Desarrollo de Proyectos Mecatrónicos

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura Desarrollo de proyectos
mecatrónicos.
Carrera
Ingeniería Mecatrónica
Clave de la asignatura PIF - 1304
SATCA1 3-2-5
2. – PRESENTACIÓN
CARACTERIZACIÓN DE LA ASIGNATURA.
Esta asignatura aporta:
Al perfil del Ingeniero Mecatrónico la capacidad para explicar y realizar el control de
sistemas electromecánicos en sistemas dinámicos. Permite la utilización de
herramientas que simulen, analicen y diseñen controladores para sistemas de
control en la mecatrónica.
La materia en su constitución ha tenido especial interés en abordar los diferentes
campos de las ingenierías y de la tecnología donde se da la mayor aplicación de
enfoques de control sin dejar de lado la importancia que reviste en los campos
diversos de la mecánica, eléctrica y electrónica en el quehacer profesional.
La asignatura es columna vertebral de las diversas ingenierías, pues ofrece el
conocimiento de diversos sistemas dinámicos y sus características fundamentales
de funcionamiento. Temas como estabilidad, margen de error, rapidez, robustez y
otros más son considerados con especial atención contemplando los enfoques
clásico y moderno en el tratamiento de las señales en el proceso de control.
El profesional en el desempeño cotidiano será capaz de comprender las
características, parámetros y conceptos intrínsecos de un sistema mecatrónico al
observar sus diferentes respuestas ante entradas diversas, y podrá realizar ajustes
que permitan la optimización de los sistemas con enfoques actuales.
Intención didáctica.
El temario considera cuatro unidades, contemplando en su primera unidad la
identificación de los sistemas y sus diferentes características.
La unidad dos comprende el entendimiento claro de lo que significa un sistema
dinámico y de la aplicabilidad del concepto de Función de Transferencia en los
sistemas. Considera la identificación de los sistemas ante diferentes tipos de
entradas, identificando sus salidas y los diferentes ordenes de operación del
sistema. Centralmente se evalúa la estabilidad de los sistemas mediante diferentes
criterios. Se considera el análisis de la respuesta transitoria y de estado estable.
Dentro de los temas determinantes en esta unidad está la evaluación del error.
La tercera unidad es dedicada al estudio del concepto de controlador en el tiempo y
sus diferentes formas de análisis y diseño. Se emplean diferentes técnicas de
diseño de controladores.
La cuarta unidad está destinada a la aplicación de los conocimientos previamente
recibidos para realizar un prototipo que cumpla con los campos de la mecatrónica,
realizando una evaluación de los sistemas desde una óptica diferente, el estudio en
el dominio de la frecuencia de los sistemas, para obtener las diferentes formas de
compensación en adelanto y/o atraso de los controladores.
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
-Aplicar los conocimientos adquiridos
durante la carrera, necesarios para
evaluar, analizar, comprender, construir,
sintonizar, controlar y mantener sistemas
dinámicos invariantes en el tiempo para
diferentes procesos industriales en el
campo de la mecatrónica.
-Desarrollar
y
generar
tarjetas
electrónicas de adquisición de datos
para comunicación de la computadora
con el sistema de control y la máquina
electromecánica.
-Desarrollar y generar tarjetas de
potencia y control electrónico de los
actuadores que se ubican en un sistema
electromecánico y su comunicación con
la tarjeta de adquisición de datos.
Competencias genéricas:
• Capacidad de análisis y síntesis
• Capacidad de organizar y planificar
• Conocimientos básicos de la carrera
• Comunicación oral y escrita
• Conocimiento de la Transformada de
Laplace
• Habilidades básicas en el modelado de
sistemas mediante la utilización de la
Transformada de Laplace.
• Habilidades básicas de manejo de la
computadora
• Habilidad de manejo de software de
Ingeniería y virtual
• Habilidad para simular mediante
modelaje matemático los sistemas
físicos
• Conocimiento de electrónica analógica
• Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes
diversas
• Solución de problemas
• Toma de decisiones.
-Desarrollar programas de trabajo para el
sistema mecatrónico mediante un
Competencias interpersonales
lenguaje de programación virtual.
• Capacidad crítica y autocrítica
• Trabajo en equipo
• Habilidades interpersonales
• Creatividad
• Habilidad de modelar
Competencias sistémicas
• Capacidad de aplicar los conocimientos
en la práctica
• Habilidades de investigación
• Capacidad de aprender
• Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad)
• Habilidad para trabajar en forma
autónoma
• Búsqueda del logro
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar
y
fecha
de
elaboración y revisión
Instituto Tecnológico de
Tlalnepantla del 11 al 15
de junio del 2013
Participantes
Evento
M. C. Maximiano Tiscareño Elaboración
del
Rangel
programa de estudio de
Ing. Juan Martínez Jurado
la especialidad de la
carrera de Ingeniería
Mecatrónica
5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO.
Establecer y crear sistemas mecatrónicos comandados mediante controlador lógico
programable o microcontroladores e interfase electrónica en tiempo real, enlazados a
la computadora y que satisfaga necesidades industriales.
6.- COMPETENCIAS PREVIAS.
- Instalar, programar y controlar redes de controladores lógicos programables
- Manejar la programación en tiempo real de sistemas mecatrónicos.
- Diseñar y construir interfases Analógicas y digitales, como convertidores A-D y D-A
- Aplicar los conocimientos y experiencias generadas en la Robótica Industrial
- Aplicar normas internacionales en la conformación de proyectos mecatrónicos
- Analizar las funciones de transferencia para el sistema propuesto mediante la
información recopilada.
- Retomar proyectos que se establecieron con anterioridad, aplicando el concepto de
control mecatrónico funcional
7.- TEMARIO
Unidad
|
2
Temas
Diseño mecatrónico
Modelado de
mecatrónicos
Subtemas
1.1 Identificación de una necesidad
1.2 Análisis del problema: PC – interfase controlador - máquina
1.3 Elaboración de una especificación
1.4 Propuesta de posibles soluciones
1.5 Elaboración de un diseño detallado
sistemas 2.1 Características mecánicas en giro y
traslación
2.2 Características eléctricas de motores
2.3 Sistemas electromecánicos
2.4 Sistemas hidráulico – mecánicos
2.5 Respuestas dinámicas de sistemas
3
Estudio de casos en 3.1 Control de movimiento de motores
sistemas mecatrónicos
eléctricos
3.2 Control de sistema articulado
3.3 Control del motor automotriz
3.4 Control de cámara automática digital
4
Generación de sistemas de Desarrollo de proyecto y prototipo
control
representativo.
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS.
El profesor debe:
Ser conocedor de la disciplina de control, la cual está bajo su responsabilidad,
conocer su origen y desarrollo histórico para considerar este conocimiento al abordar
los temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo; orientar el
trabajo del estudiante y potenciar en él la autonomía, el trabajo cooperativo y la toma
de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciar
la interacción entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de los
estudiantes como punto de partida para la construcción de nuevos conocimientos.
• Propiciar actividades de metacognición. Ante la ejecución de una actividad, señalar
o identificar el tipo de proceso intelectual que se realizó: una identificación de
patrones, un análisis, una síntesis, la creación de un heurístico, etc. Al principio lo
hará el profesor, luego será el alumno quien lo identifique. Ejemplos: reconocer el
orden de un sistema físico dada la función de transferencia del mismo:
reconocimiento de patrones; elaboración de un principio a partir de una serie de
observaciones producto de un experimento: síntesis.
• Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas
fuentes. Ejemplo: buscar y contrastar comportamientos como aquellos de segundo
orden, identificando puntos de coincidencia y diferencia entre ellos en cada situación
concreta (subamortiguado, críticamente amortiguado, sobreamortiguado).
• Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio
argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre los
estudiantes. Ejemplo: al socializar los resultados de las investigaciones hechas a
partir de software de simulación (Matlab, LabView, Multisim) y las experiencias
prácticas solicitadas como trabajo extra clase.
• Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo ocupacional.
Ejemplos: el proyecto final se realizará tomando en cuenta el contenido de todas las
unidades.
• Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios a
las que ésta da soporte para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante.
Ejemplos: señalar que el control continuo basado en Laplace estudiado en esta clase
puede ser extendido a un control discreto basado en transformada Z con conceptos
similares, y que ambos son necesarios para controlar el movimiento de robots, los
cuales son necesarios para implementar la manufactura integrada por computadora.
• Propiciar el desarrollo de capacidades intelectuales relacionadas con la lectura, la
escritura y la expresión oral. Ejemplos: trabajar las actividades prácticas a través de
guías escritas, redactar reportes e informes de las actividades de experimentación,
exponer al grupo las conclusiones obtenidas durante las observaciones.
• Facilitar el contacto directo con materiales e instrumentos, al llevar a cabo
actividades prácticas, para contribuir a la formación de las competencias para el
trabajo experimental como: identificación manejo y control de variables y datos
relevantes, planteamiento de hipótesis, trabajo en equipo.
• Propiciar el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-deducción y
análisis-síntesis, que encaminen hacia la investigación.
• Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos,
modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo de la asignatura.
• Proponer proyectos que permitan al estudiante la integración de contenidos de la
asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución.
• Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente.
• Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor
comprensión del estudiante.
• Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura (Matlab,
LabView, Multisim, Mathematica, Simmon, CircuitMaker, Internet, etc.). Proponer el
diseño de sistemas mecatrónicos y generación de prototipos que sean
representativos de la necesidad en la industria o en el ámbito social, mediante el
asesoramiento directo y personalizado del docente. Visitar empresas y eventos
donde se cuente con sistemas mecatrónicos en función operable dentro de un
proceso o en salas de exhibición. Analizar videos de sistemas mecatrónicos
trabajando en procesos de producción en serie.
9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN.
Evaluar el curso por etapas conforme a la aplicación de los subtemas en la
generación de un proyecto de diseño para un sistema mecatrónico con su control
respectivo, deduciendo el porcentaje sustantivo para cada unidad respectivamente.
• Exposición de temas por parte de los alumnos con apoyo y asesoría del profesor
• Evaluación trabajos de investigación entregados en forma escrita
• Evaluación por unidad para comprobar el manejo de aspectos teóricos y
declarativos
• Evaluación de las prácticas por unidad, considerando los temas que ésta contiene
• Evaluación de las aplicaciones del contenido de la materia
• Considerar reporte de un proyecto final que describa las actividades realizadas y
las conclusiones del mismo
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE.
Unidad 1 Diseño mecatrónico
Competencia específica a desarrollar
Emitirá una propuesta mecatrónica,
fundamentada de la relación que
guardan los campos de la mecánica,
electrónica y computación para el
control dinámico de sistemas.
Actividades De Aprendizaje
-Examinar lecturas e investigaciones
respecto a sistemas mecatrónicos, su
control, comunicación y programación.
- Analizar el sistema propuesto mediante
la información conocida.
-Aplicar la información en el desarrollo de
un diseño mecatrónico propuesto
Unidad 2 Modelado de sistemas mecatrónicos
Competencia específica a desarrollar
Actividades De Aprendizaje
Elaborará
documento
técnico - Realizar investigación documental
fundamentado de la modelación de respecto a modelado de sistemas
elementos (parámetros) que actúan en dinámicos mecatrónicos, su control y
la
mecatrónica
relacionando: programación.
mecánica, electrónica y control para la -Definir el análisis en el sistema propuesto
función dinámica de sistemas.
mediante la información recopilada.
-Aplicar la información en el desarrollo del
modelado
matemático
del
sistema
mecatrónico propuesto.
Unidad 3 Estudio de casos en sistemas mecatrónicos
Competencia específica a desarrollar
Emitirá una solución fundamentada de
la relación que guardan los campos de
la mecánica, electrónica, computación,
y comunicación para el control
Actividades De Aprendizaje
-Exponer y discutir casos de interés
personal que cumplan como sistemas
mecatrónicos para establecer su control
dinámico.
dinámico de sistemas y su aplicación -Proponer un sistema mediante la
mediante la programación.
información recopilada en unidades
anteriores para generar los algoritmos de
control y su programación dinámica.
-Aplicar la información en el desarrollo del
diseño mecatrónico.
Unidad 4 Generación de sistemas de control
Competencia específica a desarrollar
Aplicará los conocimientos a la
culminación
de
un
sistema
mecatrónico que cumpla con los
campos de mecánica, eléctrica,
electrónica, control y programación.
Actividades De Aprendizaje
-Aplicar los conocimientos electrónicos y
de control para la generación de interfases
que interactúen en el movimiento y
operación del sistema mecatrónico
propuesto en función del tiempo real.
-Construir el prototipo didáctico propuesto
para ser controlado mediante las interfases
de control y programación de parámetros.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1.-
Balcells, J. Romeral, J. L., Autómatas Programables, Alfaomega Grupo Editor,
1998.
2.Standler, W., Analytical Robotics and mechatronics, McGraw Hill International
Ed., 1995.
3.Spong, M. W., Vidyasagar, M., Robot Dynamics and control,
John Wiley
 Sons, 1989.
4.Fu, K. S., González, R. C., y Lee, C. S. G., Robótica: Control, Detección,
Visión e Inteligencia , McGraw Hill, 1987.
5.Shahinpoor, M., A robot Engineering Textbook, Harper  Row, N.Y., 1987.
6.www.kuka.com:(ArcWelding_engl.,Food_Suppy_Chain_engl.
Kuka_CAMROB_de., Kuka_Jet_en., Kuka_Reinraum_en.).
7.Koren, Y., ROBOTICS for engineers, McGraw Hill International Ed., 1987
8.www.unimation.com: catalog.
9.www.abbrobots.com: catalog.
10.- Safford, E. L., Handbook of Advanced Robotics, TAB BOOKS inc., 1982
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
El alumno deberá aplicar el contenido temático de cada unidad y lo probará en el
laboratorio de mecatrónica aplicada hasta concluir el control respectivo del prototipo
que al inicio de semestre propuso. De la manera siguiente:
- Proponer un diseño mecatrónico en forma esquemática del sistema dinámico que
sea de interés personal para el alumno
- Experimentar con interfases electrónicas para comandar a un elemento actuador
del sistema propuesto integrando con sensorica para el control regulable.
- Idear el control electrónico del sistema dinámico propuesto en forma total
considerando “n” actuadores con “n” sensores enlazados a un microcontrolador o
microprocesador.
- Estructurar el lenguaje de programación que permita en tiempo real el control total
del sistema mecatrónico.