da se denomina sub-ensamble (sistema) a su vez el conjunto de sub-ensambles conformaraacute la maacutequina o prototipo virtual

Cuando se disentildea el prototipo virtual es importante tener presentes una serie de premisas que permitiraacuten acotar los paraacutemetros involucrados en el disentildeo A con-tinuacioacuten se enlistan las que se consideraron de priori-dad en este caso de estudio

- Defi nir las limitaciones del espacio fiacutesico- Diferenciar las cargas estaacuteticas de las dinaacutemicas y

establecer con claridad aqueacutellas a las que los subsis-temas o partes mecaacutenicas estaraacuten sometidos

- Encontrar patrones de movimiento que puedanconvertirse con facilidad en modelos

- Relacionar en lo posible las partes con aquellas quese pueden localizar en el mercado industrial Aquiacutese listan algunas de las maacutes relevantes marcas quese utilizaron en este proyecto (BDI 2007) (FaboryMasters 2009) (Igus 2007) (IPS Parker 2007) (KBElectronics 2007) (Kontron 2010) (Morse 2002)(NTN 2006) (Omron 2006) (Panduit 1998) (Plasti-que Polyfab Inc 1998) (Ri al 2008) (SMC 2000)

Figura 1 Boceto seleccionado para el disentildeo




(Turck 1995) (US Electrical Motors 1995) (Wie-land 1999) (Winsmith 1997)

- Establecer los elementos que es necesario dibujarcon detalle para su fabricacioacuten

- Considerar probables fuentes de energiacutea tales comoneumaacuteticas hidraacuteulicas eleacutectricas teacutermicas etc

- Identifi car los dispositivos mecanismos y actuadoresque pueden estar involucrados en el movimiento

- Establecer la loacutegica de los movimientos y sus controles- Implementar algoritmos yo diagramas de fl ujo que

ilustren la loacutegica del sistema- Desarrollar el software necesario para controlar los

movimientos de la maacutequina a traveacutes de microcon-troladores

- Disentildear bancos de prueba para experimentarparcialmente procesos que son parte integral deldispositivo

Cabe mencionar que adicionalmente se deben to-mar en cuenta normas y estaacutendares establecidos por asociaciones reconocidas a nivel nacional o internacio-nal seguacuten sea el alcance que se le quiera dar al disentildeo

Actualmente el internet proporciona una gran venta-na de acceso a la informacioacuten y se ha convertido en una herramienta poderosa de consulta sin embargo es con-veniente contar ademaacutes con manuales especializados que proporcionan una asistencia constante en el proceso del disentildeo en particular el disentildeo de maquinaria (Oberg et al 2008)

Una vez que se completa el prototipo virtual satis-factoriamente se procede a generar todos los dibujos de fabricacioacuten a partir del modelo soacutelido de cada parte teniendo asiacute la certeza de que el prototipo real se en-samblaraacute libre de errores siempre y cuando las partes cumplan con las tolerancias especifi cadas

La integracioacuten del disentildeo

A medida que se va integrando el disentildeo primero las partes que comprenden un sub-ensamble y posterior-mente los sub-ensambles que comprenden la maacutequina van surgiendo necesidades de modifi car partes o inclu-so de modifi car sub-ensambles completos Es posible lle-var un registro de la evolucioacuten del disentildeo administrando los archivos de los dibujos de forma sistemaacutetica Asiacute en la tabla 1 se muestra la simbologiacutea que permite codifi car cada parte de una maacutequina En caso de existir sub-en-sambles de un sub-ensamble o partes de un sub-sub-en-samble se pueden identificar agregando campos posteriores al de SSS En el caso de la HSS soacutelo existen sub-ensambles y sus partes correspondientes Como criterio general aunque puede variar el nuacutemero se reser-

van tres caracteres para identifi car nombres de ensam-bles y dos para identifi car nuacutemeros de parte o de revisioacutenPara la HSS despueacutes de varias iteraciones se llegoacute a la siguiente descripcioacuten del concepto La liacutenea estaraacute com-puesta de estaciones o moacutedulos Cada moacutedulo contaraacute con un sistema de transporte por banda el cual seraacute abatible para entregar la hoja al siguiente moacutedulo un sistema de sujecioacuten instalado por debajo del sistema de transporte para recibir la hoja del moacutedulo anterior y ja-larla hasta su posicioacuten de apilamiento un sistema de apilamiento de altura constante un sistema estructural que soportaraacute los demaacutes sistemas del moacutedulo Esta con-ceptualizacioacuten no se aleja mucho de la propuesta en la fi gura 1 Sin embargo hubo cambios que mejoraron el concepto al minimizar costos y mejorar el desempentildeo Entre los cambios maacutes representativos se puede men-cionar que el sistema de transporte originalmente se desplazariacutea horizontalmente hacia arriba lo que impli-caba cargar con todo el peso del sistema mientras que en la solucioacuten fi nal un extremo es articulado Otro cam-bio fue que originalmente se sugirieron rodillos de arrastre en cada moacutedulo los cuales fueron eliminados excepto en el primer moacutedulo En la tabla 2 se muestran los sistemas arriba mencionados y su codifi cacioacuten co-rrespondiente En esta tabla se presentan tambieacuten los

Tabla 1Coacutedigos de identificacioacuten de dibujos

Nombre del sub-ensamble o sistema Coacutedigo

Estructura o soporte 0-HSS-FRA

Plataforma desplazable verticalmente 0-HSS-BAS

Transportador de banda 0-HSS-BED

Brazo sujetador 0-HSS-GRI

Consola principal 0-HSS-CP0

Consola secundaria 0-HSS-CP1

Gabinete sateacutelite 0-HSS-CP2

Sistema Hidraacuteulico 0-HSS-HYD

Sistema Neumaacutetico 0-HSS-PNE

Tabla 2 Subensambles de 0-HSS

Concepto Coacutedigo

Ensamble 0-EEE-nn

Subensamble 0-EEE-SSS-nn

Parte EEE-SSS-pp-nn

0 identifi cador entre partes y ensamblesEEE caracteres identifi cadores del nombre de la maacutequina o proyectoSSS caracteres reservados para identifi car el nombre del

subensamblepp nuacutemero de partenn nuacutemero de la revisioacuten


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sub-ensambles relacionados con las instalaciones eleacutec-trica (CP0 y CP1) hidraacuteulica (HYD) y neumaacutetica (PNE)

Como se indicoacute anteriormente el disentildeo de todo el sistema debe ser modular por lo que cada estacioacuten de apilamiento es independiente No obstante al unir los moacutedulos se forma una sola liacutenea en particular la pri-mera liacutenea que se puso en marcha es de diez estaciones El sub-ensamble de la estructura que soporta cada moacute-dulo se denomina 0-HSS-FRA y la fi gura 2 muestra tres vistas con dimensiones globales en mm Tambieacuten se pueden observar detalles de las bisagras de las puertas de acceso en las que se integra un interruptor de segu-ridad para detener la liacutenea por seguridad en caso de que un operador intentara abrir la puerta inferior

El sub-ensamble denominado 0-HSS-BAS es la pla-taforma que recibe la hoja con la calidad que le fue asignada al moacutedulo correspondiente El principal fun-cionamiento de este sistema es el de formar una pila de hojas de la misma calidad Cuando inicia el proceso la plataforma se coloca en un carro que originalmente se encuentra fuera del moacutedulo y a traveacutes de rieles se posi-ciona manualmente sobre un elevador de tijera En se-guida se desplaza verticalmente mediante la accioacuten del elevador de tijera hasta posicionarse a la altura cercana al aacuterea de trabajo del brazo Esta altura debe mantener-se constante por lo que a medida que se van acumu-lando hojas el elevador de tijera es actuado discretamente de forma descendente El software de control lleva regis-tro del nuacutemero de hojas que se van acumulando y cuando se llega al liacutemite establecido (generalmente 700 hojas) el elevador baja totalmente hasta que las rue-das del carro hacen contacto con los rieles De esta ma-nera el carro es recorrido manualmente hasta fuera del moacutedulo para ser descargado y preparado para ini-ciar un nuevo ciclo Por cuestioacuten de espacio se omite la vista de este sub-ensamble No obstante se puede apreciar en parte inferior derecha de la vista lateral de la fi gura 6

El transportador de banda cuyo sub-ensamble se es-pecifi ca como 0-HSS-BED tiene dos funciones como transportador cuando se encuentra en posicioacuten hori-zontal o bien como alimentador de la estacioacuten conti-gua cuando eacuteste se inclina para entregar la hoja Por ejemplo si la hoja debe ser descargada en la octava es-tacioacuten entonces los moacutedulos del uno al siete se mantie-nen horizontales con sus bandas en movimiento y cuando la hoja llega al seacuteptimo moacutedulo eacuteste se inclina y sus bandas se detienen cuando la hoja llega a la posi-cioacuten en que se sincroniza con el brazo del octavo moacutedu-lo En la fi gura 3 se muestran una vista lateral con dimensiones en miliacutemetros y una vista isomeacutetrica que muestra el sistema de bandas por la parte inferior

El sub-ensamble 0-HSS-GRI-0 denominado brazo suje-tador es el que tiene la funcioacuten de tomar la hoja del alimen-tador y posicionarla en la base Este sistema se desarrolla en la siguiente seccioacuten para presentar los conceptos que se aplican cuando se llega a la fase de detallar cada parte que contiene un sub-ensamble La fi gura 4 presenta varias vis-tas incluyendo un detalle de la pinza sujetadora

Al mismo tiempo que se trabaja en el disentildeo mecaacuteni-co del sistema se estudian los aspectos del control de los movimientos y la forma en que eacutestos deben llevarse a cabo Asiacute se defi nen las entradas y salidas digitales yo analoacutegicas necesarias y la forma en que eacutestas deberaacuten ser controladas Para una estacioacuten del sistema se determina-ron once entradas para interpretar las sentildeales de senso-res yo interruptores y ocho salidas para actuar vaacutelvulas yo motores Ademaacutes dos salidas analoacutegicas para con-trolar el movimiento del brazo Con el fi n de controlar un sistema de hasta 12 estaciones se eligieron dos tarjetas electroacutenicas industriales con 120 canales digitales cada una (PCI-DIO-120) y una tarjeta con 16 canales analoacutegi-cos (PCI-AOB-1612) La comunicacioacuten de estas tarjetas con la computadora se logra a traveacutes de puertos PCI El diagrama eleacutectrico principal del sistema se ilustra en la fi gura 5 en el que se introduce el concepto mediante el cual se visualiza por regiones enmarcadas con liacuteneas de centros el encadenamiento que se logra entre el gabinete de control principal y sus perifeacutericos como es el caso aquiacute de la consola principal 0-HSS-CP0 la consola secun-daria 0-HSS-CP1 y los gabinetes sateacutelites 0-HSS-CP2 que se encuentran instalados en cada uno de los moacutedulos

El ensamble general en el que se presentan una es-tacioacuten y el alimentador principal se ilustra en la fi gura 6 Es posible comparar esta uacuteltima con el boceto querepresenta el concepto que se tomoacute como punto de par-tida (fi gur a 1) y notar que algunos rasgos de las ideasprincipales quedan plasmadas en el resultado fi nal

Actualmente se encuentran en operacioacuten dos liacuteneas de diez estaciones y una de doce estaciones en la Em-presa Placage Unique Inc Canadaacute (wwwplacagecom) En la fi gura 7 se presentan vistas similares tanto del disentildeo virtual como del ensamble real de una ver-sioacuten de diez estaciones mientras que en la fi gura 8 se ilustran dos HSS en operacioacuten

Como referencia se presentan en la tabla 3 el total de los elementos que se utilizaron en el disentildeo comple-to de una HSS de doce estaciones (Gonzaacutelez 2003) Las cifras se presentan en tres rubros principales esto es los elementos que fueron disentildeados y que llevaron un proceso de maquinado los accesorios de diversas mar-cas que se adquirieron en el mercado industrial y los elementos de sujecioacuten siendo en promedio alrededor de 2000 componentes por moacutedulo




Figura 2 Subensamble de la estructura 0-HSS-FRA

Figura 3 Sub-ensamble 0-HSS-BED

Figura 4 Sub-ensamble 0-HSS-GRI


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Figura 5 Diagrama Eleacutectrico Principal de la HSS

Figura 6 Disentildeo mostrando la unidad alimentadora y una estacioacuten




Figura 7 Prototipo virtual y ensamble final de la HSS (con autorizacioacuten de Placage Unique Inc)

Figura 8 Dos sistemas HSS (con autorizacioacuten de Placage Unique Inc)

El disentildeo de las partes

De la misma manera que se plantean ideas y bocetos del concepto general de un sistema se plantean ideas y bocetos para la defi nicioacuten de un sub-ensamble asiacute como tambieacuten se generan ideas y bocetos para la defi ni-cioacuten de cada parte que integra al sub-ensamble Para ilustrar este ejercicio se presentan a continuacioacuten los pasos que se siguieron desde el planteamiento del con-

Rubros principales Cantidad

Partes disentildeadas 2338

Accesorios 8847

Sujetadores 11830

Total 23015

Tabla 3 Elementos requeridos para ensamblar una HSS de doce estaciones

cepto hasta la realizacioacuten de las partes del sub-ensam-ble 0-HSS-GRI-0 denominado como brazo sujetador

El brazo sujetador representa una componente me-dular de la maacutequina al ser el elemento que toma la hoja y la coloca sobre la pila De esta manera el ciclo de la maacute-quina y consecuentemente su capacidad de produccioacuten dependen en gran medida de la velocidad con que esta tarea se realice esto es tomar la hoja arrastrarla a su po-sicioacuten fi nal liberarla y regresar quedando asiacute preparado para tomar la siguiente La solucioacuten que mejor cumplioacute con las caracteriacutesticas indicadas en la seccioacuten Plantea-miento y Objetivo fue la implementacioacuten de un pistoacuten neumaacutetico con vaacutelvulas proporcionales reguladas con sentildeal analoacutegica permitiendo asiacute programar el perfi l de velocidad oacuteptimo tanto de avance como de retorno

Al lado izquierdo de la fi gura 9 se presenta una simulacioacuten del concepto de tomar la hoja de la liacutenea de transporte y llevarla a la pila correspondiente mien-tras que en el lado derecho se ilustra la forma en que se hicieron pruebas preliminares para determinar los rangos de la fuerza necesaria para arrastrar la hoja

Por otra parte una vez que se ha defi nido la solu-cioacuten sobre coacutemo llevar la hoja a su destino se pasa a la defi nicioacuten de las partes integrantes a traveacutes de bocetos preliminares y posteriormente se comienza a defi nir el detalle de cada una de ellas

Como paso siguiente una vez defi nidas todas las partes a detalle el prototipo virtual queda establecido y a traveacutes de eacuteste se comprueba que no haya interferencia ni colisiones inesperadas en las partes moacuteviles Final-mente se enviacutean los dibujos de produccioacuten a los talleres de maquinado para la manufactura y asiacute culminar con el ensamble de las partes correspondientes La fi gura 10 muestra ambos el prototipo virtual y el real

Una vez que el brazo se integra se ensambla un pro-totipo experimental para evaluar su desempentildeo me-


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Figura 9 Conceptualizacioacuten y pruebas del brazo transportador

diante pruebas preliminares Aquiacute mismo se prueban diversos algoritmos para defi nir la loacutegica del control del movimiento Por ejemplo se consideroacute como una primera instancia que el sistema de banda transporta-dora que sostiene el brazo se mantuviera horizontal sin embargo esto generaba problema de alineacioacuten de la hoja con las que ya estaban acumuladas Despueacutes de una serie de iteraciones combinadas con sus correspon-dientes algoritmos de control se determinoacute que la solu-cioacuten en la que mejor alineamiento se logra es aquella en la que el sistema de banda transportadora se inclina para que el brazo al fi nal de su carrera quede lo maacutes cercano posible a la pila Por supuesto esta solucioacuten acarrea una serie de cambios en la loacutegica del transporte ya que a diferencia de la primera iteracioacuten donde las bandas permaneciacutean horizontales y podiacutean contener hojas en transporte ahora durante este proceso no debe haber hojas sobre las bandas del correspondiente moacute-dulo En la fi gura 11 se ilustran nueve cuadros en los que se aprecia la secuencia del ciclo de arrastre de una

Figura 10 Prototipos virtual y real de la pinza

hoja A continuacioacuten se describe la secuencia conside-rando la lectura de los cuadros de izquierda a derecha y hacia abajo (el tiempo entre cuadros es de cinco deacutecimas de segundo aproximadamente)

1 Se observa un segmento del sistema de transportede la estacioacuten previa a la que la hoja llegaraacute a su des-tino fi nal Tambieacuten se alcanza a apreciar que unahoja comienza a verse por el lado izquierdo

2 La hoja ya ha avanzado aproximadamente 250 mmcon respecto al cuadro anterior

3 Se observa que el brazo ya regresoacute del ciclo anteriormientras que la hoja sigue avanzando

4 La hoja se detiene cuando los dos sensores oacutepticoshan registrado su presencia

5 Los dedos de la pinza se cierran y el brazo se prepa-ra para arrastrar la hoja

6 La hoja es arrastrada por el brazo7 La hoja sigue avanzando debido al arrastre del brazo8 La hoja estaacute a punto de abandonar la estacioacuten




9 La hoja se encuentra alineada en la pila y el brazo lalibera para regresar y comenzar el ciclo nuevamente

El software de control

Pasando ahora al aspecto de la logiacutestica del funciona-miento de la HSS surge la pregunta iquestCoacutemo se enviacutea la hoja a su destino Parece que una solucioacuten sencilla es poner frente al operador una estacioacuten de botones sin embargo si se considera que tendraacute que interactuar maacutes de 3000 veces diariamente con al menos diez boto-nes no es difiacutecil darse cuenta que con esto tendraacute que aumentar el grado de concentracioacuten y por consiguiente el nivel de estreacutes El problema se agrava auacuten maacutes cuan-do una calidad determinada no siempre va al mismo destino debido a que eacuteste puede cambiar de acuerdo a la confi guracioacuten seguacuten las necesidades de produccioacuten entonces ademaacutes de la estacioacuten de botones se torna ne-cesario poner una tabla de direcciones la cual seriacutea con-sultada antes de presionar el botoacuten correspondiente

Al parecer la solucioacuten maacutes sencilla no siempre es la maacutes indicada ya que como en este caso la estacioacuten de botones se convierte en una tarea complicada para el operador ya que las probabilidades de asignar una di-

Figura 11 De izquierda a derecha y hacia abajo se presenta la secuencia del ciclo de arrastre de una hoja

reccioacuten incorrecta son muy altas Por otra parte el ope-rador necesita de ambas manos para alimentar la hoja a la HSS lo que implica que el tiempo que le lleve leer la tabla de calidades y presionar el botoacuten correspondiente se suma al ciclo de trabajo mermando por consiguien-te la capacidad de produccioacuten Se requiere entonces de un anaacutelisis maacutes profundo del problema sin perder de vista que la premisa maacutes importante es el hecho de faci-litar la tarea al operador

Asiacute tomando en cuenta que el operador debe ins-peccionar la hoja para clasifi carla se concluyoacute que la implementacioacuten de un sistema de reconocimiento de voz es la solucioacuten idoacutenea ya que la sincronizacioacuten de la inspeccioacuten visual con voz elimina las posibilidades de error para un operador califi cado Una vez que el ope-rador asegura la calidad de la hoja introduce eacutesta al alimentador principal al mismo tiempo que a traveacutes de un microacutefono (el cual estaacute conectado a la computadora de control) expresa en voz alta la calidad de manera que el software de control interpreta la calidad y le asig-na a la hoja la estacioacuten de destino

Un disentildeo fl exible abre las puertas a la diversifi ca-cioacuten Ahora que se cuenta con el sistema de reconoci-miento de voz (Lemout et al 1997) es posible programar


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los destinos de una manera oacuteptima y asiacute evitar paros innecesarios en el proceso de clasifi cacioacuten para dar tiempo a vaciar una estacioacuten que haya llegado al liacutemite de su capacidad

Una vez resueltos los problemas teacutecnicos relaciona-dos con el funcionamiento global de la HSS la integra-cioacuten de todo el sistema contiene ademaacutes de los aspectos discutidos en la seccioacuten dedicada a la integracioacuten del disentildeo la realizacioacuten del software y la interfaz de co-municacioacuten de la computadora con el operador de la HSS El coacutedigo fuente incluye la implementacioacuten de op-ciones de menuacute para desplegar los diaacutelogos de comuni-cacioacuten para interactuar con el sistema y asiacute poder confi gurar paraacutemetros inicializar direcciones de entra-das y salidas manipular manualmente los dispositivos de salida monitorear sentildeales tales como las de los sen-sores incluyendo aquiacute el sistema de reconocimiento de voz y sobre todo tener la interfaz graacutefi ca que permita visualizar en liacutenea el estado del sistema e interactuar con eacutesta en casos en que se tengan que hacer cambios El coacutedigo se realizoacute en C++ (Horton 2006) mediante el uso de Microsoft Visual Studio

Es importante notar que en la loacutegica del software de control se considera la sincronizacioacuten del movimiento de las hojas sobre la liacutenea ya que de acuerdo a la natu-raleza y fl exibilidad del transporte puede darse el caso de que varias hojas se encuentren en traacutensito y maacutes de un moacutedulo esteacute recibiendo de forma simultaacutenea como puede apreciarse en la fi gura 12 donde los moacutedulos seis y ocho (los que se ven inclinados) estaacuten descargando a los moacutedulos siete y nueve respectivamente

Como resultado de este desarrollo se han generado bibliotecas que contienen clases que han sido imple-mentadas en aplicaciones similares (Gonzaacutelez 2005) (Collazo et al 2008) (Rocha et al 2008) y (Gonzaacutelez 2008) Dichas bibliotecas actualmente se encuentran contenidas en una plataforma denominada ADEFID (Gonzaacutelez 2005)

Un ejemplo de los diaacutelogos que se disentildearon para el sistema se presenta en la fi gura 13 el cual despliega un centro virtual de botones para activar manualmen-te los dispositivos que componen una estacioacuten Este diaacutelogo tambieacuten permite confi gurar el perfi l de veloci-dades del movimiento del pistoacuten del brazo

Por otra parte se presenta en la fi gura 14 la interfaz graacutefi ca que se despliega en la consola principal del sis-tema Eacutesta permite visualizar interactivamente el des-empentildeo del sistema y su estado actual Se puede apreciar que en el instante mostrado existen 4 hojas de madera de cerezo en traacutensito dirigieacutendose a la estacioacuten nueve la cual estaacute recibiendo la calidad ldquoB No Saprdquo y que cuenta ya con 680 hojas en la pila Ademaacutes el ope-

rador acaba de ingresar una hoja de calidad ldquoA Saprdquo la cual se dirige a la estacioacuten cuatro

La eficiencia

Un estudio de productividad se realizoacute con base a los eventos que generan tiempos muertos y que se pre-sentan durante una jornada de 8 horas entre los maacutes relevantes se pueden mencionar el no alineamiento de una hoja en este caso el ciclo aumenta por tomar maacutes tiempo para que la hoja se enderece automaacutetica-mente al llegar a las pinzas del brazo intervencioacuten del operador en alguna estacioacuten por razones inevita-bles como el caso del desgarramiento de una hoja de-fectuosa o el desprendimiento de una unioacuten mal pegada o bien el cambio de una pila cuando eacutesta se llena Dichos eventos se consideran en el estudio para hacer un anaacutelisis de la efi ciencia del sistema (Gonzaacute-lez 2004) Como resultado de eacuteste se determinoacute que la produccioacuten esperada estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten

(1)

donde

=P produccioacuten esperada (hojas turno)τTC = capacidad de produccioacuten (hojasturno)

duracioacuten del turno (segundosturno) =τ ciclo promedio de la HSS (segundoshoja)=Sη efi ciencia del sistema=Oη efi ciencia del operador

La efi ciencia del sistema se obtiene de la siguiente ecua-cion

(2)

donde

ti = tiempo requerido para eliminar el i-eacutesimo evento (segundosevento)

αi nuacutemero de hojas alimentadas antes de que ocurra el i-eacutesimo evento (hojasevento)

n = nuacutemero posible de eventos durante la produccioacuten

Pruebas realizadas reportaron que el ciclo oacuteptimo de la HSS por cada estacioacuten es de 55 segundoshoja ya que al reducir este valor la efi ciencia del sistema comienza a decaer Por otra parte con esto se cumple el objetivo de que la capacidad de produccioacuten maacutequina-operador depende solamente del tiempo que la lleve al operador

=T

S OP Cη η=

1

11n

iS

i i

tη

τ α=

= minus sum




Figura 12 HSS en operacioacuten (con autorizacioacuten de Placage Unique Inc)

Figura 13 Centro virtual de botones para actuar los dispositivos de una estacioacuten

Figura 14 Interfaz graacutefica de un sistema de diez estaciones

defi nir la calidad de la hoja el cual como se mencionoacute previamente es de seis a ocho segundos

Conclusiones

En este trabajo se presentaron los procedimientos de disentildeo en mecatroacutenica como una buacutesqueda constante del conocimiento a traveacutes de la formacioacuten teoacuterico-praacutec-tica integral para la creacioacuten de un producto mediante la presentacioacuten de un caso de estudio Durante el desa-rrollo del caso de estudio se establecioacute que cuando se desea disentildear un dispositivo para resolver un proble-ma es importante que se defi nan claramente tanto el

objetivo como el planteamiento del problema aunado con los requisitos que se deben cubrir Maacutes auacuten los pro-cedimientos descritos representan un modelo para el desarrollo de otros sistemas

Se establecioacute la importancia de aterrizar ideas gene-rales de la solucioacuten en bocetos durante la etapa de con-ceptualizacioacuten y asiacute defi nir la mejor opcioacuten para tomarla como punto de partida basando la decisioacuten en la opcioacuten que mejor satisfaga los requisitos y caracteriacutes-ticas establecidos Durante este proceso se observoacute que las probabilidades de eacutexito en la defi nicioacuten preliminar de la solucioacuten se incrementan en la medida en que se tenga un mayor conocimiento de las disciplinas involu-


221



cradas en el problema de disentildeo En el caso de estudio presentado aquiacute se combinaron la ingenieriacutea mecaacutenica ingenieriacutea industrial ingenieriacutea en sistemas computa-cionales e ingenieriacutea electroacutenica

Se discutioacute la relevancia de generar prototipos vir-tuales mediante el uso de herramientas de CAD duran-te el proceso de la integracioacuten del disentildeo La formacioacuten de un prototipo virtual requiere de la generacioacuten de una gran cantidad de modelos soacutelidos de cada una de las partes que intervienen cuyas dimensiones general-mente cambian parcial o totalmente conforme se van ensamblando en un dibujo de montaje global Se esta-blecioacute una metodologiacutea de nombrar las partes yo sub-ensambles para facilitar no solo su identifi cacioacuten sino tambieacuten su seguimiento durante el proceso de evolu-cioacuten yo actualizacioacuten

Tambieacuten se establecioacute que una vez que el disentildeo se plasma en el prototipo real y se efectuacutean pruebas de su desempentildeo para compararlo nuevamente con los re-quisitos originales planteados es deseable que los re-sultados de estas pruebas los satisfagan y en este sentido se plasmoacute la importancia que durante el proce-so de la generacioacuten del prototipo virtual se tomen en consideracioacuten dichos requisitos

Finalmente la experiencia del disentildeador juega un papel importante en todo el proceso ya que en la medi-da que eacutesta se acumule y se combine con la actualiza-cioacuten constante del conocimiento cientiacutefi co y tecnoloacutegico del correspondiente campo de aplicacioacuten las probabili-dades de que surjan imprevistos no deseados se iraacuten minimizando en nuevos disentildeos y asiacute las revisiones o cambios en los correspondientes productos fi nales se visualizaraacuten en el sentido de su perfeccionamiento yo mejoramiento para brindar un mejor servicio en con-cordancia con el fi n para el que eacutestos se crean

Agradecimientos

El autor como responsable directo del caso de estudio aquiacute presentado y quien lo desarrolloacute desde el plan-teamiento del boceto hasta su puesta en marcha du-rante su estancia como director del Departamento de Investigacioacuten y Desarrollo de la Empresa Placage Uni-que Inc Canadaacute agradece a Terry Gogarty presiden-te de dicha empresa por su confi anza y decidida participacioacuten con recursos fi nancieros y humanos para la ejecucioacuten del caso de estudio aquiacute presentado Tam-bieacuten reconoce la colaboracioacuten de Emmanuel Maz quien participoacute en el desarrollo del software de con-trol Al CONACyT a traveacutes del Sistema Nacional de Investigadores por el apoyo otorgado para la realiza-cioacuten de este artiacuteculo

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Winsmith Worm Gear Speed Reducers [en liacutenea] Springville Peerless-Winsmith Inc 1997 [fecha de consulta 27 enero 2008] Disponible en h pwwwwinsmithcom

Semblanza del autor

Max Antonio Gonzaacutelez-Palacios Obtuvo la licenciatura en ingenieriacutea mecaacutenica y eleacutectrica en 1986 por la Universidad Iberoamericana-Leoacuten Asimismo la maestriacutea en inge-nieriacutea por la Universidad de Guanajuato y el doctorado en 1992 por la Universidad McGill Montreal donde completoacute un Posdoctorado en 1993 En la industria de 1997 a 2000 dirigioacute el Departamento de Investigacioacuten y Desarrollo de Placage Uni-que Inc Queacutebec Desde el 2000 es director de IPI (Integracioacuten de Procesos Indus-triales) donde ha desarrollado diversos proyectos de investigacioacuten aplicada Actualmente es profesor titular de la Divisioacuten de Ingenieriacuteas Campus Irapuato-Salamanca de la Universidad de Guanajuato




Introduccioacuten

Para ilustrar los procedimientos de disentildeo en mecatroacute-nica desde su fase conceptual hasta la realizacioacuten de un sofi sticado sistema automatizado se presenta el si-guiente caso de estudio que consiste en el disentildeo de una maacutequina sorteadora la cual se defi ne como HorizontalSorting System que en lo sucesivo se referiraacute a eacutesta como la HSS De esta manera y para proporcionar una imagen clara de este caso de estudio en la primera sec-cioacuten se describe en forma breve el proceso posterior-mente se presenta el objetivo fundamental incluyendo las caracteriacutesticas principales que la HSS debe cubrir En la siguiente seccioacuten denominada Conceptualizacioacutense hace hincapieacute en la importancia de tener una forma-cioacuten integral de las disciplinas involucradas en el dise-ntildeo que se esteacute desarrollando ademaacutes en esta seccioacuten se plantea tambieacuten la importancia de la generacioacuten de prototipos virtuales como una fase preliminar a la crea-cioacuten del prototipo real Despueacutes en la seccioacuten de Inte-gracioacuten se introducen los conceptos de identifi cacioacuten de partes y sub-ensambles para auxiliar en el manteni-miento del proceso del disentildeo cuando se van presenta-do modifi caciones y adecuaciones en la constante tendencia a la perfeccioacuten y mejoramiento de producto deseado En la siguiente seccioacuten El disentildeo de las partespresenta el proceso de coacutemo se disentildean a detalle cada una de las partes que integran los sub-ensambles parti-cularizando en uno de los sub-ensambles de la HSS Se dedica la siguiente seccioacuten a la discusioacuten de los aspec-tos relacionados con el software de control y sincroniza-cioacuten de todas las partes movibles para que se lleve a cabo la tarea que se defi nioacute en el objetivo Finalmente en la seccioacuten Efi ciencia se discute brevemente sobre los imprevistos y de coacutemo eacutestos pueden afectar en el des-empentildeo y la efi ciencia global del producto disentildeado

Planteamiento y objetivo

Suponga que se tienen que inspeccionar laacuteminas (hojas) de chapa de madera cuya aacuterea es de 1200 X 2400 mm con un espesor promedio de 07 mm y un peso aproximado de 15 Kg a su vez estas hojas han sido formadas me-diante la unioacuten de franjas de un ancho especiacutefi co pero

que puede variar entre 60 y 300 mm por la misma longi-tud de 2400 mm La inspeccioacuten se fundamenta en obser-var la hoja para determinar su calidad Esta uacuteltima depende de varios factores los principales son la veta el grano y la perfeccioacuten de las uniones De esta manera de-pendiendo de la calidad de la hoja se tendraacute que decidir a queacute pila en formacioacuten seraacute llevada Puede darse el caso de que se tengan hasta 10 opciones Cualquier pila que acumule un determinado nuacutemero de hojas de la misma calidad es removida de la fi la y queda el espacio para iniciar una nueva pila El operador toma hoja por hoja de la pila de inspeccioacuten y las desliza hasta su destino En promedio esta tarea le lleva quince segundos de los cua-les entre cinco y ocho segundos son necesarios para de-terminar la calidad por parte de un operador califi cado No es difiacutecil deducir que en una jornada de 8 horas al 90 de efi ciencia el operador puede clasifi car hasta 1700 hojas y que para lograr este objetivo tiene que caminar en forma intermitente alrededor de 10 km

Cuando el ingeniero se da a la tarea de resolver un problema de disentildeo debe tener claramente defi nido el objetivo que en este caso se plantea como sigue

Disentildear una maacutequina que elimine al maacuteximo el des-gaste fiacutesico del operador y que su capacidad de produc-cioacuten dependa solamente del tiempo que le lleve al operador decidir por la calidad de la laacutemina

Ademaacutes es importante estipular las caracteriacutesticas principales que la maacutequina debe cubrir

Confi able El manejo de la hoja debe hacerse cuidado-samente para evitar cualquier dantildeo y no demeritar su calidad

Modular Debe tomarse en cuenta que el disentildeo sea vaacute-lido tanto para una maacutequina de dos estaciones como de maacutes de diez

Flexible El software de control debe tener la capacidad de programarse de acuerdo a los diversos tipos de madera del que estaacuten hechas las hojas que seraacuten sor-teadas ya que en este caso el nuacutemero de las calida-des variacutea de acuerdo al tipo

Alto rendimiento Debe tener la capacidad de trabajar continuamente y sin interrupciones

Bajo costo En el proceso del disentildeo se determinan va-rias soluciones que cumplen con los requisitos sin

prototyping with the aid of computer graphics represents a very important stage since the moving parts are simulated and possible confl icts or collisions can be de-tected before starting the manufacture of the parts It is also emphasized that the synchronized motion control of a machine must be integrated not only mechanical-ly but also electronically through a suitable software design Once all the concepts analyzed in this document are combined there are high expectations of success when creating a state of the art machine


211















































Ensamble 0-EEE-nn


Parte EEE-SSS-pp-nn




213



















215














Accesorios 8847

Sujetadores 11830

Total 23015









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La eficiencia


(1)

donde




(2)

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=T

S OP Cη η=

1

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iS

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τ α=

= minus sum








Conclusiones





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Agradecimientos


Referencias
































Semblanza del autor



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Ensamble 0-EEE-nn


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Accesorios 8847

Sujetadores 11830

Total 23015









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Agradecimientos


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Ensamble 0-EEE-nn


Parte EEE-SSS-pp-nn




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Accesorios 8847

Sujetadores 11830

Total 23015









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Documents

Procedimientos de diseño en mecatrónica Procedures of ... · 211 González-Palacios M.A. Ingeniería Investigación y Tecnología. 209-222Vol. XII, Núm. 2. 2011, , ISSN 2594-0732,