Elementos de Mecatrónica. Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP

Transcripción

1 Elementos de Mecatrónica Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP jsgutierrez@up.edu.mx

2 Lineamientos Respeto al Compañero y al Profesor Participación en las Clases Trabajo en Equipo No copia y No plagios 2

3 Antes de comenzar Han programado algún tipo de microcontrolador? Alguna tarjeta embebida? Cuáles? Qué tipo de lenguajes de programación conocen? 3

4 Evaluación Proyectos de Laboratorio: 100 % Proyecto funcionando correctamente: 20% Proyecto bien terminado (cableado, buena presentación): 20% Documentación en formato IEEE: 60% 4

5 Evaluación Importante: Después de la fecha y hora de entrega del proyecto, el valor de la práctica tomará un valor del 50% Exámenes de recuperación en cada parcial Horario: Miércoles 5 a 7 pm y Viernes 4 a 6 pm Después de clase teórica se tendrá la clase práctica 5

6 Bibliografía LIBROS Introducción a la mecatrónica y los sistemas de medición David Alciatore, 3ra. Edición, McGraw-Hill Interamericana, 2008 ISBN: Mecatrónica : sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica W. Bolton; trad. Francisco J. Rodríguez Ramírez, 3ra. Edición, Alfaomega, 2006 ISBN: Mecatrónica Sabri Cetinkunt; trad. Javier León Cárdenas, 1era Edición, Grupo Editorial Patria, 2007 ISBN: ARTÍCULOS Scopus.com / ScienceDirect.com 6

7 Temas generales del curso Conceptos básicos de la mecatrónica Características principales de los transductores Sensores y sistemas de medición Actuadores y mandos Mecanismos para la automatización Control por computadora 7

8 Unidad 1: Conceptos básicos de la mecatrónica 1. Definición de mecatrónica y componentes de un sistema mecatrónico 2. Sistemas generales de medición 3. Cantidad física 4. Medición, exactitud y precisión 5. Concepto de transductor, sensor y actuador 8

9 Unidad 1: Conceptos básicos de la mecatrónica ó ó ó 9

10 Qué es la mecatrónica? Es la integración sinérgica de tres campos de ingeniería tradicional para el proceso de diseño a nivel de sistema. Ingeniería mecánica Eléctrica o electrónica Informática 10

11 Un ingeniero es aquel individuo que esta capacitado para realizar las siguientes funciones: 11

12 1. Diseñar e implementar componentes mecánicos de un producto o proceso. 12

13 2. Diseñar e implementar componentes eléctricos (actuadores, sensores) y algoritmos de control. 13

14 3. Diseñar e implementar el software de cómputo para controlar producto o proceso en tiempo real. 14

15 Componentes de un sistema mecatrónico 15

16 (a) Analogía entre un sistema de control manual (a) y uno automatizado (b). (b) 16

17 Componentes de un sistema mecatrónico 17

18 18

19 Sensores Ejemplos de Sensores: Temperatura: termopar, termistores Deformación: galga extensiométrica Luz: fotorresistencia, fotodiodos Sonido: ultrasónicos 19

20 Sensores Son dispositivos electrónicos que nos permiten interactuar con el entorno. Nos proporcionan información de ciertas variables para procesarlas y generar órdenes o activar procesos. Son los «ojos» de un sistema. Sirven para la medición de variables como la temperatura, presión, fuerza, esfuerzo, posición, velocidad, aceleración, flujo, etc. 20

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22 Actuadores Son los «músculos» de un sistema. Dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, energía eléctrica y gaseosa. Dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o «actuar» otro dispositivo mecánico. Existen tres tipos de actuadores: Hidráulicos Neumáticos Eléctricos 22

23 Neumáticos Fuente de energía: aire a presión Pistones, motores, válvulas Actuadores Hidráulicos Fuente de energía: fluido Pistones, motores, válvulas Eléctricos Fuente de energía: electricidad Motores AC, DC, pasos, servomotores Neumáticos: transforman la energía acumulada del aire comprimido en trabajo mecánico de movimiento circular o rectilíneo. Hidráulicos: obtienen su energía de un fluido a presión, generalmente algún tipo de aceite mineral. La principal ventaja es su relación potencia/peso. Eléctricos: transforman la energía eléctrica en energía mecánica rotacional. 23

24 ó 24

25 Sistemas de medición El ser humano percibe información del mundo a través de sus sentidos, pero no todos lo percibimos de la misma manera. 25

26 Sistemas de medición Nuestros sentidos son incapaces de apreciar ciertas variables físicas. 26

27 Sistemas de medición Necesidad de instrumentos de medida que suplan estas deficiencias. Temp

28 Sistemas de medición Un sistema consiste en una caja negra con una entrada y una salida. Su Entrada es la magnitud que se desea medir y su Salida es el valor correspondiente a dicha magnitud. Entrada -Temperatura -Presión -Velocidad -Luz -ph Sistema de medida Salida -Visualización -Almacenamiento 28

29 Sistemas de medición Entrada Temperatura Termómetro Salida Número en una escala Entrada Energía eléctrica Motor Salida Rotación 29

30 Sistemas de medición Están formados por tres elementos: 1. Sensor: es la cantidad que se mide, dando como salida una señal eléctrica (voltaje o corriente) relacionada con dicha medida. 2. Acondicionador: toma la señal del sensor y la manipula para convertirla a una forma adecuada para su presentación visual (amplificación, filtrado). 3. Presentación visual: (indicador análogo o digital) donde se despliega la salida producida por el acondicionador de señal. Entrada Temperatura Sensor Acondicionador de Señal Presentación visual Salida Lectura 30

31 í 31

32 Cantidad física El diseño de un sensor y un transductor siempre involucra la aplicación de alguna ley o principio de la física o la química que relaciona la variable de interés con alguna cantidad mensurable. 32

33 Efecto Doppler» donde la frecuencia recibida de una fuente de onda (sonido o luz) depende de la velocidad de la fuente. Velocímetro láser Doppler (LDV) usa la frecuencia de luz láser reflejada en las partículas suspendidas en un flujo para medir su velocidad. 33

34 Efecto Fotovoltaico» cuando la luz golpea un semiconductor en contacto con una base metálica, se produce voltaje. La operación de una celda solar se basa en este efecto. 34

35 Efecto fotoconductor» cuando la luz golpea ciertos materiales semiconductores, la resistencia del material disminuye. Fotodiodo funciona con base a este efecto. Efecto Kerr» aplicar un voltaje a través de una sustancia puede producir polarización óptica. Las pantallas de cristal líquido (LCD) funcionan como resultado de este principio. 35

36 Principio de Arquímedes»» la fuerza de flotación ejercida sobre un objeto sumergido o que flota es igual al peso del fluido desplazado. El volumen desplazado depende de la densidad del fluido. Un hidrómetro de inmersión usa este efecto para medir la densidad de un flujo (líquido de refrigeración automotriz) 36

37 4. Medición, exactitud, y precisión 37

38 Medición, exactitud, y precisión Definiciones: Medición: asignar números o símbolos para poder clasificar un algo o un fenómeno. Exactitud: grado de concordancia entre el valor medio y el valor verdadero. Precisión: cuando concuerdan dos o más mediciones de una misma cantidad. Error 38

39 Medición, exactitud, y precisión Error: es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide. Error absoluto = valor medido valor real Error relativo = valor medido valor real valor real 39

40 Medición, exactitud, y precisión Ejemplo: Las medidas de tiempo de un recorrido efectuadas por diferentes alumnos son: 3.01 s; 3.11 s; 3.20 s; 3.15 s Valor que se considera exacto: Xi = = = Errores absoluto y relativo de cada medida? Medidas Errores absolutos Errores relativos 3.01 s = s / 3.12 = (- 3.6%) 3.11 s = s / 3.12 = (- 0.3%) 3.20 s = s / 3.12 = (+ 2.6%) 3.15 s = s / 3.12 = (+ 1.0%) 40

41 41

42 Transductor, Sensor y Actuador Sensor La clasificación de los sensores es de acuerdo a la magnitud medida (sensores de temperatura, presión, humedad, proximidad, aceleración, velocidad, fuerza, etc.) La clasificación no es absoluta ya que la cantidad de magnitudes físicas que se pueden medir es muy grande. 42

43 Transductor, Sensor y Actuador Sensor Existen diversos criterios de clasificación, siendo los más importantes los siguientes: Por la señal de salida generada por el sensor (análogo, digital) Por el aporte de Energía. (pasivo y activo) Por el modo de operación (deflexión y comparación) Por la relación Entrada/Salida (orden cero, 1er. orden, 2do. orden) 43

44 Transductor, Sensor y Actuador Sensor - Señal de salida (análogo-digital) 44

45 Transductor, Sensor y Actuador Sensor - Aporte de energía PASIVO O MODULADOR Para su funcionamiento necesitan una fuente de energía externa. Sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable). 45

46 Transductor, Sensor y Actuador Sensor - Aporte de energía ACTIVO O GENERADOR No necesitan alimentación auxiliar. Convierten parte de la energía de la variable a medir en energía eléctrica para la salida del sensor. Sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos. 46

47 Transductor, Sensor y Actuador Transductor Elemento o dispositivo que tiene la misión de transformar, traducir o adaptar un tipo de variable física (por ejemplo fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro más adecuado para el sistema. 47

48 Transductor, Sensor y Actuador Transductor Convierte una magnitud física, no interpretable por el sistema, en otra variable interpretable por el sistema. Siempre se produce una transformación de energía: mecánica eléctrica 48

49 Transductor, Sensor y Actuador Diferencia sensor y transductor 49

50 Transductor, Sensor y Actuador Diferencia sensor y transductor transductor sensor 50

51 Transductor, Sensor y Actuador Actuador Elemento capaz de intervenir en el proceso que pretendemos controlar, su clasificación es según el tipo de energía empleada: Actuadores eléctricos Actuadores neumáticos Actuadores hidráulicos 51

52 Transductor, Sensor y Actuador Actuador 52

53 Proyecto de laboratorio 1 53

54 Proyecto de laboratorio 1 Objetivo: Realizar un sistema de medición de temperatura controlado por un microcontrolador, obteniendo en tiempo real los datos de la temperatura y publicados en una página HTML. Características del sistema: La temperatura del sistema se debe encontrar siempre en una temperatura óptima entre 20 y 25 C. En el caso de exceder los 25 C, entraría en operación un ventilador que regularía la temperatura al rango óptimo. En el caso de estar por debajo de los 20 C, entraría en operación un calentador que regularía la temperatura mediante el funcionamiento de un foco (60 Watts) conectado a corriente alterna (110 V). 54

55 Proyecto de laboratorio 1 Material: Microprocesador (AVR con ADC) o tarjeta embebida (Arduino) Computadora con puerto serie Cable USB-Serial Sensor de temperatura LM35 o Sensor DHT11 Ventilador de computadora Relevador (RAS-0510) Foco con socket y cableado 55

56 Proyecto de laboratorio 1 Entrega del proyecto: Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto. Viernes 12/Enero se trabajará en el laboratorio (adaptación a la forma de trabajo) y el Miércoles 17/Enero se realizará la primera entrega. Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregar la siguiente clase después de presentar el proyecto aprobado. Enviar documento en Word y código fuente del proyecto. Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta. 56

57 Proyecto de laboratorio 1 Página: robotica-up.org/mecatronica En esta página se estarán guardando las presentaciones de cada una de las clases así como los proyectos de laboratorio y se tendrá acceso a documentación y código exclusivo para la clase. *Se sustituye Moodle por la página. 57

58 Proyecto de laboratorio 1 Herramientas necesarias Instalar Visual Basic Instalar ADE Arduino Entrar al sitio robotica-up.org/mecatronica En la sección Laboratorio, utilizar los archivos Leer TXT en HTML Conexión Serial Arduino VB 58

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