SOFTWARE DE ORIENTACIÓN DIDÁCTICA DE MANUFACTURA EXPERIMENTAL CNC OSCAR MAURICIO OCHOA ÁLVAREZ

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1 SOFTWARE DE ORIENTACIÓN DIDÁCTICA DE MANUFACTURA EPERIMENTAL CNC OSCAR MAURICIO OCHOA ÁLVAREZ UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2005

2 SOFTWARE DE ORIENTACIÓN DIDÁCTICA DE MANUFACTURA EPERIMENTAL CNC OSCAR MAURICIO OCHOA ÁLVAREZ Proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecánico Director ERNESTO CÓRDOBA NIETO Profesor Codirector JOSÉ MANUEL ARROYO Profesor UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2005

3 Dedico este proyecto a todos aquellos que puedan encontrar utilidad, formación y motivación en él. Oscar Mauricio Ochoa Álvarez

4 AGRADECIMIENTOS A Dios, por esta segunda oportunidad que me ha dado de mostrarle cuanto le amo. Al ingeniero Ernesto Córdoba Nieto, director de la presente tesis, quien ha sido el precursor, guía y orientador a lo largo del desarrollo de todo el proyecto. A los ingenieros Germán Horjuela, operario del Laboratorio de Mecatrónica, Gabriel Valderrama, monitor del mismo, Andrés Ramos, por su colaboración e ideas en la parte del telecontrol, A la Universidad Nacional de Colombia por fomentar el desarrollo en nuestro país. A mi padre y mis hermanos, por ser ese fundamento que casi nunca vemos pero que siempre está ahí. A Amanda Granados, por recibirme con los brazos abiertos en la línea de meta.

5 INDICE Introducción 1 1. Ambientes Virtuales de Enseñanza y Aprendizaje 5 a. Ambientes de Aprendizaje 5 b. Presentación de la Experiencia 7 c. Tipos de Ambientes Virtuales de Enseñanza y Aprendizaje 9 d. Realidad Virtual Manufactura Virtual Plataformas de Manufactura del Laboratorio de Mecatrónica 17 a. Brazo Robótico IBM 7540 SCARA 17 b. Centro de Medición por Coordenadas CMM 20 c. Fresadora Experimental de 6 Ejes 22 d. Centro de Mecanizado LEADWELL FANUC Estructura del Tutorial 27 a. Marco Conceptual 27 b. Diseño del Tutorial 28 i. Primera Fase: Motivación y Atención 29 ii. Segunda Fase: Codificación, Almacenaje y Retención 31 iii. Tercera Fase: Evocación y Transferencia 33 iv. Cuarta Fase: Retroalimentación y Refuerzo 34 c. Generación de Objetos y de Ambiente 35 i. Primitivas 35 ii. Objetos Compuestos 40 iii. Cadenas Cinemáticas 42 d. Simulación del Control 44 i. Estructura de Comandos M ISO 45 ii. Configuración Controlador Virtual M FANUC 47 iii. Control de Mecanismos Virtuales 47 iv. Prueba en Vacío de Trayectorias con Manufactura Virtual Telecontrol de la Celda de Manufactura Flexible Experimental CMFE 51 a. Funcionamiento Conjunto: Manufactura Virtual y Telecontrol 51 b. Implementación del Sistema de Telecontrol de la CMFE 53 i. Análisis de la Aplicación 54 c. Modificaciones y Cambios realizados a la Aplicación 56 d. Pruebas Realizadas 57 e. Exposiciones y Capacitaciones Realizadas 57

6 5. Metodología de Manufactura. Compilación de Información Manual de Uso y Operación 73 Conclusiones y Recomendaciones 87 Bibliografía y Referencias 89 Anexos 93

7 LISTADO DE ANEOS A. Máquinas Herramientas Y CNC 93 B. Configuración Software M C. Comandos Software M D. Sistema De Manufactura Flexible 117 E. Árboles de Pegado de Plataformas de Manufactura 119

8 LISTADO DE FIGURAS Capitulo 1 Figura 1. Entorno inmerso interactivo de Realidad Virtual. 10 Figura 2. Ambiente Virtual para el desarrollo de sistemas de transporte. 11 Figura 3. Ambiente Virtual inmerso en el cual se comprueba el acceso y la capacidad de movimiento de los soldadores dentro de la estructura de un barco. 12 Figura 4. Ambiente Virtual de control y familiarización con los movimientos de un brazo robótico. 12 Figura 5. Ambiente virtual donde se simulan y comprueban los programas para una fresadora CNC. 13 Figura 6. Ambiente virtual donde se comprueban las soldaduras de un robot sobre la carrocería de un automóvil. 14 Figura 7. Ambiente virtual donde se simulan y comprueban los programas para una fresadora CNC. 15 Figura 8. Ambiente virtual donde se simula y comprueba la fijabilidad. 16 Capitulo 2 Figura 9. Brazo Robótico SCARA. 18 Figura 10. Centro de Medición por Coordenadas CMM. 20 Figura 11. Fresadora Experimental de 6 grados de libertad. 22 Figura 12. Centro de Mecanizado LEADWELL V Capitulo 3 Figura 13. Espacio virtual del brazo SCARA en movimiento, con letreros alusivos. 30 Figura 14. Espacio virtual del Centro de Medición por Coordenadas en movimiento, con volumen de trabajo en rojo transparente. 30 Figura 15. Espacio virtual de la Fresadora Experimental de 6 Ejes en movimiento rectificando un alabe. 31 Figura 16. Espacio virtual de la Fresadora Experimental de 6 Ejes en movimiento rectificando un alabe.punto de vista solidario a la pieza. 32 Figura 17. Espacio virtual del Centro de Mecanizado LEADWELL en movimiento. Punto de vista contrario a la puerta de acceso. 32 Figura 18. Espacio virtual de la Fresadora Experimental de 6 Ejes en movimiento recibiendo un comando para el mecanizado de la pieza. 33 Figura 19. Modelo virtual que adiciona algunas características básicas del software de control original. A la derecha la guía en una ventana desplazable independiente. 34 Figura 20. Situación para el Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. A la derecha, en primer plano, se ve la ventana con el mundo virtual del ejemplo de la 34

9 situación deseada. En segundo plano se observa el mundo virtual interactivo, así como la descripción del ejercicio. Figura 21. (a) el sólido que se desea representar. (b) el árbol generado por CSG. 36 Figura 22. Árbol generado por B-Rep. 36 Figura 23. (a) vista de un sólido. (b) las superficies que componen el sólido. (c) las líneas y puntos que forman las superficies. 37 Figura 24. (a) barrido lineal. (b) barrido radial. 39 Figura 25. B-Rep del Manipulador del Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 39 Figura 26. (a) objeto compuesto. (b) componentes del objeto compuesto. 40 Figura 27. Esquema de Árbol de Pegado y elementos que lo conforman. 41 Figura 28. Cadena cinemática del Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 42 Figura 29. Cadena cinemática del Centro de Medición por Coordenadas CMM. 43 Figura 30. Cadena cinemática de la Fresadora Experimental de Seis Ejes. 43 Figura 31. Cadena cinemática del Centro de Mecanizado LEADWELL V Figura 32. Diagrama de flujo de programa CNC 45 Figura 33. Estructura de los Bloques CNC 45 Figura 34. Ejemplos de pruebas en vacío de trayectorias para el SCARA y la CMM, con líneas en el espacio trazadas según el programa especificado. 48 Figura 35. Error en el trazado de la trayectoria, resaltado en un círculo rojo, por parte del modelo virtual. 49 Figura 36. Botón Debug, en la parte superior resaltado en rojo, habilitado para correr la rutina línea por línea. En la parte inferior la línea de comandos, resaltada en rojo, mostrando la línea que se está ejecutando. 50 Capitulo 4 Figura 37. Paradigma de Manufactura Virtual. 51 Figura 38. Esquemas del funcionamiento del telecontrol de las plataformas de manufactura del Laboratorio de Mecatrónica. 52 Figura 39. Interfaz del cliente de la aplicación de Telecontrol de la CMFE. 53 Figura 40. Diseño general. Sistema de integración CMFE. 54 Figura 41. Flujo de mensajes en el sistema de integración CMFE. 56 Figura 42. Páginas modificadas de acceso a la aplicación cliente del sistema de Telecontrol CMFE. 56 Figura 43. Vista del cliente con la aplicación de Telecontrol de la CMFE y el video de la máquina a través de NetMeeting. 57 Figura 44. Exposición ante el curso de Automatización de Manufactura. 58 Figura 45. Exposición ante el curso de Manufactura CNC. 58 Figura 46. Ejercicio realizado a través del telecontrol para el colegio IPARM. 59 Capitulo 6 Figura 47. Ventana de Inicio, la cual aparece al ingresar al tutorial. 73 Figura 48. Ventana de Instalación de las aplicaciones necesarias para el curso. 74 Figura 49. Íconos de uso común en el tutorial. 74

10 Figura 50. Simulación en Realidad Virtual del la Celda de Manufactura Flexible. 75 Figura 51. Página de contenido del tutorial. 75 Figura 52. Página de introducción la tutorial de una plataforma de manufactura del Laboratorio de Mecatrónica. En este caso al Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 76 Figura 53. Página de características del Centro de Mecanizado LEADWELL FANUC. En la parte superior se ve parcialmente el mundo virtual de la plataforma con letreros que indican las partes de la máquina. 77 Figura 54. Primera página de la sección Movimiento. Mundo virtual de la plataforma de manufactura donde se muestra esta en su máximo movimiento, junto con un sólido semitransparente representando el volumen de trabajo. 77 Figura 55. Segunda página de la sección Movimiento. Mundo virtual de la plataforma de manufactura donde se muestra un ejemplo aproximado de su máxima capacidad, en este caso mecanizado en seis ejes de un alabe. Punto de vista solidario a la pieza. En la parte inferior se ve la sección de Encendido y apagado. 78 Figura 56. Tercera página de la sección Movimiento. Mundo virtual en el cual se muestra la plataforma de manufactura ejecutando el programa descrito. En la parte inferior se ve parcialmente la explicación detallada del programa. 79 Figura 57. Página de lección de Control. En este caso, lección 1 del control del Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 80 Figura 58. Página de Situaciones. En este caso, primera situación para el Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 80 Figura 59. Página con aplicación en Manufactura Virtual de Pruebas en Vacío o Dryrun. En este caso, el Brazo Robótico IBM 7540 SCARA. 81 Figura 60. Página con aplicación de Telecontrol de la Celda de Manufactura Flexible Experimental del Laboratorio de Mecatrónica. 82 Anexo B Figura B.1 Carpeta de configuración para el tipo de controlador 102 Figuras B.2a Carpeta de configuración sistema 103 Figuras B.2b Carpeta de configuración sistema 103 Figura B.3a Carpeta de configuración para el perfil 105 Figura B.3b Carpeta de configuración para el perfil 105 Figura B.3c Carpeta de configuración para el perfil 106 Figura B.4 Carpeta de configuración para las entradas análogas 106 Figura B.5 Carpeta de configuración para el encoder. 107 Figura B.6a Carpeta de configuración para el Drive del motor de paso. 107 Figura B.6b Carpeta de configuración para el Drive del motor de paso. 108 Figura B.7a Carpeta de configuración para el lazo cerrado del motor de paso 108 Figura B.7b Carpeta de configuración para el lazo cerrado del motor de paso 109 Figura B.8a Carpeta de configuración para el Drive del servo 110 Figura B.8b Carpeta de configuración para el Drive del servo 110

11 Figura B.8c Carpeta de configuración para el Drive del servo 111 Figura B.9a Carpeta de configuración para los límites de carrera 111 Figura B.9b Carpeta de configuración para los límites de carrera 112 Figura B.10 Carpeta de configuración para el HOME y el Registro de Marca 112

12 INTRODUCCION El hombre, a través de toda su historia, ha buscado la modificación del medio en el cual vive para satisfacer las necesidades y deseos que su existencia y desarrollo han ido generando. Es un ser creativo, es un ser adaptable, pero sobre todo es un ser con el ingenio necesario para la solución de los problemas que son propios de todo sistema. Esta transformación del medio implica procesos que aprovechan las cualidades de la materia y la energía, recursos que ha logrado poner a su disposición. Haciendo interactuar estos dos a través de su ingenio logra obtener elementos útiles o herramientas, para cada una de las actividades en las áreas de su ser. Con la evolución de su ingenio, las interacciones, así como las actividades, han crecido en complejidad y, con el crecimiento de la población, en cantidad. Para los hombres comprometidos con esta evolución del ingenio, llamados ingenieros, estar al tanto de esta cantidad y complejidad en el frenesí del mundo moderno, se ha convertido en una carrera de largo aliento; la cual se nutre de las nuevas formas de enseñanza y aprendizaje, en busca de zancadas más largas y certeras. Dentro de este paradigma que abarca la manufactura moderna, y enfocándonos en la educación en esta área, la Universidad Nacional de Colombia cuenta con el Laboratorio de Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería, como iniciativa inserta en este frenesí industrial por obtener nuevos métodos de producción. Durante varios años se ha venido realizando en el laboratorio de Mecatrónica, a través de diferentes proyectos de grado, un trabajo de diseño, fabricación y adecuación de múltiples plataformas de manufactura, las cuales son partes básicas de las celdas de manufactura que existen en las empresas en la actualidad. En este punto del desarrollo, el laboratorio se encuentra en la capacidad de simular, hasta cierto punto, una celda de manufactura manejada desde un control central. Para ello los estudiantes que entran a conocer e interactuar con el laboratorio necesitan una capacitación larga, que toma alrededor de un año, y que sólo logran aquellos que hacen monitoria o proyectan en el mismo. Las herramientas computacionales, de control y de manufactura de las que el laboratorio dispone son medios únicos al servicio de los estudiantes, para que estos se familiaricen y profundicen en el funcionamiento de los métodos de manufactura modernos de la industria.

13 Se vio la necesidad de desarrollar un software, a modelo de tutorial, en el que el estudiante conociera y aprendiera didácticamente el funcionamiento básico de las diferentes plataformas de manufactura del laboratorio, y capte la máxima capacidad de estas por medio de ejemplos que exploten todo su potencial. Este software pretende acortar el tiempo de aprendizaje de los estudiantes sobre los aspectos básicos de las múltiples plataformas de manufactura del laboratorio de Mecatrónica. Se desea que las herramientas didácticas desarrolladas logren familiarizar al estudiante con cada una de las plataformas de manufactura; que ellos puedan acceder a estas herramientas sin ninguna limitación de tiempo, disponibilidad de máquina u operario; que se de una inducción gradual al estudiante en cada plataforma de modo que este construyera conocimiento a partir del trabajo exploratorio, la inferencia y el aprendizaje por descubrimiento. Para poder seguir esta orientación, se escogió como medio de consulta a Internet por su disponibilidad sin limitaciones de tiempo ni localización; se analizaron entornos interactivos de simulación, seleccionando a la Realidad Virtual no inmersa (lenguaje VRML Virtual Reality Modeling Languaje) como el ambiente en el cual se familiariza al estudiante con las características físicas y funcionales básicas de cada plataforma de manufactura. Se seleccionó el lenguaje de programación Java3D para el desarrollo del mundo virtual interactivo en el cual el estudiante puede modificar parámetros y ver cómo reacciona el sistema ante el cambio producido. Se diseñó un sistema introductivo de autoaprendizaje que pretenda simular en un nivel básico el trabajo preliminar y repetitivo de inducción actualmente a cargo del maestro, monitor o laboratorista, y que muestra al estudiante el desarrollo de algún procedimiento, o los pasos mínimos e imprescindibles para realizar una determinada actividad en cada plataforma de manufactura. Las fases del tutorial son: Una fase introductoria en donde se genera motivación y se centra la atención del estudiante. Se da la información concerniente a las características técnicas que este necesita para entender básicamente cómo funciona la plataforma de manufactura. Se familiariza al estudiante con los movimientos de los mecanismos de la máquina a través de un primer ambiente virtual, en el cual puede navegar y observarla desde cualquier ángulo posible. La segunda fase es de orientación inicial, en la que se indica al estudiante la interacción de control del sistema de manufactura, esto es la máquina y el lenguaje de programación. Se muestran sucesivamente dos ambientes virtuales en los cuales se enseña, primero, las máximas trayectorias de cada uno de los ejes de la máquina, y luego, un ejemplo de la capacidad de la plataforma de manufactura. También se indica los procedimientos básicos de encendido y apagado de los sistemas, así como los procedimientos en caso de emergencia.

14 La tercera fase es de aplicación, en la cual se muestra al estudiante un ejemplo de programación automatizada por computador. Se suministra un ambiente virtual en el cual los comandos del programa van siendo ejecutados por la plataforma en la medida en que estos se alimentan a la máquina. Se explica cada uno de los comandos, y qué se está queriendo decir a la máquina. La última fase es la de retroalimentación, en la que el estudiante toma lo aprendido en las fases anteriores y lo aplica a un sistema interactivo, el cual ofrece la retroalimentación, y refuerza los conceptos. Se da un sistema de ambiente virtual el cual se ha programado para responder de forma similar a la plataforma real. Se acompaña de unos ejercicios para que el estudiante se desinhiba en el control de la plataforma de manufactura. Se añadieron como anexos al tutorial, todos los complementos de ayuda que se consideraron necesarios. En el presente documento se exponen los lineamientos básicos sobre los que se diseñó y construyó el tutorial, esperando revelar la esencia más allá de lo técnico. El primer capítulo resume la concepción actual de los ambientes virtuales de aprendizaje, la definición moderna que genera de la enseñanza y del aprendizaje, la importancia de las nuevas tecnologías de comunicación en este ambiente; luego hay un breve resumen de lo que es la realidad virtual, su función dentro de la enseñanza en la ingeniería; juntamente con la manufactura virtual, así como su lugar actual en la industria, generalizando hasta los sistemas de manufactura virtual. Estableciendo un muy amplio paradigma de aprendizaje y enseñanza, en el segundo capítulo se muestra el ambiente real del Laboratorio de Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, el cual ha sido durante años una fuente de múltiples proyectos de investigación en el área de manufactura moderna, todo esto bajo la dirección del ingeniero Ernesto Córdoba. El alto grado de simulación que se puede lograr allí de una celda de manufactura, permite realizar proyectos de desarrollo e investigación que llaman la atención continuamente de la industria. Combinando el paradigma del primero, y el ambiente del segundo, se procede a describir en el tercer capitulo la estructura en la que se construyó el tutorial. Se da un marco conceptual y de diseño de la concepción pedagógica del tutorial. A continuación se explica brevemente, cómo se construyeron las plataformas de manufactura del Laboratorio en el ambiente virtual, así como toda la configuración necesaria para obtener un control y un comportamiento acordes con la realidad.

15 CAPITULO 1 AMBIENTES VIRTUALES DE ENSEÑANAZA Y APRENDIZAJE a. AMBIENTES DE APRENDIZAJE 1 Entendemos por ambiente virtual de aprendizaje al espacio modelado y simulado por computador donde las nuevas tecnologías tales como los sistemas Satelitales, el Internet, los multimedia, y la televisión interactiva entre otros, se han potencializado rebasando al entorno escolar tradicional que favorece al conocimiento y a la apropiación de contenidos, experiencias y procesos pedagógico-comunicacionales. Están conformados por el espacio virtual simulado, el estudiante, el asesor, los contenidos educativos, la evaluación y los medios de información y comunicación. Los ambientes de aprendizaje no se circunscriben a la educación formal, ni tampoco a una modalidad educativa particular, se trata de aquellos espacios en donde se crean las condiciones para que el individuo se apropie de nuevos conocimientos, de nuevas experiencias, de nuevos elementos que le generen procesos de análisis, reflexión y apropiación. Llamémosle virtuales en el sentido que no se llevan a cabo en un lugar predeterminado y que el elemento distancia (no presencialidad física) está presente. La UNESCO (1998) en su informe mundial de la educación, define el entorno de aprendizaje virtual como un programa informático interactivo de carácter pedagógico que posee una capacidad de comunicación integrada, es decir, que está asociado a Nuevas Tecnologías. Estos nuevos entornos de aprendizaje favorecidos con la incorporación de las tecnologías se potencian en la Educación a Distancia por ser un modelo donde la no presencia física entre quien enseña y quien aprende es su principal característica, y el uso de medios en su diseño de aplicación ha pasado por diferentes generaciones. La existencia de medios como instrumentos de comunicación e intercambio no garantiza ni determina una metodología ni un aprendizaje concreto ya que se requiere del proceso de construcción y de socialización donde los medios vienen a contribuir, pero no son decisivos para lograr los aprendizajes. La simple presencia de las tecnologías no garantizan resultados óptimos, toda propuesta de aplicación demanda de la participación activa, creativa y crítica de los agentes involucrados, estudiantes y profesores, cada uno de ellos son generadores de mensajes y 1 Trabajo presentado en el "20th. International Council for Open and Distance Education" 1-5 april 2001, Düsseldorf, Germany. Patricia Avila M. Martha Diana Bosco H.

16 contenidos diversos que al poder intercambiar conocimientos e ideas con otros enriquecen el conocimiento. En un ambiente educativo, los estudiantes aprenden contenidos de matemáticas, arte o ciencias pero también desarrollan habilidades intelectuales asociadas a esos aprendizajes tales como representar la realidad, elaborar juicios de valor, razonar, inventar o resolver problemas de varios tipos. Al tiempo de que aprenden otras habilidades comunicacionales que son importantes en su proceso de socialización. El aprendizaje individual se enriquece con la interacción entre los actores, donde el intercambio de significados favorece la solución de problemas cuyos resultados se ven reflejados en procesos de apropiación del conocimiento. Para que exista aprendizaje primeramente debe haber un contenido o mensaje nuevo el cual se decodifica y se resignifica y en función de los conocimientos previos y marcos de referencia, esta apropiación se convierte en aprendizaje siempre y cuando se aplique en la solución de problemas específicos. El aprendizaje es un proceso social signado por el aporte y compromiso individual y cognitivo. Es por lo anterior que en la Educación a Distancia los nuevos medios tecnológicos son un factor que deben ser atendidos de manera especial en la planeación, se espera que a través de ellos se potencialicen distintas formas de desarrollar actividades de aprendizaje por cuenta propia, de estudio independiente o de autoformación -como prefiera llamársele-, se utiliza para la reflexión personal, los proyectos de trabajo, las investigaciones, la recuperación del programa, el estudio y las actividades de aprendizaje individuales y grupales. En términos generales, el estudio independiente lleva consigo la responsabilidad de la propia formación por parte del alumno y las tecnologías tienen un papel fundamental en las comunidades de aprendizaje siempre y cuando se interactúe con los otros, donde el aprendizaje colaborativo refuerza los conocimientos nuevos entre dichas comunidades, estas actividades son planeadas para crear las condiciones pedagógicas y contextuales, donde el conocimiento y sus relaciones con los individuos son el factor principal para formar una "sociedad del conocimiento". Los ambientes de aprendizaje, no se dan de manera automática, no surgen como generación espontánea ni son tampoco resultado de las Nuevas Tecnologías, el diseño pedagógico es decisivo para que realmente surjan comunidades virtuales. Cuando se diseñan ambientes de aprendizaje se debe tomar en cuenta la necesidad de modificar actitudes, ideas y mecanismos tradicionales entre docentes y estudiantes, esto implica la modificación de la imagen de autoridad y del saber, hasta las formas de uso de los medios y de las tecnologías.

17 Aún cuando hemos hablado de la importancia del estudio independiente, el docente continúa conservando un rol importante en la planeación, en la dinámica de trabajo, en el diseño instruccional y en las estrategias de aprendizaje con miras a la construcción del conocimiento, y en la formación de valores culturales y sociales, de seguro los más importantes. En Educación a Distancia, el asesor además de ser experto en su área, necesita tener conocimientos teóricos y habilidades de carácter pedagógico y técnico para crear situaciones que fomenten el aprendizaje por cuenta propia, la construcción y la socialización del conocimiento mediante el uso selectivo de los medios tecnológicos en actividades de aprendizaje colaborativo, teniendo en cuenta que es un mediador del proceso educativo. b. PRESENTACIÓN DE LA EPERIENCIA Cuando diseñamos cursos de Educación a Distancia con el uso de Nuevas Tecnologías llevamos a cabo una cuidadosa planeación que implica delimitar el proyecto educativo, se plantean los objetivos que se esperan lograr, se hace una selección de temas que permita el desarrollo de los contenidos, se eligen los medios a utilizar, se proponen diversas actividades de aprendizaje acordes al modelo pedagógico y comunicacional, se crean mecanismos para la evaluación del aprendizaje y del modelo. Para ello es necesario tener presente el público meta, es decir a quién va dirigido el programa, la infraestructura institucional e individual de los sujetos, los objetivos institucionales, los objetivos curriculares (perfiles de entrada y de salida) y los materiales instruccionales. En la práctica, tenemos especial cuidado en la selección de los aspirantes a los cursos de ésta modalidad y sobre todo en las condiciones que el propio material educativo propicia para fomentar ambientes de aprendizaje para el logro de los objetivos. Se trata de propiciar prácticas individuales y ejercicios colectivos mediante tareas puntuales orientadas a proporcionar al estudiante una serie de técnicas y contribuir a desarrollar sus estrategias de aprendizaje que le permitan utilizar óptimamente la investigación y sus capacidades de estudio durante el desarrollo de su aprendizaje. Pero no solamente se conforman grupos para contenidos académicos sino se propician lazos afectivos a través de espacios diseñados especialmente para ello. El uso de Internet como medio de información y comunicación obliga a desarrollar habilidades en el lenguaje escrito, a dialogar entre los iguales, entre los propios estudiantes, entre el estudiante y el docente, entre el docente y el experto, etcétera. Por tanto estamos hablando de un modelo dialógico porque obliga al intercambio y la interacción entre los sujetos que intervienen en el proceso

18 educativo donde el docente ya no es poseedor del conocimiento sino que orienta, media y fomenta el estudio para el logro de los objetivos de aprendizaje propuestos. Las Nuevas Tecnologías permiten diferentes formas de lectura no lineales en donde el sujeto va creando y recreando los contenidos en función de sus intereses, aptitudes y actitudes frente al objeto de estudio lo que le obliga a desarrollar habilidades del pensamiento distintas ya que requiere apropiarse del conocimiento para aplicarlo a su práctica cotidiana reflejando lo que es la aplicación del aprendizaje significativo. Un aspecto importante derivado de la práctica es la evaluación de procesos y resultados que acompañan a los actores durante su formación, donde la reflexión, el análisis, la síntesis, la crítica y la aplicación son los elementos a evaluar y no la memorización ni mecanización de los contenidos. En cuanto a la evaluación del modelo desde la planeación se tienen sistemas de recuperación de experiencias a nivel cualitativo y cuantitativo que permitan orientar, corregir, decidir y modificar la propuesta original. Finalmente, el uso de estas tecnologías implican un mayor y cuidadoso trabajo por parte de los docentes, en el sentido de que requieren dar atención individualizada a los estudiantes, revisar las tareas y actividades integradoras y retroalimentar a cada uno de los estudiantes aún cuando se trate de actividades colaborativas, por lo que la capacitación debe ser constante y permanente tanto en el uso adecuado de las tecnologías, como de las innovaciones pedagógicas, los contenidos curriculares, las estrategias de enseñanza y de aprendizaje, la planeación de la sesión con uso de medios, la lectura de los medios, y los contenidos propios de su área del conocimiento o de especialidad. En consecuencia, las Nuevas Tecnologías no vienen a sustituir al docente sino que intensifica su labor que implica mayor tiempo tanto en la planeación como en la atención de los estudiantes. La práctica educativa nos ha demostrado una vez más que no es suficiente la formación académica y capacitación con la incorporación de las tecnologías, las cuales tienen un desarrollo vertiginoso día a día y por sí mismas no tienen significado educativo, se requiere que éstas vayan acompañadas de un modelo pedagógico innovador y creativo que le de sentido a su uso, que de manera continua se renueve y se transforme con base en propuestas acordes a los planteamientos del nuevo siglo, es decir, responder a los cambios de paradigmas educativos, a la transnacionalización, a la sociedad del conocimiento, a la democratización de la educación y a la formación para toda la vida.

19 c. TIPOS DE AMBIENTES VIRTUALES DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE A continuación se explicarán los principales tipos de Ambientes Virtuales de Enseñanza y Aprendizaje: Simuladores: Son objetos de aprendizaje que mediante un programa de software, intentan modelar parte de una réplica de los fenómenos de la realidad y su propósito es que el usuario construya conocimiento a partir del trabajo exploratorio, la inferencia y el aprendizaje por descubrimiento. Los simuladores se desarrollan en un entorno interactivo, que permite al usuario modificar parámetros y ver cómo reacciona el sistema ante el cambio producido. Aplicaciones Multimedia: Son materiales informáticos que representan un conocimiento, y su propósito es facilitar el autoaprendizaje por parte del usuario. Integran diversos elementos textuales (secuenciales e hipertextuales) y audiovisuales (gráficos, sonido, video, animaciones ) y se caracterizan por su alta interactividad, es decir por el control que puede tener el usuario sobre el objeto de aprendizaje. Tutoriales: Son sistemas instructivos de autoaprendizaje que pretenden simular al maestro y muestran al usuario en desarrollo de algún procedimiento o los pasos para realizar determinada actividad. Animaciones: Conjunto de imágenes que se colocan en forma secuencial para generar movimiento. Generalmente son utilizadas para efectuar demostraciones o simulaciones. Existen dos tipos de animaciones: las animaciones planas que están íntimamente relacionadas con los dibujos animados clásicos, y las animaciones en 3D las cuales están más relacionadas con la generación de Realidad Virtual. Videos: Un video es una aplicación multimedia cargada de información que combina el audio y la imagen móvil. Documentos Interactivos: Son documentos en los que la interacción se refiere a la consulta de los hipertextos y a un sistema de navegación que facilita el acceso a los contenidos. Colección de imágenes estáticas: En ésta categoría se incluye cualquier colección de objetos bidimensionales que en sí mismos representen visualmente un concepto, entre los que se encuentran las ilustraciones y las fotografías. Con base en los objetivos del proyecto, se estableció que se necesitaba un sistema que permitiera la explicación de las plataformas de manufactura, sus características, su funcionalidad, y el modo de programación en las mismas, a la vez que se mostrara la metodología de manufactura usada para la programación de trayectorias de mecanizado en cada una de ellas. Sin embargo, también se deseaba que el estudiante generara sus propios modelos de pensamiento, alrededor de la metodología empleada para el uso de

20 cada plataforma de manufactura. Por lo anterior se decidió construir un sistema mixto, en donde se diera la información técnica y de metodología básica a través de un tutorial, y dar el espacio para que el estudiante explorara y generara sus propias ideas a través de un simulador. d. REALIDAD VIRTUAL - MANUFACTURA VIRTUAL Entre las aplicaciones de la computación en el proceso de enseñanza-aprendizaje, la Realidad Virtual se configura como una de las poderosas herramientas que han aparecido en los últimos diez años. La cobertura de aplicación de esta nueva tecnología, por sus características gráficas, abarca desde aplicaciones en medicina, en ingeniería, en arquitectura, etc. Lo cual constituye una oportunidad para el desarrollo de aplicaciones de carácter educativas, especialmente en el ámbito de la ingeniería. Las razones aludidas justifican probar la tecnología disponible de Realidad Virtual en el campo de la enseñanza en ingeniería. Qué es la Realidad Virtual? Algunos autores definen el término Realidad Virtual (RV) como: "Un entorno espacial en tres dimensiones sintetizado por el computador en el que varios participantes acoplados de forma adecuada pueden atraer y manipular elementos físicos simulados en el entorno y relacionarse con las representaciones de otras personas u objetos ficticios", "Conjunto de tecnologías de computación que, cuando son combinadas, proveen de una interfase hacia el computador con la cual el usuario puede creer que está realmente en un mundo alternativo generado por el computador". Por medio de estas definiciones se entiende que Realidad Virtual es una tecnología que permite generar un "entorno en tres dimensiones" o un "mundo alternativo" o lo que también se conoce como un Ambiente Virtual. Figura 1. Entorno inmerso interactivo de Realidad Virtual

21 Sin entrar en una discusión técnica sobre el concepto de Ambientes Virtuales, se afirma que éstos pueden ser generados por varios tipos de tecnologías. La Realidad Virtual es una nueva tecnología que permite generar ambientes virtuales a través del computador para ser accesibles ya sea por uno o más usuarios dependiendo del tipo de aplicación en cuestión. Por ejemplo, en algunos centros europeos se habla de "cooperative work" que corresponde a un ambiente virtual en que varios usuarios remotos, conectados en red, se acoplan para participar en una conferencia u otra aplicación orientada hacia el trabajo en grupos. Para conseguir un alto desempeño en términos de interacción en tiempo real se hace necesario utilizar hardware de alto rendimiento operado bajo ambiente Unix. Figura 2. Ambiente Virtual para el desarrollo de sistemas de transporte También es posible que los ambientes virtuales sean desarrollados para aplicaciones "monousuarias" en el que sólo un participante interactúa con el mundo virtual. Las aplicaciones, en este caso, han estado mayoritariamente centradas en los entretenimientos. Además es necesario señalar que existen tres principios básicos que se deben dar para concebir un Ambiente Virtual generado con tecnología RV, éstos son: Inmersibilidad: Significa que, como usuario, se debe estar presente y ser partícipe del entorno. Es distinto ver una realidad tan solo por una ventana que ser partícipe de ella. Interactividad: Corresponde a la capacidad que el usuario tiene de actuar a voluntad dentro del entorno simulado, pudiendo mover y cambiar las características de los objetos. Multisensorialidad: Dice relación con la capacidad de percibir el entorno simulado con la mayor parte de los sentidos, a través de elementos de interacción especiales.

22 Al cumplir con estos principios se logra que la participación en estos ambientes llegue a ser tan real e intuitiva como para, incluso, hacer desaparecer de la mente del usuario el sistema de hardware con el que se consiguen tales efectos. Figura 3. Ambiente Virtual inmerso en el cual se comprueba el acceso y la capacidad de movimiento de los soldadores dentro de la estructura de un barco La Realidad Virtual y la Enseñanza en Ingeniería La aplicación de la Realidad Virtual en el ámbito de la enseñanza en ingeniería, se enmarca dentro del concepto conocido como Enseñanza Asistida por Computador (CBL, Computer-Based Learning), cuyo objetivo es flexibilizar la instrucción práctica o entrenamiento de los estudiantes a fin de que éstos sean libres de aprender en forma individual y en el momento que sea. Figura 4. Ambiente Virtual de control y familiarización con los movimientos de un brazo robótico

23 Entre las ventajas más importantes de impartir este tipo de enseñanza se encuentran: El aprendizaje es individualizado. El CBL proporciona una retroalimentación instantánea en el desempeño de las actividades de aprendizaje. Se estimula el aprendizaje activo en vez del aprendizaje pasivo. Todos los estudiantes continúan aprendiendo hasta que logran cierta competencia. El CBL permite una variedad de estrategias de enseñanza/aprendizaje, alguna de las cuales son difíciles de establecer y/o administrar en una situación en grupo. Se minimizan los problemas de transferir el aprendizaje. El aprendizaje es autocontrolado en su ritmo de avance, de manera que el capacitando tiene cierto control sobre el grado de aburrimiento o de tensión que se sufren. Los docentes se involucran menos en presentaciones, y tienen más tiempo para el trabajo de desarrollo de cursos y para dar una atención personalizada a los estudiantes. Figura 5. Ambiente virtual donde se simulan y comprueban los programas para una fresadora CNC Manufactura Virtual La visión de la Manufactura Virtual es proveer la capacidad de Manufacturar en el Computador. En esencia, la Manufactura Virtual, en última, suministrará el modelo y la simulación del ambiente, de manera tan poderosa que la fabricación y

24 el ensamblaje del producto, incluidos todos los procesos asociados con la manufactura, podrán ser simulados en el computador. Esta enorme capacidad tomará en cuenta todas las variables del ambiente de producción desde los procesos del piso de trabajo, hasta las transacciones empresariales. En otras palabras, la Manufactura Virtual facilitará la visualización de las interacciones de los procesos productivos, la planificación de procesos, cronogramas, planificación de ensamblajes, logística para las líneas de producción, y procesos de impacto relativo como contabilidad, compras y administración. El concepto de Manufactura Virtual fue el resultado de los esfuerzos combinados del Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Este ha sido utilizado exitosamente en diferentes industrias. Boeing lo usó en el desarrollo y producción del Boeing 777, el primer avión en ser 100 % diseñado digitalmente. Boeing tuvo la capacidad de construir un avión sin los beneficios de los dibujos en papel, modelos, maquetas, o gráficos de desarrollo. Chrysler ha diseñado y construido tres vehículos usando Manufactura Virtual (Concorde, Intrepid, y el Durango). Según Chrysler, al usar el sistema de Manufactura Virtual, han sido capaces de disminuir el tiempo de desarrollo de los autos Concorde e Intrepid de 39 a 31 meses. Figura 6. Ambiente virtual donde se comprueban las soldaduras de un robot sobre la carrocería de un automóvil La Manufactura Virtual permite perfeccionar los procesos y elimina el desperdicio de material y las fallas de diseño. Provee un mejor entendimiento del proceso sin tener que desperdiciar costosos prototipos de prueba de construir y romper.la Manufactura Virtual reduce enormemente el ciclo de desarrollo del producto. Los problemas potenciales se prevén fácilmente, y se toman las acciones correctivas necesarias. También provee una plataforma donde se pueden entrenar nuevos operarios en una máquina específica sin tener que desperdiciar en valioso tiempo

25 de producción de la máquina. Es una herramienta ideal de aprendizaje y experimentación para estudiantes, en ambientes donde máquinas costosas son difíciles de conseguir o costear. Figura 7. Ambiente virtual donde se simulan y comprueban los programas para una fresadora CNC Un Sistema de Manufactura Virtual (VM system) es un modelo base integrado computarizado, el cual representa un esquema físico y lógico, y el comportamiento del sistema de manufactura real. Los sistemas de Manufactura Virtual contienen un modelo de recursos de manufactura, un modelo de ambientes de manufactura, un modelo de producción y de prototipado virtual. En consecuencia, es posible examinar múltiples paradigmas de ingeniería concernientes a la manufactura, como el diseño, planeación de producción, y control del piso de trabajo, a través de un sistema de Manufactura Virtual. Usando estos, muchos procesos de manufactura pueden ser integrados y probados en un solo sistema; y así, los costos y el tiempo de colocación en el mercado pueden ser reducidos, y la producción incrementada dramáticamente. Ambientes virtuales de enseñanza y aprendizaje que nos abren las puertas a un medio sin fronteras de tiempo, espacio y recursos; tecnologías de simulación de la realidad que nos dan la capacidad de llevar a otro nivel nuestra imaginación, ingenio y creatividad; la libertad y flexibilidad que brindan estas tecnologías para que los estudiantes construyan conocimiento a partir del trabajo exploratorio, la inferencia y el aprendizaje por descubrimiento, generando su propia concepción de ese conocimiento; la enorme capacidad y espacio que tiene una tecnología en auge como es la manufactura virtual; generan un paradigma de un enorme potencial, para la concepción de un tutorial que permita el enfoque de proyectos

26 innovadores en los estudiantes que entren a interactuar con las plataformas de manufactura del Laboratorio de Mecatrónica. Figura 8. Ambiente virtual donde se simula y comprueba la fijabilidad

27 CAPITULO 2 PLATAFORMAS DE MANUFACTURA DEL LABORATORIO DE MECATRÓNICA Plataformas de Manufactura Una plataforma de manufactura automatizada es un dispositivo CNC que permite realizar un proceso dentro del ciclo de manufactura de una pieza o conjunto de piezas; estos procesos pueden ser: taladrado, laminado, torneado, fresado, ensamblaje, trazado, inspección, transporte entre procesos, etc. Para más información vea el anexo sobre Máquinas Herramientas y CNC. Las cuatro plataformas de manufactura del laboratorio que abarcan este tutorial son: a. BRAZO ROBÓTICO IBM 7540 SCARA Mikell Groover, en su libro Automation, Production Systems and Computer Integrated Manufacturing, define al robot industrial como "...una máquina programable, de propósito general, que posee ciertas características antropomórficas, es decir, con características basadas en la figura humana..." Cabe destacar que la característica antropomórfica más común en nuestros días es la de un brazo mecánico, el cual realiza diversas tareas industriales. Los movimientos de un robot están relacionados con los grados de libertad que posea. Un grado de libertad es un número o tipo de movimiento del manipulador. Los grados de libertad se determinan por los movimientos que ejecutan el brazo y la muñeca del robot que pueden ser de uno a tres cada uno. El ejemplo más común de una configuración no clásica lo representa el robot tipo SCARA, cuyas siglas significan: Selective compliance arm robot for asembly. Este brazo puede realizar movimiento horizontales de mayor alcance debido a sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuración SCARA también puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercera articulación prismática vertical). El robot SCARA IBM 7540 se compone de elementos interrelacionados entre sí para obedecer la labor de movimiento. El robot está compuesto por actuadores, como son los motores utilizados, las respectivas transmisiones entre motor y articulación y el sistema neumático; se encuentran también los eslabones de articulación, la base y la mesa de soporte, el cilindro neumático, la muñeca y la pinza. Los elementos que hacen parte de la acción de movimiento del robot forman dos subconjuntos de control, como son el programa de planeación de

28 trayectorias (implementado en un computador) y una configuración electrónica constituida por microprocesadores y dispositivos electrónicos para la adecuación de señales tanto a nivel electrónico (señales de comunicación entre computador y tarjeta de control) como a nivel eléctrico (señales de accionamiento de los respectivos actuadores). Figura 9. Brazo Robótico SCARA En la actualidad El controlador del brazo robótico SCARA interactúan con el software M2000/TDC (Multi-Axis Controller Programming Language) distribuido por Warner Electric. Este tiene una plataforma donde se utiliza un lenguaje de programación de alto nivel, muy similar a la estructura de "BASIC". Elementos Componentes. Estructura: Es el conjunto formado por la mesa, la base del robot, las dos articulaciones de rotación, el cilindro neumático y la muñeca de orientación para el efecto final; ésta última consta de una pinza accionada mediante componentes neumáticos. Mesa: Está compuesta por una lámina de ½ pulg de espesor, cuyas extremidades son ángulos de 1x1x¼ de pulgada. Cada una de las patas tiene en sus extremos unos niveladores, compuestos por un tornillo unido a un pie circular, y éste se ajusta a una tuerca cuadrada soldada a la mesa. Base del robot: Está compuesta por un pie de amigo apoyado sobre una lámina de 2 pulg de espesor; tal elemento tiene una guía circular para alojar la estructura que sostiene tanto a la primera articulación, como a su motor y transmisión, y el motor de paso que acciona la muñeca. Primera articulación: tiene una longitud efectiva de 630 mm, y ha sido fabricada en una aleación de duraluminio; sobre ésta, va apoyada la segunda articulación y su respectivo actuador, el cual también es un motor

29 de corriente continua; bajo esta articulación se aloja la primera etapa de la transmisión que acciona la muñeca por medio de una banda sincrónica desde el motor de paso. Segunda articulación: tiene las mismas características que la articulación uno, su longitud efectiva es de 400 mm; sobre esta articulación, se desliza la tercera, la cual se acciona por medio de un cilindro neumático. Tercera articulación: consta de un cilindro neumático de doble efecto, accionado por una válvula monoestable de cinco vías (o conductos que pueden interconectarse a través del distribuidor) y dos posiciones (o conexiones diferentes obtenidas de manera estable entre las vías del distribuidor). Muñeca y pinza: La muñeca la compone el conjunto de la transmisión polea - correa, accionada por motor de paso; los movimientos de rotación de las dos primeras articulaciones no alteran la orientación de la muñeca, debido a que su accionamiento es indirecto. La pinza la componen dos mordazas y su accionamiento se hace por un cilindro neumático de doble efecto, tal y como es accionada la tercera articulación. Sistema electromecánico: Está compuesto por los motores de corriente continua para las articulaciones uno y dos, sus respectivas transmisiones, el motor de paso para la articulación cuatro y el sistema electroneumático (incluyéndose este último dentro del sistema electromecánico, por generar movimiento en las articulaciones tres y cinco). Motores: El robot consta de dos motores DC para las articulaciones uno y dos, y un motor de paso para la articulación cuatro. Transmisión armónica: su principio de funcionamiento se basa en la deformación elíptica de un engranaje planetario durante la rotación, estando en posición coaxial con los demás elementos de la transmisión. Presenta ventajas como diseño compacto, elevada precisión cinemática y el pequeño juego (backlash). Sistema eléctrico: Viene principalmente compuesto por los drives de cada una de las dos primeras articulaciones. Las características de funcionamiento se exponen en las tablas 3 y 4. Sistema de control. La arquitectura del control inicial se basó en una estrategia denominada multivariable; es decir, el movimiento de cada articulación lo gobierna un microcontrolador que recibe las referencias posicionales enviadas por un procesador central (PC), y captura las señales de retorno enviadas por los sensores del robot, para ser analizadas por el computador central. Red sensorial: permite que el sistema de control conozca la ubicación de las articulaciones del robot; para disminuir el riesgo de error en la medición hecha por cada sensor, estos se han ubicado lo más cerca posible a la acción de movimiento de cada articulación.el robot IBM 7540 cuenta en sus dos primeras articulaciones, con sensores de posición y velocidad, debido a la necesidad de garantizar un óptimo posicionamiento del efector final; las articulaciones tres y cinco cuentan únicamente con sensores

30 inductivos de posición y, adicionalmente, un sensor en la pinza para detección de pieza sujeta por esta; el motor de paso tiene un sensor que capta revoluciones completas en su eje. b. CENTRO DE MEDICIÓN POR COORDENADAS CMM El requerimiento principal para el éxito de cualquier esfuerzo de mejoramiento, es la aptitud (propiedad) y precisión del proceso de recolección de datos. Los sistemas de inspección son las herramientas básicas usadas para la recolección de datos de las características de los productos y procesos. Los objetivos primarios de un sistema de inspección son asegurar conformidad del producto a unas especificaciones dadas. Esto ayuda a tomar pasos apropiados para corregir el proceso. Las CMM son instrumentos flexibles programables, usados para colectar y reportar datos dimensionales de cualquier tipo de componente manufacturado. La estación de control de calidad es una máquina de medición por coordenadas construida como parte de un proyecto de postgrado realizado por el ingeniero Ivan Moreno. Este proyecto se llevó a cabo dentro del objetivo de crear una celda flexible de manufactura en el Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional. Figura 10. Centro de Medición por Coordenadas CMM El sistema tiene una construcción de tipo puente, en la cual el brazo se soporta en ambos extremos como un puente lo cual proporciona una apoyo rígido inherente, haciendo esta construcción más precisa que otros tipos. Cuenta con 4 grados de libertad. En la actualidad el controlador interactúa con el software M2000/TDC