1.1 Desarrollo historico de la mecatrónica

La "Mecatrónica" nace a causa de la revolución industrial, que tuvo como consecuencia la creación de maquinas para el aumento en la calidad y cantidad de productos de uso o consumo masivo, luego a mediados de los años cuarenta del siglo pasado la llamada así segunda revolución industrial que tuvo como característica relevante la creación del transistor semiconductor y la miniaturización de los componentes electrónicos acoplados a circuitos integrados, dio origen al computador digital, este invento cambio totalmente el pensamiento de la sociedad y de la industria. En medio de estas dos épocas, los países que emplearon pero especialmente produjeron estas nuevas tecnologías se pusieron a la cabeza o a la vanguardia de la sociedad.





       Pero el termino como tal fue acuñado en Japón a principios de los años ochenta y comenzó a ser usado en Europa y USA un poco después, hoy en día la Mecatrónica es un termino que une distintas tecnologías: mecánica, electrónica, programación de computadores, etc., todo esto para crear un nuevo ambiente de trabajo.


       La Mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la ingeniería, entre las que destacan: la mecánica de precisión, la electrónica, la informática y los sistemas de control. su principal propósito es el análisis y el producto de productos de procesos de manufactura automatizados.


   


El termino Mecatrónica fue introducido por primera vez en 1969 por el Ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yaskawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una maquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporo otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática.


      La definición de Mecatrónica propuesta por J. A. Rietdijk: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos.

1.2 Panorama general de la carrera Ingenieria en Mecatrónica

La necesidad de crear procesos de manufactura, bienes de capital y productos cada vez más especializados en el área industrial, así como la creación de productos y sistemas mecánicos de uso cotidiano, ha llevado al hombre a trabajar en forma multidisciplinaria para  la creación de dichas tecnologías. La integración cada vez más creciente de los sistemas diseñados y creados con la mecánica y la electrónica han llevado a la fusión de estas disciplinas formándose una nueva llamada Mecatrónica.


  Esta representa la nueva generación de tecnología, necesaria para realizar el trabajo en una gran variedad de ambientes automáticos, principalmente en fábricas, oficinas y hogares.




   Actualmente se reconoce que el futuro en la innovación tecnológica vendrá con la optimización de la unión entre los sistemas electrónicos y los sistemas mecánicos. Esta unión es ya un hecho en algunas aplicaciones de manufactura avanzada, sistemas de producción y el diseño de productos.
                                                                                                                                                                                                 

   El campo laboral de los ingenieros en mecatrónica  está compuesto no sólo por aquellas industrias en donde se utiliza el control, la automatización, la robótica y el diseño de máquinas, sino también por aquellas donde se realiza el diseño de productos. Se requieren expertos en mecatrónica cuyos conocimientos les permitan dominar el proceso completo de diseño de productos y procesos, respondiendo así a las necesidades de la nación y la industria.

1.3 Perfil y campo de desarrollo de la mecatrónica

       El mecatrónico es un líder de proyectos de diseño, construcción e implantación de nuevos productos o procesos inteligentes que requieran de conocimientos de mecánica de precisión, instrumentación electrónica, ingeniería de control y diseño computarizado aplicado principalmente a la manufactura, servicios y enseres.

     Su mayor cualidad es saber conocer y aplicar la combinación perfecta de las diferentes tecnologías para crear nuevos productos inteligentes y liderar equipos de proyectos conformados por diferentes tipos de ingenieros, aprovechando las ventajas de conocimientos especializados de cada uno de ellos para realizar complejos sistemas que un sólo tipo de ingenieros no podrían hacer, pues se tiene el conocimiento clave de cómo integrar cada uno de ellos.

    Este ingeniero puede trabajar en diversas áreas dentro de la industria. El IMT trabajará en industrias donde se emplee alta tecnología de manufactura, tal es el caso de las compañías manufactureras de productos electrónicos, de ensamble y de diseño automotriz; y ,en general,  toda la industria que haga uso o diseñe equipos mecánicos de alta precisión en el que se integre el uso de nuevas tecnologías de control automático.


                                 

     También puede trabajar en empresas donde se requiere optimizar el proceso de producción mediante el uso de tecnologías avanzadas , o en áreas de diseños de productos donde se requiere de integración de tecnologías de automatización, robótica, electrónica y mecánica. El mercado de trabajo de quienes cursen esta especialidad incluye centros de diseño, así como empresas que requieran de los servicios de un ingeniero especializado en el uso de sistemas mecánicos controlados por sistemas de control avanzados (como por computadoras).


  Existe un número importante de empresas basadas en equipos mecatrónicos que requieren de individuos con esta especialidad para marcha de plantas, ajuste de equipos, programas de desarrollo de nuevos productos, automatización de plantas y procesos etc. El campo de trabajo actual y potencial del ingeniero mecatrónico es muy amplio, ya que va desde la automatización de operaciones en microempresas hasta la completa automatización y control de líneas de producción  en grandes empresas, desde el diseño de productos sencillos de uso cotidiano hasta el diseño de sofisticados equipos con tecnología de punta.


  El ingeniero mecatrónico trabaja en ámbitos relacionados con la mecánica de precisión, los sistemas de control electrónicos y los sistemas de información computarizados, tanto en el sector público como como en el privado, de producción y de servicios, diseñando, controlando e implantando dichos sistemas. Otras áreas laborales se ubican en las industrias manufacturera, petrolera, de generación de energía eléctrica, minera siderúrgica, agroindustrial, de alimentación y salud, así como en los servicios de transporte. También es posible el ejercicio independiente de la profesión; la formación de su propia empresa; el trabajo en centros de investigación y en instituciones de educación superior.


  Es importante señalar que las posibilidades de contratación de los egresados están en función de la necesidad de crecimiento y de modernización de la industria y los servicios, ya que son precisamente los ingenieros mecatrónicos los promotores y actores principales de esta modernización.

  

1.4 Conceptos de ciencia e ingenieria

La ingeniería está en constante proceso de evolución, el hombre según sus necesidades actúa en busca de las posibles soluciones y es ahí donde se optimiza la técnica.


   La ciencia aporta el entendimiento de lo naturalmente explicito, especialmente aporta la explicación de los eventos físicos y, en algunos casos, lo relacionado con otras áreas de la ingeniería, con este conocimiento, el cual ha evolucionado desde su nacimiento hasta el día de hoy, se inicia el camino de lo comprensible y se buscan salidas a cada una de las situaciones que sortean la realidad. Lo tecnológico hace su aporte con la aplicación práctica de procesos o elementos que se encuentran disponibles para llevar a cabo la satisfacción a esa necesidad generada.





 
    La ingeniería en si misma ha generado nuevo conocimiento a través del estudio de sus propias aplicaciones, especialmente en la optimización de procesos que cada día requieren mayores eficiencias y menores costos de inversión, la ciencia por su parte, siempre ha formado parte y seguirá siendo parte de la formación profesional del perfil de un ingeniero, con la enseñanza  básica de los conceptos espaciales, físicos, matemáticos, analíticos, y sociales; la tecnología por su parte en el mundo de la ingeniería se observa como factor de actualización en la implementación de los campos de trabajo, haciendo de los avances un aporte en la implementación de nuevos sistemas que se integran a los existentes con el propósito de reducir y simplificar el trabajo habitual.


  El desarrollo de la misma ingeniería ha traído consigo una serie de adelantos que ha permitido crear nuevos campos de aplicación y principalmente interactuar con otras áreas del conocimiento y otras profesionales, como el caso de la ingeniería electrónica en la automatización de procesos, monitoreo y control de sistemas, que han colaborado en la reducción de errores humanos y la dispendiosa labor de organizar todo un personal, además ayuda con el almacenamiento de información para su posterior análisis y procesamiento.
 

2.1 Sensores y transductores

Los llamados transductores permiten la transformación de un tipo de energía en otra por si mismos, a diferencia de los sensores que generan tal energía por si mismos.


Por su parte lo sensores detectan un amplio rango de magnitudes físicas que posteriormente son procesadas en circuitos de control para ser transformadas en cambios eléctricos que alteran el funcionamiento de un sistema según la función deseada. Así los transductores generan algún tipo de energía y los sensores la aprovechan para reaccionar ante el ambiente externo. Algunos términos utilizados para definir el funcionamiento de un sensor o transductor son:






   -Rango o margen de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
   -Error: la diferencia entre el resultado de una medición y el valor esperado.
   -Precisión o exactitud: es el error de medida máximo esperado.
   -Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
   -Linealidad o correlación lineal
   -Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada.


Los sensores son instrumentos que producen una señal que refleja el valor de una propiedad mediante alguna correlación definida.

 En términos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad sensada. Por ejemplo, un sensor de temperatura seria un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa medida, es decir, en concreto, sería un instrumento de masa cero o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura.



  Los sensores de distancia y transductores de distancia, están pensados para realizar la medida de distancia lineal o desplazamiento lineal de una forma automatizada, ya que proporcionan una señal eléctrica según la variación física, en este caso la variación física es la distancia.

2.4 Modelado de sistemas básicos

Modelos matemáticos

Para estudiar el comportamiento de los sistemas se utilizan modelos matemáticos, que se representan por ecuaciones, las cuales describen las relaciones entre la entrada y salida de un sistema, y que también se aprovechan para predecir el comportamiento de un sistema en condiciones especificas. Las bases de estos modelos se obtienen de leyes físicas fundamentales que rigen el comportamiento de un sistema. 

Elementos básicos de sistemas mecánicos

Los elementos básicos que se utilizan para representar sistemas mecánicos son los resortes, amortiguadores y masas. Los resortes representan la rigidez del sistema; los amortiguadores, las fuerzas que se oponen al movimiento, es decir, los efectos de fricción, y las masas, la inercia o resistencia de la aceleración.

La rigidez de un resorte se describe por la relación entra la fuerza (f), que se usa para extender o comprimir dicho resorte y la extensión o compresión (x) resultante. Un resorte lineal se describe como: 

F=kx

El elemento básico amortiguador representa el tipo de fuerzas que se originan cuando se intenta empujar un objeto a través de un fluido, o al desplazar un objeto en contra de fuerzas de fricción. El amortiguador se representa por un pistón que se mueve en un cilindro cerrado. Para que el pistón se mueva es necesario que el fluido de uno de los lados del pistón fluya a través, o hacia delante, de este. Esto produce una fuerza resistiva. En el caso ideal, la fuerza de amortiguamiento o resistiva (f) es proporcional a la de amortiguamiento o resistiva. En el caso ideal, la fuerza de amortiguamiento o resistiva (f) es proporcional a la velocidad (v) con la que se mueve el pistón, es decir: 

F=cv          donde "c" es constante

El elemento básico masa tiene la propiedad de que cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza necesaria para acelerarla. La relación entre la fuerza (f) y la aceleración (a) es F=ma (segunda ley de Newton), donde la constante de proporcionalidad entre la fuerza y la aceleración es la constante denominada masa (m). Tenemos que:

F=ma = m dv/dt = m d²x/dt²

Sistemas rotacionales

Los elementos básicos en los sistemas rotacionales son el resorte de torsión, el amortiguador giratorio y el momento de inercia, es decir, la inercia de una masa con movimiento giratorio.

Con un resorte de torsión, el desplazamiento angular (θ) es proporcional al toque (T), por lo tanto:

                          

T= k θ

En el amortiguador giratorio un disco gira dentro de un fluido y el toque resisitivo (T) es proporcional a la velocidad angular (w), y dado que la velocidad angular es igual a la razón de cambio del ángulo, es decir,    d θ l dt.

                     

T=wc=  c dθ/dt

El elemento básico momento de inercia tiene la propiedad de mientras mas grande sea el momento de inercia (I), mayor será el tanque requerido para producir una aceleración angular, (a):

             

T= Ia

Tomando en cuenta que la aceleración angular es igual a la razón de cambio de la velocidad angular, es decir dw/dt y la velocidad angular es igual a la razón de cambio del desplazamiento angular, entonces:

     

T= I dw/dt = I d(dθdt)/dt = I d²θ/dt² 

Elementos básicos de sistemas eléctricos

Los elementos básicos de los sistemas eléctricos son los inductores, capacitores y resistencias. En un inductor la diferencia de potencial (v) presente en todo momento depende de la razón de cambio de la corriente (di/dt) que pasa por él es decir:

                               

 v= L di/dt

donde (L) es la inductancia.

En un capacitador, la diferencia de potencial depende de la carga (q), de las placas del capacitor en determinado momento

                        

v= q/C

donde (C) es la capacitancia.

Dado que v=q/C, entonces:

        dv/dt = I/C dq/dt = I/C i

En una resistencia, la diferencia de potencial (v), en un instante dado dependerá de la corriente (i), que circule por ella, es decir:

                     

v= Ri

donde (R) es la resistencia.

La potencia (P) que disipa una resistencia cuando tiene una diferencia de potencial (v) es:

                           

P= iv = v²/R

Elementos básicos en sistemas fluidos

En los sistemas de fluidos hay tres elementos básicos que se pueden considerar los equivalentes de la resistencia eléctrica, la capacitancia y la inductancia. Se puede considerar que los sistemas de fluidos pertenecen a dos categorías: hidráulicos, donde el fluido es un liquido no compresible; y neumáticos los cuales contienen gases compresible que, por lo tanto, experimentan cambios de densidad.

La resistencia hidráulica es la que se presenta un liquido cuando fluye a través de una valvula o debido a los cambios en el diámetro de la tubería. La relación entre el gasto volumétrico de un liquido (q), que pasa por un elemento de resistencia, y la diferencia de presión resultante, (p₁ – p₂) es:

                                      

p₁ – p₂ = Ra

donde (R) es una constante denominada resistencia hidráulica.

Capacitancia hidráulica es el termino que describe la energía almacenada en un liquido cuando éste se almacena en forma de energía potencial, es decir, lo que se conoce como carga de agua.

                                  

q₁ – q₂ = dV/dt

La inercia hidráulica es el equivalente de la inductancia en un sistema eléctrico o de un resorte en los sistemas mecánicos. Por acelerar un fluido y así aumentar su velocidad, se requiere una fuerza. Considere un bloque de masa liquida (m). La fuerza neta que actúa sobre el liquido es:  

           

F₁ – F₂ = p₁A – p₂A = (p₁ – p₂) A

Después de una serie de conversiones llegamos a la ecuación final:

                          

I = Lp/A

donde (I) representa la inercia hidráulica.