MECATRÓNICA CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

MECATRÓNICA

CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

MECATRÓNICA

CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

FERNANDO REYES CORTÉS

JAIME CID MONJARAZ

EMILIO VARGAS SOTO

Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.

Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, marzo de 2013

Primera edición: MARCOMBO, S.A. 2014

© 2014 MARCOMBO, S.A.

www.marcombo.com

«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra».

ISBN: 978-84-267-2082-5 D.L.: B-20396-2013 Impreso en

Printed in Spain

Acerca de los autores

Dr. Jos´e Fernando Reyes Cort´es. Investigador titular C de la Facultad de Ciencias de la Electr´onica en la Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla. Licenciado en Electr´onica (1984 FCFM-BUAP), Maestr´ıa en Ciencias (1990 INAOE), Doctorado en Ciencias (1997 CICESE). Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1993 a la fecha, con vigencia actual al 31 de diciembre de 2016 (SNI nivel I). Autor de m´ultiples art´ıculos cient´ıficos nacionales e internacionales, ha titulado a m´as de 100 alumnos.

Dr. Jaime Cid Monjaraz.Profesor investigador titular C de la VIEP de la Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla. Egresado de la Licenciatura en Electr´onica en la Facultad de Ciencias F´ısico Matem´aticas-BUAP, Maestr´ıa en Control Autom´atico en el ITP y Doctorado en Ingenier´ıa Mecatr´onica en la UPAEP. Desde 1981 a la fecha es profesor en la BUAP de cursos de matem´aticas, computaci´on, electr´onica, rob´otica y control. Autor de varias publicaciones cient´ıficas nacionales e internacionales.

Dr. Emilio Vargas Soto. Es considerado un experto en Ingenier´ıa Mecatr´onica. Ha colaborado en proyectos industriales de desarrollo tecnol´ogico en M´exico, Espa˜na y Jap´on. Fundador de la Asociaci´on Mexicana de Mecatr´onica A.C. Doctor en Inform´atica y Autom´atica. La Universidad de Tokio le otorg´o el “Postdoctoral Degree ” por sus investigaciones en sistemas de tele-presencia y robots caminantes. Cuenta con 22 a˜nos de experiencia docente en diferentes Universidades.

Por darme la vida, por todo lo que le aprend´ı y la formaci´on que en m´ı desarroll´o, dedico este libro a la memoria de Alicia Cort´es Castillo (

^R.I.P.

).

Por todo su apoyo, paciencia y comprensi´on en todos los momentos lo dedico a mi esposa Silvia y mis hijos Luis Fernando y Leonardo.

A mi Alma Mater, la Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla.

Jaime Cid Monjaraz

Mi m´as profundo agradecimiento y amor a mis hijas Italia, Grecia y a mi esposa Galia que son el principal motivo de mi felicidad, adem´as de su comprensi´on y apoyo incondicional por todo el tiempo que les quit´e. A toda mi familia cuya existencia es el acto m´as justo y hermoso. A mis maestros de manera especial al Ing. Luis Rivera Terrazas cuya influencia fue decisiva en mi vida. Por supuesto a mis colegas del CUVyTT-VIEP, a mis amigos y estudiantes de la BUAP que nada de este trabajo ser´ıa realidad sin su apoyo.

Emilio Vargas Soto

Agradezco a mis padres por darme la vida y ser un ejemplo de inspiraci´on. A mis amigos, colegas

y estudiantes su paciencia para esperar este libro que finalmente est´a en sus manos, de alguna

forma todos ustedes me impulsan en lograr mi proyecto de vida: trascender logrando beneficios en la

sociedad.

Mensaje del Editor

Una de las convicciones fundamentales de Alfaomega Grupo Editor es que los conocimientos son esenciales en el desempe˜no profesional, ya que sin ellos es imposible adquirir las habilidades para competir laboralmente.

El avance de la ciencia y la tecnolog´ıa hace necesario tener al d´ıa continuamente esos conocimientos, y de acuerdo con esto Alfaomega Grupo Editor publica obras actualizadas, con alto rigor cient´ıfico y t´ecnico, y escritas por los especialistas del ´area respectiva m´as destacados.

Consiente del alto nivel competitivo que debe de adquirir el estudiante durante su formaci´on profesional, Alfaomega Grupo Editor aporta un fondo editorial que se destaca por sus caracter´ısticas pedag´ogicas que coadyuvan a desarrollar las competencias requeridas en cada profesi´on espec´ıfica.

De acuerdo con esta misi´on, con el fin de facilitar la comprensi´on y apropiaci´on del contenido de esta obra, cada cap´ıtulo inicia con el planteamiento de las competencias particulares que se deben de adquirir y con una introducci´on en la que se plantean los antecedentes y una descripci´on de la estructura l´ogica de los temas expuestos, asimismo a lo largo de la exposici´on se presentan ejemplos desarrollados con todo detalle y cada cap´ıtulo concluye con un resumen, una bibliograf´ıa espec´ıfica y una serie de ejercicios propuestos.

Adem´as de la estructura pedag´ogica con que est´an dise˜nados nuestros libros, Alfaomega Grupo Editor hace uso de las Tecnolog´ıas de la Informaci´on y las Comunicaciones (TIC) para facilitar el aprendizaje.

Correspondiente a este concepto de edici´on, esta obra cuenta con una p´agina Web espec´ıfica en donde se encuentran mapas conceptuales, c´odigo fuente, cap´ıtulos adicionales, lecturas adicionales, videos, hojas de especificaciones, soluci´on a problemas propuestos seleccionados y presentaciones en diapositivas.

Los libros de Alfaomega Grupo Editor est´an dise˜nados para ser utilizados en los procesos de ense˜nanza- aprendizaje, y pueden ser usados como textos en diversos cursos o como apoyo para reforzar el desarrollo profesional, de esta forma Alfaomega Grupo Editor espera contribuir a la formaci´on y al desarrollo de profesionales exitosos para beneficio de la sociedad, y espera ser su compa˜nera profesional en este viaje de por vida por el mundo del conocimiento.

Contenido

Plataforma de contenidos interactivos XXI

P´agina Web del libro XXII

Pr´ologo XXVII

Cap´ıtulo 1

Mecatr´onica 1

1.1 Introducci´on 3

1.2 Origen de la mecatr´onica 5

1.2.1 ¿Qu´e es mecatr´onica? 9

Mecatr´onica como ´area de investigaci´on (Recurso Web: archivos PDF) 11

1.2.2 Elementos fundamentales de la mecatr´onica 12

1.3 Sistemas mecatr´onicos 16

1.3.1 El autom´ovil como un sistema mecatr´onico 19

1.3.2 Aparatos electrodom´esticos como sistemas mecatr´onicos 24

Aplicaciones de mecatr´onica (Recurso Web: archivos PDF) 25

1.4 Sensores y transductores 26

Sensores y transductores (Recurso Web: archivos PDF) 28

Aplicaciones de sensores y transductores (Recurso Web: archivos PDF) 28

1.5 Actuadores 29

Actuadores (Recurso Web: archivos PDF) 29

1.6 Sistemas de control 30

Aplicaciones de sistemas de control (Recurso Web: archivos PDF y videos) 32

Sistemas de control (Recurso Web: archivos PDF) 32

1.7 Sistemas neum´aticos 32

Neum´atica (Recurso Web: archivos PDF) 33

1.8 Sistemas hidr´aulicos 34

Hidr´aulica (Recurso Web: archivos PDF) 34

1.9 Electr´onica e inform´atica 35

Electr´onica e inform´atica (Recurso Web: archivos PDF) 36

Aplicaciones de electr´onica e inform´atica (Recurso Web: archivos PDF y videos) 36

1.10 Resumen 37

1.11 Referencias selectas 38

1.12 Problemas propuestos 40

Cap´ıtulo 2

Matlab para mecatr´onica 41

2.1 Introducci´on 43

2.2 Programaci´on en MATLAB 44

2.2.1 Variables 45

2.2.2 N´umeros 46

2.2.3 Operadores 49

2.2.4 Matrices 53

2.2.5 Arreglos 58

Contenido xi

2.2.6 Funciones importantes para matrices y arreglos 61

2.2.7 Gr´aficas 62

2.2.8 Funciones 68

2.2.9 Funciones archivo 69

2.2.10 Instrucciones de control de flujo 74

2.2.11 Instrucciones condicionales 84

Simulink (Recurso Web: archivos PDF) 95

Guide (Recurso Web: archivos PDF) 95

2.3 Resumen 95

2.4 Referencias selectas 96

2.5 Problemas propuestos 97

Cap´ıtulo 3

Sensores y transductores 99

3.1 Introducci´on 101

3.1.1 Clasificaci´on de sensores 103

3.1.2 Caracter´ısticas de los sensores 104

3.2 Sensores de temperatura 106

3.2.1 Termopares 106

Arduino (Recurso Web: archivos PDF) 116

Electr´onica en arquitectura abierta (Recurso Web: archivos PDF) 122

3.2.2 Termistor 123

3.2.3 Dispositivo t´ermico resistivo 124

3.3 Sensores de posici´on 126

126 3.3.1 Resolvers

3.3.2 Potenci´ometros 127

3.3.3 Encoders 129

3.3.4 Encoder Absoluto 132

3.3.5 Encoder magn´etico 133

3.4 Sensores de prop´osito general 134

3.4.1 Sensores de fuerza/par 134

3.4.2 Sensores generales 137

3.5 Resumen 141

3.6 Referencias selectas 143

3.7 Problemas propuestos 144

Cap´ıtulo 4

Actuadores el´ectricos 147

4.1 Introducci´on 149

4.2 Funcionamiento b´asico de los motores el´ectricos 150

4.3 Servomotores 155

4.3.1 Motor el´ectrico 156

4.3.2 Servoamplificador 157

4.3.3 Modos de operaci´on del servomotor 158

4.3.4 Servomotores de transmisi´on directa 160

4.3.5 Aspectos pr´acticos del servomotor de transmisi´on directa 166

4.3.6 Regiones de operaci´on del servoamplificador 169

4.3.7 Diagrama a bloques de control para sistemas mecatr´onicos 172

Transmisi´on directa (Recurso Web: archivos PDF) 175

Actuadores neum´aticos e hidr´aulicos (Recurso Web: archivos PDF) 175

Contenido xiii

4.4 Motores a pasos 177

4.4.1 Motores a pasos unipolares 181

4.4.2 Motores a pasos bipolares 187

4.4.3 Terminolog´ıa t´ecnica de motores a pasos 189

Control de un motor a pasos bipolar (Recurso Web: archivos PDF) 189 Arduino para control de motores a pasos (Recurso Web: archivos PDF) 189

4.5 Resumen 190

4.6 Referencias selectas 191

4.7 Problemas propuestos 192

Cap´ıtulo 5

Instrumentaci´on electr´onica 195

5.1 Introducci´on 197

5.2 Amplificadores operacionales 199

5.2.1 Amplificador inversor 202

5.2.2 Amplificador sumador inversor 208

5.2.3 Amplificador no inversor 210

5.2.4 Integrador 211

5.2.5 Diferenciador 213

5.2.6 Amplificador diferencial 214

5.2.7 Amplificador de instrumentaci´on 215

5.2.8 Filtro pasa bajas 217

Amplificadores operacionales (Recurso Web: archivos PDF) 218

5.3 Sistema Arduino para instrumentaci´on electr´onica 219

220 5.3.1 Modelos de tarjetas Arduino

5.3.2 Plataforma electr´onica de las tarjetas Arduino 222

5.3.3 Entorno de desarrollo Arduino 228

5.3.4 Programaci´on Arduino 234

5.3.5 Instrucciones condicionales 244

5.3.6 for( ; ; ){...} 246

5.3.7 Instrucci´on while(){...} 247

5.3.8 Instrucci´on do{...}while() 248

5.3.9 Funciones Arduino 248

5.4 Comunicaci´on USB del sistema Arduino y M^ATLAB 255

5.4.1 Configuraci´on en MATLAB 256

5.4.2 Configuraci´on con Simulink 258

5.5 Resumen 262

5.6 Referencias selectas 263

5.7 Problemas propuestos 263

Cap´ıtulo 6

Din´amica 267

6.1 Introducci´on 269

6.2 Simulaci´on del modelo din´amico con M^ATLAB 270

6.2.1 Sistema lineal escalar 270

6.2.2 Sistema lineal vectorial 273

6.2.3 Sistemas din´amicos no lineales 276

6.3 Modelo din´amico de sistemas mec´anicos 281

6.3.1 Cinem´atica 282

6.3.2 Cinem´atica diferencial 282

Contenido xv

6.3.3 Modelo de energ´ıa 283

6.3.4 Ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange 283

6.3.5 Algoritmo para la obtenci´on del modelo din´amico 284

6.4 Sistema masa resorte amortiguador 285

6.4.1 Sistema masa resorte amortiguador vertical 290

Sistema masa resorte amortiguador (Recurso Web: archivos PDF, Simuladores) 295 Simulaci´on de sistemas mec´anicos (Recurso Web: c´odigo fuente en PDF) 295

6.5 Centr´ıfuga 296

6.6 P´endulo 302

6.7 Robot de 2 grados de libertad 309

Videos de p´endulos 318

Dise˜no de sistemas mecatr´onicos (Recurso Web: archivos PDF) 318

Videos de robots de transmisi´on directa 318

6.7.1 Modelo din´amico de un robot manipulador de n gdl 319

6.8 Resumen 320

6.9 Referencias selectas 321

6.10 Problemas propuestos 321

Cap´ıtulo 7

Control cl´asico 325

7.1 Introducci´on 327

7.2 Funciones de transferencia 331

7.3 Diagrama de bloques 333

7.3.1 Sistema en lazo cerrado con retroalimentaci´on unitaria 333

7.3.2 Sistema con bloque G1(s) en el lazo de retroalimentaci´on 335

7.3.3 Sistema en configuraci´on paralelo 337

7.3.4 Sistema en cascada o en serie 338

7.3.5 Programaci´on MATLABpara diagramas de bloques 338

7.4 Polos y ceros 344

7.5 Gr´aficas de Bode 352

Ejemplos pr´acticos con Bode (Recurso Web: simuladores y c´odigo fuente PDF) 356

7.6 Gr´aficas de Nyquist 372

7.7 Interfaces gr´aficas de usuario para sistemas lineales 375

7.7.1 LTI Viewer 375

7.7.2 Sisotool 377

7.8 Resumen 378

7.9 Referencias selectas 380

7.10 Problemas propuestos 380

Cap´ıtulo 8

An´alisis de sistemas con variables de estado 385

8.1 Introducci´on 387

8.2 Representaci´on de sistemas en variables de estados 389

Laplace: teor´ıa y pr´actica (Recurso Web: archivos PDF) 392

8.2.1 Forma general de variables fase 396

8.2.2 Variables can´onicas del modelo de espacio de estados 396

8.2.3 Forma can´onica diagonal 400

8.2.4 Representaci´on de Jordan 401

Contenido xvii

8.3 An´alisis en el dominio del tiempo 403

8.3.1 Caso escalar 404

8.3.2 Simulaci´on MATLABpara sistemas lineales con entrada escal´on 412 8.3.3 Simulaci´on MATLABpara sistemas lineales con entrada rampa 420 8.3.4 Simulaci´on M^ATLABpara sistemas lineales con entrada impulso 421

8.3.5 Sistemas de segundo orden 426

8.3.6 Respuesta a un escal´on 426

8.3.7 Especificaciones de la respuesta temporal 431

8.4 Controlabilidad y observabilidad 437

8.4.1 Controlabilidad 438

8.4.2 Observabilidad 444

8.5 Funciones M^ATLABpara espacio de estados 448

8.5.1 Interconexi´on entre espacio de estados y funciones de transferencia 455

8.6 Resumen 466

8.7 Referencias selectas 467

8.8 Problemas propuestos 467

Cap´ıtulo 9

Sistemas discretos 471

9.1 Introducci´on 473

9.2 Sistemas discretos 474

9.2.1 Muestreo 475

9.2.2 Retenedor y muestreador de orden cero 476

9.3 Modelo de espacio de estados en tiempo discreto 484

9.3.1 Funciones M^ATLABpara sistemas discretos 488 9.3.2 Versi´on recursiva del modelo de espacio de estados discreto 505

9.3.3 Conversi´on de sistemas discretos a sistemas continuos 506

9.3.4 Observabilidad 506

9.3.5 Controlabilidad 507

9.3.6 Transformada Z 509

Ejemplos con transformada Z (Recurso Web: archivos PDF) 510

9.4 Funci´on de transferencia discreta G(z) 511

9.4.1 Relaci´on entre las funciones de transferencia pulso G(q) y G(z) 512

9.4.2 Polos y ceros discretos 516

9.5 M´etodos de aproximaci´on de sistemas discretos 517

9.6 Resumen 520

9.7 Referencias selectas 521

9.8 Problemas propuestos 521

Cap´ıtulo 10

Control por variables de estado 525

10.1 Introducci´on 527

10.2 Control proporcional-derivativo PD 528

10.2.1 Aspectos pr´acticos y cualitativo del control PD 530

10.2.2 Sintonizaci´on de las ganancias 536

10.2.3 Control PD de un robot de 2 gdl 547

Simulaci´on del regulador PD (Recurso Web: c´odigo fuente PDF) 555

Videos experimentales del PD 555

Herramienta de MATLABpidtool (Recurso Web: c´odigo fuente PDF) 555

Contenido xix

Simulaci´on con servomecanismos (Recurso Web: c´odigo fuente PDF) 555

10.3 Control proporcional integral derivativo PID 556

10.3.1 Control PID de un robot de 2 gdl 558

10.4 Control punto a punto 563

10.5 Resumen 570

10.6 Referencias selectas 571

10.7 Problemas propuestos 571

Cap´ıtulo 11

MEMS (recurso : cap´ıtulo adicional) 573

11.1 Introducci´on

11.2 Principios de MEMS 11.3 Importancia de los MEMS 11.4 Microtransducci´on

11.5 Tecnolog´ıas de micromaquinado 11.6 BioMEMS

11.7 Motor Combo con MEMS 11.8 Resumen

11.9 Referencias Selectas 11.10 Problemas propuestos

Cap´ıtulo 12

Administraci´on de proyectos (recurso : cap´ıtulo adicional) 575

12.1 Trato al cliente

12.2 M´etodos de diagn´ostico tecnol´ogico 12.3 Estimaci´on de propuestas

12.4 Gesti´on del proyecto 12.5 Metodolog´ıa de desarrollo 12.6 T´ecnicas de entrega y liberaci´on 12.7 Servicio posventa

12.8 Resumen

12.9 Referencias Selectas 12.10 Problemas propuestos

´Indice anal´ıtico 577

Plataforma de contenidos interactivos

Para tener acceso al material de la plataforma de contenidos interactivos de Mecatr´onica. Control y automatizaci´on, siga los siguientes pasos:

1) Ir a la p´agina

2) Registrarse como usuario del sitio.

3) Ingresar al apartado de inscripci´on de libros, o bien identificar este libro en el cat´alogo, y registrar la siguiente clave de acceso.

4) Para navegar en la plataforma ingrese los nombres de Usuario y Contrase˜nadefinidos en el punto dos.

http://libroweb.alfaomega.com.mx

La p´agina Web de la presente obra contiene los siguientes recursos:

Videos experimentales

Videos experimentales con prototipos cient´ıficos se encuentran disponibles en el sitio Web del libro para mostrar aspectos cualitativos de diversos algoritmos de control y desempe˜no.

Videos de prototipos cient´ıficos desarrollados en el laboratorio de Rob´otica de la Facultad de Ciencias de la Electr´onica de la Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla y que en general son la implementaci´on de la teor´ıa de automatizaci´on aplicada a la ingenier´ıa mecatr´onica.

Simuladores

Como un paso previo a la etapa experimental, se encuentra el estudio y an´alisis de sistemas din´amicos y algoritmos de control a trav´es de simuladores de servomecanismos de ingenier´ıa mecatr´onica.

C´odigo fuente

Se incluyen m´as de 100 programas desarrollados en c´odigo fuente MATLAB versi´on 2012a relacionados con instrumentaci´on, sistemas din´amicos lineales y no lineales, robots manipuladores, servomecanismos, algoritmos de control, diagramas fase, control cl´asico, sistemas discretos, etc.

Lecturas complementarias

Adicional a los 12 cap´ıtulos que integran la obra, tambi´en se incluyen en el sitio Web del libro diversos temas relacionados con la ingenier´ıa mecatr´onica y sus aplicaciones.

P´agina Web del libro xxiii

Respuesta y desarrollo de problemas seleccionados

Para el estudiante se encuentra en la p´agina Web la soluci´on de una selecci´on de ejercicios planteados en los cap´ıtulos del libro. En la soluci´on de dichos ejercicios se detallada los pasos te´oricos y su implicaciones pr´acticas.

La soluci´on de todos los problemas propuestos de esta obra se pueden consultar en:

Fernando Reyes y Jaime Cid. “Mecatr´onica. Control y Automatizaci´on. Problemas resueltos”.

Alfaomega Grupo Editor, 2013.

Recursos Web y notas al margen

Recursos Web del libro

Los recursos Web que incluye esta obra son:

Archivos PDF’s con c´odigo fuente.

Cap´ıtulos adicionales en archivos PDF’s.

Lecturas adicionales en archivos PDF’s.

Videos experimentales o descriptivos.

Hojas de especificaciones.

Soluci´on de problemas propuestos seleccionados.

Para acceder a los recursos Web del libro:

Identificar la obra del cat´alogo, bajar la informaci´on complementaria y adicional del cap´ıtulo.

Notas al margen

Notas al margen son representadas por una caja o recuadro con una tachuela pegada en su esquina superior izquierda proporcionando informaci´on b´asica te´orica o pr´actica sobre alg´un concepto o definici´on que se trate en la exposici´on central del tema.

http://libroweb.alfaomega.com.mx

Recursos para el profesor

La obra contiene material de apoyo para el profesor como:

Soluci´on de una selecci´on amplia de problemas propuestos en el libro.

Apoyo de material did´actico a trav´es de diapositivas de cada cap´ıtulo para exposici´on en clase.

Simbolog´ıa e iconograf´ıa utilizada

Con el fin de que el lector identifique f´acilmente la descripci´on de instrucciones o comandos de programaci´on que se presentan en el libro se utiliza la siguiente simbolog´ıa:

fplot(’function’,limits,line)

Ejemplos

Los ejemplos ilustrativos que se encuentran resueltos en la obra est´an clasificados con respecto a su grado de complejidad en tres formas posibles: simple o b´asico, regular y complejo.

1.1.♣ Ejemplo 1.1

Los ejemplos simples se encuentran identificados por un s´ımbolo ♣, complejidad regular por ♣♣ y complejos por ♣♣♣. Tambi´en incluyen un n´umero de referencia que lo identifica al cap´ıtulo donde fue definido. El enunciado de los ejemplos se encuentra en un recuadro con fondo gris; tambi´en se indica el recuadro de soluci´on y la terminaci´on del ejemplo por 3 cuadros posicionados a la derecha del margen.

Soluci´on

Se plantea la soluci´on del ejemplo y se finaliza el desarrollo del mismo con una serie de 3 cuadros peque˜nos posicionados a la derecha de la p´agina, los cuales definen la separaci´on con los siguientes p´arrafos.



P´agina Web del libro xxv

Programas

Todos los programas de este libro han sido implementados en lenguaje fuente MATLAB para la versi´on 2012a. Se encuentran identificados por un recuadro con n´umero de referencia, cabecera con informaci´on del cap´ıtulo al que pertenecen, nombre del sistema a simular, nombre del archivo MATLABc´odigo fuente y su documentaci´on.

1.1.

C´odigo Fuente 1.1 cap2 plot Mecatr´onica. Control y Automatizaci´on.

Cap´ıtulo 2 M^ATLABpara mecatr´onica.

Fernando Reyes Cort´es, Jaime Cid Monjaraz y Emilio Vargas Soto. Alfaomega Grupo Editor “Te acerca al conocimiento”.

Archivo cap2 plot.m Versi´on de MATLAB2012a

clc;

1

clear all;

2

close all;

3

x=-10:0.001:10; %vector del eje horizontal conocido como eje de ordenadas

4

%funci´on a graficar (vector de las abscisas o eje vertical)

5

y=cos(x).*sin(x).^∧3.*tanh(x);

6

% realiza la gr´afica de la funci´on y(x)

7

plot(x,y)

8

Referencias bibliogr´aficas

Los s´ımbolos empleados en las referencias tales como libros, revistas especializadas o t´ecnicas y enlaces electr´onicos como sitios Web son representados mediante los siguientes:

Se emplea para identificar un libro o proceedings.

Utilizado para identificar una revista cient´ıfica ya sea Journal o Transactions.

Indica una dirección electrónica.

Pr´ologo xxvii

Pr´ologo

M

^ecatr´onicarepresenta hoy en d´ıa, un ´area cient´ıfica tecnol´ogica clave para el desarrollo de todo pa´ıs, con beneficio directo en todos los ´ambitos de la sociedad: medicina, industria, educaci´on, gobierno, ciencia y tecnolog´ıa. Actualmente se ha convertido en la base de toda la tecnolog´ıa moderna, permite la generaci´on y aplicaci´on del conocimiento cient´ıfico tecnol´ogico dentro de un contexto globalizado, converge en nuevas tecnolog´ıas, mejorando no s´olo la calidad de vida, tambi´en ampl´ıa horizontes de crecimiento.

Mecatr´onica es una ´area clave, viable, estrat´egica y sustentable particularmente para el mundo hispano (Latinoam´erica y Espa˜na) sin´onimo de modernizaci´on y competitividad. La mecatr´onica es de naturaleza multidisciplinaria que agrupa varias ´areas del conocimiento tales como ingenier´ıa, rob´otica, electr´onica, mec´anica, computaci´on, f´ısica, control automatizaci´on, entre otras como se muestra en la figura 1.

Figura 1 Mecatr´onica ´area multidisciplinaria cient´ıfica-tecnol´ogica de la ingenier´ıa moderna.

La fortaleza de la ingenier´ıa Mecatr´onica se ubica en aplicar las ciencias exactas (f´ısica y matem´aticas) y ´areas de la ingenier´ıa (control autom´atico, computaci´on, electr´onica y mec´anica) para dar soluci´on a problemas de inter´es de la sociedad a trav´es del dise˜no de sistemas mecatr´onicos. Mecatr´onica empez´o a surgir desde los a˜nos 1960 como concepto de automatizaci´on de la industria japonesa. Mecatr´onica en ingl´es es Mechatronics se compone de dos prefijos: mecha para designar los sistemas mec´anicos y tronics para representar a los sistemas electr´onicos.

Dentro del sector acad´emico y cient´ıfico, pr´acticamente en todas las universidades y centros de investigaci´on del mundo ofrecen mecatr´onica a nivel ingenier´ıa y postgrado (maestr´ıa y doctorado), esto es un indicativo

de su importancia en el ´ambito globalizado.

Esta obra est´a enfocada a cubrir t´opicos y temas de la curr´ıcula del plan de estudios de las carreras de ingenier´ıa: mecatr´onica, rob´otica, electr´onica, el´ectrica, automatizaci´on, inform´atica, industrial, computaci´on y sistemas. Este libro desarrolla en forma integral las ´areas de la automatizaci´on aplicadas a la ingenier´ıa mecatr´onica sin perder claridad y calidad acad´emica en el tratamiento y exposici´on de los temas; al mismo tiempo enriquece la parte pr´actica con propuestas te´oricas-experimentales. Por tal motivo, la presente obra cubre en forma horizontal los niveles b´asicos e intermedios del plan de estudios y en forma transversal es una excelente referencia que sirve al alumno en toda su carrera.

La presente obra pretende brindar al lector las bases fundamentales de la ingenier´ıa mecatr´onica abordando aspectos de control cl´asico y control moderno bajo el enfoque de espacio de estados, as´ı como modelado de sistemas continuos, discretos y control de robots manipuladores. Se presentan un n´umero importante de ejercicios resueltos en forma anal´ıtica para ilustrar al lector a comprender mejor los conocimientos presentados en las respectivas secciones y por medio de simulaci´on a trav´es del lenguaje de programaci´on de MATLABse refuerzan los conceptos y aplicaciones.

Adicionalmente, en la obra se plantea un cap´ıtulo Web con enfoque para planificaci´on y administraci´on de proyectos; tem´atica indispensable que hoy en d´ıa debe manejar todo ingeniero mecatr´onico como parte sustantiva de su formaci´on acad´emica con la finalidad de lograr un excelente desarrollo profesional. Lo anterior le permite reducir brechas y tender puentes hacia la vinculaci´on entre aspectos cient´ıfico-tecnol´ogicos con el sector industrial.

Organizaci´on del libro

Este libro se encuentra organizado en 12 cap´ıtulos fundamentales del ´area de la mecatr´onica que de manera integral cubre los aspectos te´oricos y pr´acticos de los planes de estudios relacionados con las carreras de ingenier´ıa.

En forma impresa se describen 10 cap´ıtulos y como recurso Web se presentan dos cap´ıtulos adicionales. El cap´ıtulo 11 cubre el tema de MEMS y el cap´ıtulo 12 contiene aspectos espec´ıficos de la administraci´on de proyectos mecatr´onicos.

A continuaci´on se describe en forma sint´etica el contenido de los 12 cap´ıtulos que componen a esta obra.

Pr´ologo xxix

Mecatr´onica

El Cap´ıtulo 1 Mecatr´onica presenta una introducci´on a la ingenier´ıa mecatr´onica, resalta los aspectos claves y estrat´egicos dentro de una perspectiva hist´orica, contexto e impacto en la sociedad moderna.

Describe la naturaleza cient´ıfica y multidisciplinaria, as´ı como sus potenciales aplicaciones. Se proporciona una definici´on mucho m´as amplia y adecuada a nuestros tiempos de la ingenier´ıa mecatr´onica, adem´as se presentan nuevos conceptos de esta ´area.

MATLAB para mecatr´onica

El Cap´ıtulo 2 MATLABpara mecatr´onicaproporciona los conocimientos fundamentales para programar en forma solvente y con pleno dominio en c´odigo fuente el lenguaje de programaci´on M^ATLAB. De esta forma, las aplicaciones en ingenier´ıa mecatr´onica son inmediatas. Describe las caracter´ısticas principales de la sintaxis de programaci´on, operaciones b´asicas con matrices y arreglos de datos, gr´aficas 2D y 3D, funciones, variables locales y globales, instrucciones que forman lazos de control, instrucciones condicionales y ejemplos de aplicaci´on con la finalidad de lograr en el lector una f´acil y r´apido entendimiento del lenguaje MATLAB.

Sensores y transductores

Cap´ıtulo 3 Sensores y transductores presenta los principios f´ısicos b´asicos de los principales tipos de sensores y transductores empleados en aplicaciones de automatizaci´on aplicados a la ingenier´ıa mecatr´onica.

La descripci´on se centra en diversos sensores de temperatura tales como termopares, termistores, dispositivos t´ermico resistivo, medici´on de la posici´on de sistemas mecatr´onicos y robots manipuladores a trav´es de resolvers y encoders; un conjunto amplio de sensores de prop´osito general tambi´en son presentados tales como: fuerza, par, galgas, ultrasonido, visi´on, proximidad, piezoel´ectricos, etc.

Actuadores el´ectricos

Cap´ıtulo 4 Actuadores el´ectricosilustra el funcionamiento b´asico de los motores el´ectricos de corriente continua, especificaciones t´ecnicas, selecci´on de componentes y aplicaciones potenciales. Presenta en detalle el concepto de servomotor y servoamplificador; particularmente resalta las ventajas que tienen en el dise˜no de servosistemas y robots manipuladores usando la tecnolog´ıa de transmisi´on directa (direct-drive).

Adicionalmente, incluye una secci´on sobre motores a pasos, los cuales se emplean en la construcci´on de herramientas de trabajo de un robot manipulador.

Instrumentaci´on electr´onica

En el Cap´ıtulo 5 Instrumentaci´on electr´onica se presentan las bases de an´alisis y dise˜no de instrumentaci´on usando amplificadores operacionales, describe diversas configuraciones de los opams como inversores, sumadores, integrador, diferenciador, amplificador diferencial y de instrumentaci´on, as´ı como el procesamiento de la informaci´on a trav´es de la tarjeta electr´onica Arduino y su programaci´on en MATLAB

y Simulink.

Din´amica

El Cap´ıtulo 6 Din´amicaproporciona los conocimientos sobre din´amica de sistemas mec´anicos y la forma de realizar simuladores usando lenguaje fuente M^ATLAB. Se describen las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange y su transformaci´on a una ecuaci´on diferencial ordinaria de primer orden (ode) descrito en variables de estado fase de la forma ˙x = f (x); esta estructura representa el lenguaje matem´atico ideal para llevar a procesos de simulaci´on los fen´omenos f´ısicos del sistema mecatr´onico. Ejemplos pr´acticos son presentados a trav´es de prototipos tales como: sistema masa resorte amortiguador, centr´ıfuga, p´endulo y un robot manipulador de 2 grados de libertad. Todos los ejemplos incluyen el c´odigo fuente M^ATLABpara realizar de manera eficiente la simulaci´on de la din´amica.

Control cl´asico

La teor´ıa de Control cl´asicose presenta en el cap´ıtulo 7 con enfoque a sistemas mec´anicos de la ingenier´ıa mecatr´onica, se describe el an´alisis de sistemas lineales en el dominio de la frecuencia, particularmente se describen en forma completa las propiedades de los sistemas de primer y segundo orden. La presentaci´on de conceptos son ilustrados a trav´es de diversos ejemplos de simulaci´on en lenguaje MATLAB. Se abordan t´opicos como funciones de transferencia, an´alisis de ceros y polos, as´ı como su representaci´on en el plano s, gr´aficas de Bode y Nyquist. Resaltando las funciones de control systems toolbox de MATLAB, as´ı como los ambientes gr´aficos ltiviewer y sisotool.

An´alisis de sistemas con variables de estado

La ingenier´ıa de control moderno para sistemas din´amicos lineales con enfoque en variables de estado se desarrolla en el Cap´ıtulo 8, describiendo el concepto y clasificaci´on de variables de estado tales como variables f´ısica, fase y can´onicas; modelado en espacio de estados, caracter´ısticas descriptivas de la respuesta en el dominio del tiempo, criterios para determinar la respuesta transitoria y estacionaria de sistemas

Pr´ologo xxxi

lineales de primer y segundo orden. Conceptos como controlabilidad y observabilidad son desarrollados para servomecanismos y un conjunto de ejemplos resueltos bajo la programaci´on estructurada del lenguaje MATLABusando funciones pertenecientes a control systems toolbox.

Sistemas discretos

El Cap´ıtulo 9 Sistemas discretos presenta el an´alisis de sistemas lineales invariantes en el tiempo bajo el enfoque de espacio de estados discretos. Se presentan temas como muestreo con la t´ecnica del retenedor de orden cero, modelado de espacio discreto, funci´on de transferencia pulso, controlabilidad, observabilidad y t´ecnicas de discretizaci´on. Todos los t´opicos son ilustrados con ejemplos de sistemas mec´anicos programados en lenguaje MATLABpor medio de funciones control systems toolbox.

Control de robots manipuladores

El cap´ıtulo 10 Control de robots manipuladores contiene el an´alisis cualitativo de los algoritmos de control b´asicos como el proporcional derivativo PD y proporcional integral derivativo PID de robots manipuladores, as´ı como los aspectos pr´acticos para llevar a cabo el proceso de simulaci´on de nuevas estrategias de control con aplicaciones en control punto a punto. Se resalta el desarrollo de simuladores y la propuesta de nuevas librer´ıas de programaci´on en c´odigo fuente MATLAB del modelo din´amico y esquemas de control para robots manipuladores.

MEMS

El tema de MEMS se presenta como recurso Web de esta obra descrito como el Cap´ıtulo 11 aborda la importancia y fundamentos de an´alisis, aspectos de micromaquinado y potenciales aplicaciones en bioingenier´ıa.

Administraci´on de proyectos

El Cap´ıtulo 12 Administraci´on de proyectos es un recurso Web el cual contiene estrategias para gestionar eficientemente los recursos, materiales y capital humano requerido en proyectos de corte mecatr´onico. Se presentan habilidades como “traducir ” las necesidades del cliente en caracter´ısticas cuantitativas y cualitativas del proyecto mecatr´onico.

Soluci´on a los problemas propuestos

Al final de cada cap´ıtulo se encuentra una secci´on con un conjunto de problemas propuestos cuya finalidad es hacer reflexionar y madurar los conocimientos del lector de cada cap´ıtulo, as´ı como mejorar la habilidad de programaci´on y simulaci´on en el ambiente MATLAB.

Sin embargo, el lector puede comprobar su propia respuesta o desarrollo de conocimientos con la soluci´on proporcionada con lujo de detalle ampliamente documentados de todos los problemas propuestos en:

La soluci´on de todos los problemas propuestos de esta obra se pueden consultar en:

Fernando Reyes y Jaime Cid. “Mecatr´onica. Control y Automatizaci´on. Problemas resueltos”.

Alfaomega Grupo Editor, 2013.

Cr´editos de programas de c´omputo utilizados

En la presente obra se ha tomado en cuenta los aspectos de calidad cient´ıfica y acad´emica docente, as´ı como los aspectos pedag´ogicos de la exposici´on de conceptos, secuencia y desarrollo del contenido, soluci´on de ejemplos ilustrando y fortaleciendo los conocimientos, programaci´on y desarrollo de simuladores. Por lo que, en la edici´on, formaci´on y compilaci´on del manuscrito fueron seleccionados un conjunto de herramientas y paquetes de c´omputo cuya calidad est´etica es insuperable.

Cr´editos de programas y herramientas de c´omputo utilizados

En este libro se ha priorizado la calidad de presentaci´on no s´olo en la exposici´on de los conceptos, tambi´en la est´etica y estilo de objetos pedag´ogicos, gr´aficos e iconograf´ıa con la finalidad de captar y motivar la atenci´on de alumnos y profesores. Por tal motivo, la presente obra fue formada y editada en lenguaje cient´ıfico L^ATEX y compilada con macros y programaci´on desarrollada por los autores usando el compilador PCTEX^MR versi´on 6, los diagramas y dibujos realizados en AutoCAD^MR 2012 y las im´agenes (s´olidos) dise˜nados en SolidWork^MR 2012, los programas fuentes de simuladores para sistemas din´amicos, mecatr´onicos, robots manipuladores y algoritmos de control fueron realizados para MATLAB^MR versi´on 2012a y los programas de instrumentaci´on en lenguaje Arduino^MR versi´on 2012.

Pr´ologo xxxiii

Palabras finales

Los autores desean agradecer a la Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla por todo el apoyo proporcionado para realizar esta obra, particularmente al Dr. Enrique Ag¨uera Iba˜nez, rector de la Instituci´on por su visi´on cient´ıfica y liderazgo, as´ı como al Dr. Pedro Hugo Hern´andez Tejeda, Vicerrector de Investigaci´on y Estudios de Posgrados; la Dra. Rosa Graciela Montes Mir´o, Directora de Investigaci´on; al Dr.

Gerardo Mart´ınez Montes, Director del CUVyTT, a todos ellos por impulsar y fortalecer este libro a trav´es del proyecto “Modelado Din´amico y Simulaci´on de Robots Manipuladores” perteneciente al sub-programa de aseguramiento de investigadores consolidados de la VIEP-BUAP. Asimismo, deseamos extender nuestro agradecimiento al Ing. Javier M´endez Mendoza y del cDr. C´esar Ch´avez Olivares por el soporte y apoyo t´ecnico, al Grupo de Rob´otica formado por la Dra. Aurora Vargas Trevi˜no, Dra. Olga Felix Beltr´an, Dra. Amparo Palomino, Dr. Sergio Vergara Limon, as´ı como a numerosos colegas, alumnos de Ingenier´ıa Mecatr´onica, Licenciatura en Electr´onica y del Posgrado en Automatizaci´on por enriquecer y contribuir significativamente los conocimientos presentados de este libro y a la Facultad de Ciencias de la Electr´onica por las facilidades brindadas.

Fernando Reyes Cort´es Jaime Cid Monjaraz Emilio Vargas Soto

Puebla, Pue., a 17 de diciembre del 2012 Facultad de Ciencias de la Electr´onica Benem´erita Universidad Aut´onoma de Puebla

C a p ´ıt u lo

1 ^{Mecatr ´ onica}

1.1 Introducci´on

1.2 Origen de la mecatr´onica 1.3 Sistemas mecatr´onicos 1.4 Sensores y transductores 1.5 Actuadores

1.6 Sistemas de control 1.7 Sistemas neum´aticos 1.8 Sistemas hidr´aulicos 1.9 Electr´onica e inform´atica 1.10 Resumen

1.11 Referencias selectas 1.12 Problemas propuestos

Presentar el concepto, relevancia e importancia de la ingenier´ıa mecatr´onica en un contexto global.

Desarrollar habilidades en:

Aspectos hist´oricos importantes y origen de la mecatr´onica.

Definici´on, impacto e importancia.

Sistemas mecatr´onicos.

Sensores y transductores.

Sistemas de control.

Sistemas neum´aticos.

Sistemas hidr´aulicos.

Electr´onica e inform´atica.

Aplicaciones.

1.1 Introducci´on 3

1.1. 1.1 Introducci´ on

M

^ecatr´onicacomo ´area del conocimiento, en los ´ultimos a˜nos ha tenido una enorme importancia en todos los sectores de la sociedad debido a todos los beneficios que ha brindado gracias a su car´acter cient´ıfico y tecnol´ogico, en este contexto es fundamental reconocer que como ´area cient´ıfica no s´olo se dedica exclusivamente al pensamiento abstracto, tambi´en al pensamiento llevado continuamente a la pr´actica y renovado por la experiencia cotidiana. Por eso, no se puede conocer a la ciencia separada de la tecnolog´ıa;

la fusi´on de la ciencia y la tecnolog´ıa es una etapa cada vez m´as acelerada que ha llevado a la producci´on automatizada de todas las aplicaciones de la industria automotriz, manufactura de productos comerciales y de consumo, beneficios en la sociedad como: quir´ofanos robotizados, rehabilitaci´on, asistencia a personas con capacidades diferenciadas, entre otras aplicaciones. El papel de la ciencia y la tecnolog´ıa en la sociedad contempor´anea cobra cada d´ıa mayor importancia. La velocidad e impacto de los cambios en el desarrollo cient´ıfico exigir´an en los pr´oximos a˜nos una mayor participaci´on social y nuevas estrategias de acceso a la cultura cient´ıfica.

La ciencia y tecnolog´ıa se han convertido en protagonistas de las transformaciones realizadas en las ´ultimas d´ecadas, representan ´areas estrat´egicas prioritarias en avance de la sociedad, por lo cual son elementos fundamentales para el desarrollo del pa´ıs, constituyen factores imprescindibles del progreso nacional, elevando los niveles de competitividad necesarios para incidir en los mercados internacionales en un ´ambito globalizado. Las sociedades que est´an directamente relacionadas con la capacidad de producir tecnolog´ıa mejoran en muchos casos las condiciones de vida de sus propios habitantes.

Para que un pa´ıs alcance un r´apido desarrollo, la investigaci´on cient´ıfica y el desarrollo de tecnolog´ıas deben ocupar una actividad preponderante, que coloque en el centro de su quehacer la formaci´on de recursos humanos con el perfil cient´ıfico-tecnol´ogico, mediante el desarrollo de prototipos, generaci´on y aplicaci´on de conocimientos. Existe una tendencia mundial hacia la modernizaci´on de procesos mediante la s´ıntesis y la sinergia de diversos productos con componentes que tradicionalmente hab´ıan sido tratados de manera independiente por su diversa naturaleza, hoy en d´ıa estos conceptos son integrados por la mecatr´onica.

Mecatr´onica es un ´area clave y estrat´egica de desarrollo en la sociedad moderna, sin´onimo de modernizaci´on tecnol´ogica, por su naturaleza multidisciplinaria, cient´ıfica pr´actica permite generar y aplicar conocimientos y/o tecnolog´ıas a problemas reales del entorno, permitiendo la automatizaci´on de procesos optimizados en tiempo, costos y con calidad competitiva.

Los procesos productivos tienden a utilizar mecatr´onica para mejorar e incrementar la productividad, calidad, as´ı como abaratar costos y evitar riesgos. La necesidad cada vez m´as inaplazable de aumentar la productividad y conseguir productos acabados de una calidad uniforme, est´a haciendo que la industria gire cada vez m´as hacia la automatizaci´on de sus procesos con base en la ingenier´ıa mecatr´onica. Hoy en d´ıa son numerosas ´areas del conocimiento que se emplean en mecatr´onica tales como: sistemas autom´aticos de control (digital y continuo), sistemas electr´onicos, rob´otica, programaci´on, inform´atica, sistemas mec´anicos, dise˜no CAD de piezas y componentes mec´anicas, administraci´on de proyectos (manejo gerencial del proyecto y terminolog´ıa empresarial). Las ´areas de aplicaci´on fundamentalmente son: fabricaci´on y elaboraci´on de materiales, productos de consumo, manufactura, sector automotriz, medicina, industria aeroespacial, etc.

La naturaleza multidisciplinaria y cient´ıfica de la ingenier´ıa mecatr´onica, as´ı como sus potenciales aplicaciones se ilustran en la figura 1.1.

Figura 1.1Mecatr´onica ´area multidisciplinaria cient´ıfica-tecnol´ogica de la ingenier´ıa moderna.

El ´area de mecatr´onica no s´olo involucra el mundo macro, como el desarrollo y dise˜no de aplicaciones usando robots en l´ıneas de producci´on, sistemas automatizados con servomotores, autom´oviles, etc., tambi´en involucra el mundo micro y nano es decir, usando tecnolog´ıa a escala de micr´ometros y nan´ometros, respectivamente (en un rango entre uno y 100 nan´ometros) para miniaturizar componentes mec´anicas y elementos electromec´anicos MEM’s (aceler´ometros, giroscopios, sensores de presi´on, monitoreo para

1.2 Origen de la mecatr´onica 5

respiraci´on, pr´otesis) y nanotecnolog´ıa (tecnobiolog´ıa a nivel molecular, neurolog´ıa y varias ramas de la medicina).

Mecatr´onica es una etapa natural en el proceso evolutivo de la ingenier´ıa moderna, el desarrollo de la computadora, consecuentemente las microcomputadoras, tecnolog´ıas de informaci´on asociadas y avances de software, hicieron a la mecatr´onica un ´area estrat´egica y clave a finales del siglo XX. Actualmente, con los avances que se han obtenido en sistemas integrados bioelectromec´anico, computadoras cu´anticas, MEM’s, nanotecnolog´ıa, y otros desarrollos en electr´onica, inform´atica, f´ısica y matem´aticas han garantizado que el futuro de la mecatr´onica est´e lleno de posibilidades brillantes.

1.2. 1.2 Origen de la mecatr´ onica

M

^ecatr´onica tiene como antecedentes inmediatos el desarrollo cient´ıfico en el ´area de Cibern´etica realizada en 1936 por Alan Turing, las m´aquinas de control num´erico desarrolladas inicialmente en 1946 y posteriormente programaci´on de robots en 1954 por Devol quien realizara en la compa˜n´ıa Unimation robots teleoperados y aut´omatas programables. En 1960 se instal´o el primer robot industrial en General Motors y en 1978 el robot de Devol se convirti´o en el modelo PUMA.

La palabra mecatr´onica (mechatronics) significa mecha de mecanismo y tronics de electr´onica.

En 1960 el t´ermino mecatr´onica empez´o a surgir como un concepto de automatizaci´on para la industria japonesa, posteriormente se generaliz´o en 1980 a universidades y centros de investigaci´on.

El t´ermino mecatr´onica apareci´o por primera vez el 12 de julio de 1969 en un reporte t´ecnico Mecha- tronics realizado por el ingeniero Tetsuro Mori en la Compa˜n´ıa El´ectrica Japonesa Yaskawa Internal Trademark Application. Tetsuro Mori y su asistente Ko Kikuchi aplicaron la t´ecnica Kaizen, cuyo t´ermino japon´es significa mejora continua el cual se emplea para resolver problemas de funcionamiento de las maquinarias y sistemas de automatizaci´on que desarrollaban para realizar los productos que fabricaban en dicha empresa. La compa˜n´ıa Yaskawa en 1970 solicita obtener los derechos de marca del concepto mecatr´onica. En enero de 1972 obtiene el derecho de marca con n´umero de registro 946594 (Japan trademark registration). Sin embargo, fue hasta el a˜no de 1980 donde el concepto mecatr´onica se empieza hacer popular en forma mundial, retomado por el sector industrial y universidades.

Tetsuro Mori, en 1969 introduce el t´emino me- chatronics en la empresa Yaskawa de Jap´on, la cual la defini´o como la integraci´on de la mec´anica y electr´onica en un m´aquina. Actualmente la in- genier´ıa mecatr´onica se ha consolidado como una especialidad que requiere de varias ´areas del co- nocimiento como f´ısica, matem´aticas, control au- tom´atico, inform´atica, bioingenier´ıa, administra- ci´on de proyectos.

La ingenier´ıa mecatr´onica ocupa un papel cla- ve y estrat´egico en todos los pa´ıses en desa- rrollo, pr´acticamente en todas las universida- des se ofrece como carrera profesional, y en algunas universidades y centros de investiga- ci´on como maestr´ıa y doctorado, ya que hoy en d´ıa es una l´ınea de investigaci´on prioritaria.

Tetsuro Mori Ingeniero japon´es

El ingeniero japon´es Tetsuro Mori fue quien acu˜n´o la palabra mechatronics en 1969 cuando trabaja en la empresa Yaskawa. Hoy en d´ıa, el concepto de mecatr´onica se ha convertido en una especialidad que se ofrece como carrera pr´acticamente en todas las universidades y centros de investigaci´on nacionales e internacionales. Tambi´en se desarrolla como l´ınea de investigaci´on cient´ıfica por lo cual se ofrece como postgrado en sus niveles de maestr´ıa y doctorado.

George C. Devol, patent´o en 1948 el primer ma- nipulador programable percusor del robot indus- trial. En 1954 dise˜n´o el primer robot programable flexible, adaptable al entorno y de f´acil mane- jo para traslado de objetos. En 1956, Devol se asocia con Joseph Engelberger para fundar la pri- mera compa˜n´ıa fabricante de robots Consolidated Controls Corporation, que m´as tarde se convierte en Unimation (Universal Automation). En 1960 instalaron en General Motors el primer robot in- dustrial de la historia, el Unimate para levantar y apilar grandes piezas de metal caliente, esta m´aquina ten´ıa un peso de 1800 kg. En 1978 el pri- mer robot programable de Devol se transformar´ıa en el robot PUMA (Programmable Universal Ma- chine for Assembly). Este robot PUMA era ca- paz de mover un objeto con cualquier orientaci´on.

George Charles Devol (1912-2011)

Inventor norteamericano

George Charles Devol naci´o en febrero de 1912 en Louisville, Kentucky, USA. Devol fue fundador del primer robot industrial, en asociaci´on con Joseph F.

Engelberger fund´o Unimation, la primera empresa de rob´otica de la historia. Devol estableci´o las bases del robot industrial moderno. El concepto b´asico multi-articulado y configuraci´on antropom´orfica de la estructura mec´anica del PUMA ha sido la base en la mayor´ıa de los robots industriales de la actualidad.

1.2 Origen de la mecatr´onica 7

El concepto de mecatr´onica pas´o inadvertido por m´as de una d´ecada, y fue retomado por escuelas europeas, principalmente por The Danish Mechatronics Association, The Mechatronics Group of Finland, The Hungarian Mechatronics Association, y diversos centros de dise˜no en Italia, Inglaterra, Alemania y Suecia, principalmente. La evoluci´on del concepto original de Mecatr´onica desarrollado en Yaskawa, bajo la perspectiva europea, dio como resultado la inclusi´on de la ingenier´ıa inform´atica en dicho concepto, a fin de no s´olo incorporar elementos mec´anicos controlados por sistemas electr´onicos, sino tambi´en incorporar en las m´aquinas teor´ıa y aplicaciones de inteligencia artificial.

Hoy en d´ıa, la generaci´on del conocimiento y desarrollo de la tecnolog´ıa (ver figura 1.2) han dotado a los sistemas mecatr´onicos como herramientas claves para automatizar una amplia gama de aplicaciones.

Figura 1.2 ´Areas incorporadas a la mecatr´onica.

Origen de la mecatr´onica en M´exico

El Dr. Emilio Vargas Soto es pionero de la ingenier´ıa mecatr´onica en M´exico, en particular se dio a la tarea de dise˜nar y proponer un nuevo esquema de programa educativo con base en esta nueva ´area moderna. En el a˜no de 1992 fund´o el primer programa de la carrea de ingenier´ıa mecatr´onica en la Universidad Anahuac M´exico Sur. Adem´as el Dr. Vargas es fundador de la Asociaci´on Mexicana de Mecatr´onica, A. C., e instituy´o un foro acad´emico de calidad cient´ıfica conocido como Congreso Mexicano de Mecatr´onica COMROB (www.mecamex.net).

A la fecha, m´as del 92 % de los estados de la rep´ublica mexicana ofrece la carrera de mecatr´onica, y varios instituciones y centros de investigaci´on la cultivan como l´ınea de investigaci´on a trav´es de maestr´ıas y doctorados.

Figura 1.2 Tempralmente fuera

Debido a la naturaleza multidisciplinaria de la ingenier´ıa mecatr´onica y las tecnolog´ıas que incorpora tiene aplicaciones directas en la industria, experimentos cient´ıficos, aparatos electrodom´esticos, ´areas de la medicina como neurolog´ıa, cardiolog´ıa, quir´ofanos, fisioterapia, biotecnolog´ıa, etc. Esto significa, que en la actualidad mecatr´onica representa un concepto y estilo de vida.

La mecatr´onica no es solamente una estructura conveniente para estudios de investigaci´on desde el punto de vista cient´ıfico; hoy en d´ıa, representa un modo de vida para la pr´actica de ingenier´ıa moderna. La introducci´on del microprocesador a principios de los 80’s y el rendimiento en funci´on del costo optimizado, revolucion´o el paradigma de dise˜no en ingenier´ıa. El n´umero de productos que est´an siendo desarrollados con la intersecci´on de las disciplinas tradicionales de ingenier´ıa, ciencias exactas, computacionales, naturales est´an aumentando. Nuevos desarrollos en estas disciplinas est´an siendo absorbidos en el dise˜no mecatr´onico a un paso acelerado. La revoluci´on tecnol´ogica de la informaci´on en curso, los avances de las comunicaciones inal´ambricas, automatizaci´on, dise˜no de sensores inteligentes habilitados por tecnolog´ıa MEMS, nanotecnolog´ıa y sistemas empotrados (embebed systems) asegura que el paradigma de dise˜no de ingenier´ıa mecatr´onica continuar´a evolucionando en este siglo XXI.

Turing describi´o en t´erminos matem´aticos preci- sos c´omo un sistema autom´atico con reglas extre- madamente simples pod´ıa efectuar toda clase de operaciones matem´aticas expresadas en un lengua- je formal determinado. La m´aquina de Turing era tanto un ejemplo de su teor´ıa de computaci´on co- mo una prueba de que un cierto tipo de m´aquina- computadora pod´ıa ser construida.

La Segunda Guerra Mundial ofreci´o un insospecha- do marco de aplicaci´on pr´actica de sus teor´ıas, al surgir la necesidad de descifrar los mensajes codifi- cados que la marina alemana empleaba para enviar instrucciones a los submarinos que hostigaban los convoyes de ayuda material enviados desde Esta- dos Unidos.

Turing, al mando de una divisi´on de la Inteligen- cia brit´anica, dise˜n´o tanto los procesos como las m´aquinas que eran capaces de efectuar c´alculos combinatorios mucho m´as r´apido que cualquier ser humano, fueron decisivos en la ruptura final del c´odigo. Defini´o adem´as un m´etodo te´orico para de- cidir si una m´aquina era capaz de pensar como un hombre (test de Turing) y realiz´o contribuciones a

otras ramas de la matem´atica aplicada, como la aplicaci´on de m´etodos anal´ıticos y mec´anicos al problema biol´ogico de la morfog´enesis.

Alan Turing (1912-1954) Matem´atico brit´anico

Alan Mathison Turing naci´o el 23 de julio de 1912 en la Gran Breta˜na. Pas´o sus primeros trece a˜nos en la India, donde su padre trabajaba en la administraci´on colonial. De regreso al Reino Unido, estudi´o en el King’s College y tras su graduaci´on, se traslad´o a la universidad estadounidense de Princeton, donde trabaj´o con A. Church. En 1937 public´o un c´elebre art´ıculo en el que defini´o una m´aquina calculadora de capacidad infinita (m´aquina de Turing) que operaba bas´andose en una serie de instrucciones l´ogicas, sentando as´ı las bases del concepto moderno de algoritmo.

Debido a problemas personales, el 7 de junio de 1954 Turing decidi´o terminar con su vida mordiendo una manzana a la cual le hab´ıa inyectado cianuro. Este hecho dio motivo al icono de la manzana mordida que hace referencia a las contribuciones cient´ıficas de Alan Turing.

1.2 Origen de la mecatr´onica 9

1.2.1.

1.2.1 ¿Qu´e es mecatr´onica?

La definici´on original de mecatr´onica establecida por Tetsuro Mori en 1969 en la compa˜n´ıa Yaskawa tuvo la siguiente forma:

La palabra mecatr´onica est´a compuesta por meca que representa mecanismo y tr´onica que denota el sistema electr´onico, el concepto fundamental es incorporar electr´onica y tecnolog´ıa en los mecanismos que forman parte de la l´ınea de producci´on, de tal forma que el sistema resultante se fusione en uno solo.

La definici´on de mecatr´onica ha evolucionado desde el concepto original de Yaskawa por Tetsuro Mori en 1969. La filosof´ıa de la empresa Yaskawa, basada en el desarrollo del conocimiento y la b´usqueda de la calidad de vida de una sociedad, permitieron en 1982 el libre uso del t´ermino.

Una definici´on ampliamente citada ha sido la presentada por Harashima, Tomizuka y Fukada en 1996 y retomada por la UNESCO, la cual se establece de la siguiente forma:

Mecatr´onica es la integraci´on sin´ergica de ingenier´ıa mec´anica, con la electr´onica y el control inteligente por computadora en el dise˜no y manufactura de productos y procesos industriales.

En ese mismo a˜no, otra definici´on de mecatr´onica fue sugerida por Auslander y Kempf quienes la establecieron de la siguiente forma:

Mecatr´onica es una metodolog´ıa usada para el dise˜no ´optimo de productos electromec´anicos.

En 1996, en la primera publicaci´on de la revista Transactions on Mechatronics de la sociedad IEEE/ASME, Harshama, F., Tomizuka, M. y Fukuda, T. definieron mecatr´onica como a continuaci´on se indica:

La combinaci´on sin´ergica de la ingenier´ıa mec´anica de precisi´on, control electr´onico y los sistemas inteligentes en el dise˜no de productos y procesos de manufactura.

En 2008 apareci´o otra definici´on para un sistema mecatr´onico de la siguiente manera (ver Mechatronics: a

multidisciplinary approach. Willian Bolton):

Un sistema mecatr´onico no s´olo es la uni´on de sistemas electr´onicos y mec´anicos m´as el sistema de control;

es una integraci´on completa de todos estos sistemas en la cual existe un enfoque concurrente al dise˜no.

Si bien todas estas definiciones y afirmaciones sobre mecatr´onica son informativas y certeras, cada una de ellas falla en capturar la totalidad de la mecatr´onica. A pesar de esfuerzos continuos para definir mecatr´onica, clasificar productos mecatr´onicos y desarrollar un curr´ıculum est´andar de mecatr´onica, en la actualidad se carece de una opini´on consciente para describir en forma completa el ´area de mecatr´onica. A pesar de esto, por la experiencia pr´actica de los ingenieros se entiende la esencia de la filosof´ıa de la mecatr´onica. Esta falta de consenso a nivel internacional es una se˜nal saludable, indica que el campo est´a activo y din´amico, que esta ´area es prioritaria, sustentable y pertinente para todo pa´ıs desarrollado y en v´ıas de desarrollo.

A pesar de todo esto, la mecatr´onica no es un concepto nuevo para la gran mayor´ıa de los ingenieros que se dedican a la l´ınea de dise˜no y producci´on; todos los productos de ingenier´ıa de los ´ultimos 25 a˜nos han integrado sistemas mec´anicos con sistemas electr´onicos interconectados con aspectos computacionales. Sin embargo, esos productos eran dise˜nados por ingenieros que no tuvieron formaci´on formal en mecatr´onica.

Ahora, la ingenier´ıa moderna es vista como parte de la especialidad de mecatr´onica, esta ´area permite la comprensi´on y explicaci´on del proceso de producci´on; definir, clasificar, organizar, administrar e integrar las diversas etapas del producto dentro de una estrategia que permita la automatizaci´on del producto con calidad, optimizaci´on de tiempo y bajos costos son aspectos dentro del ´ambito de la mecatr´onica.

Definici´on de mecatr´onica

A continuaci´on presentamos en esta obra una definici´on m´as amplia del ´area de ingenier´ıa mecatr´onica:

Mecatr´onicaes una ingenier´ıa multidisciplinaria de car´acter cient´ıfico y tecnol´ogico que integra las ´areas de mec´anica, electr´onica, inform´atica, control autom´atico y administraci´on de proyectos, con el auxilio de otras ´areas del conocimiento para analizar, desarrollar, dise˜nar e innovar sistemas mecatr´onicos con la finalidad de mejorar la calidad, flexibilidad, bajos costos y productividad de procesos y productos dentro de una amplia gama de aplicaciones cient´ıficas, industriales, servicios comerciales, medicina y para beneficiar e impactar a todos les sectores de la sociedad.

1.2 Origen de la mecatr´onica 11

Definici´on de sistema mecatr´onico

La mecatr´onica se enfoca al dise˜no de sistemas mecatr´onicos los cuales los definimos como sigue:

Un sistema mecatr´onicoes la integraci´on de componentes mec´anicas, electr´onicas, y programaci´on que incluyen aspectos de control autom´atico y administraci´on de proyectos para realizar la automatizaci´on de procesos o productos con bajos costos, flexibilidad con caracter´ısticas de calidad competitiva.

Evidentemente el estudio de la ingenier´ıa me- catr´onica brinda un excelente medio cient´ıfico y tecnol´ogico para docentes, investigadores e inge- nieros interesados en abordar problemas de la in- dustria, medicina, experimentos cient´ıficos de fron- tera, etc. En la actualidad, mecatr´onica es una es- pecialidad que se imparte no s´olo a nivel ingenier´ıa, tambi´en en las modalidades de maestr´ıa y docto- rado.

Existen una amplia oferta de la carrera de mecatr´onica por parte de universidades, a nivel internacional un n´umero importante de casas de estudio ofrecen ingenier´ıa mecatr´onica con una fuerte vinculaci´on con el sector industrial, de tal forma que dentro de los atractivos para el estudiante se encuentra no s´olo diversidad de fuentes de trabajo, tambi´en selecciona su propio ambiente de desarrollo y define su estilo de vida.

Esta ´area es reconocida a nivel mundial para reali- zar investigaci´on y desarrollo tecnol´ogico con am- plias aplicaciones en todos los sectores de la so- ciedad moderna. Adem´as de universidades, ins- titutos y centros de investigaci´on ofrecen post- grados especializados en mecatr´onica. Aplicacio- nes de MEMS y nanotecnolog´ıa se interceptan en

ingenier´ıa mecatr´onica para construir micro y nano sensores para la industria automotriz y biotec- nol´ogica, respectivamente.

Por otro lado, existe un n´umero importante de revistas especializadas en mecatr´onica, sociedades cient´ıficas, congresos internacionales y foros espe- cializados que presentan y divulgan los avances cient´ıficos y tecnol´ogicos en todas las ´areas de la mecatr´onica.

Mecatr´onica como ´area de investigaci´on

La ingenier´ıa mecatr´onica como ´area multidisciplinaria se desarrolla no s´olo en universidades, tambi´en en institutos y centros de investigaci´on. A nivel postgrado en maestr´ıa y doctorado la l´ınea de investigaci´on en mecatr´onica se ofrece en un n´umero importante de pa´ıses. En la p´agina Web del libro se presenta un an´alisis de universidades e instituciones nacionales e internacionales que ofrecen a la ingenier´ıa mecatr´onica como postgrado. Asimismo, dada la importancia que tiene la mecatr´onica el registro de patentes cada vez es mayor en esta ´area, por lo que se ofrece una descripci´on del n´umero de patentes que se han sometido dentro de la ingenier´ıa mecatr´onica.

1.2.2.

1.2.2 Elementos fundamentales de la mecatr´onica

E

^l estudio de la mecatr´onica es de car´acter multidisciplinario ya que abarca f´ısica, matem´aticas, ingenier´ıas, gesti´on empresarial, administraci´on de proyectos industriales y productivos. De manera general, la ingenier´ıa mecatr´onica requiere del conocimiento solvente de las siguientes ´areas del conocimiento:

F´ısica de sistemas.

Matem´aticas, modelado con ecuaciones dife- renciales.

Mec´anica.

Sistemas electr´onicos e interfaces.

Sensores, transductores y servo-actuadores.

Procesamiento de se˜nales.

Rob´otica y automatizaci´on.

Inform´atica.

Gesti´on empresarial.

Administraci´on de proyectos.

Control autom´atico.

Lenguajes de programaci´on e inform´atica.

Los elementos clave de la mecatr´onica se encuentran ilustrados en la figura 1.3. Sin embargo, para el caso de aplicaciones espec´ıficas como por ejemplo operaciones quir´urgicas complicadas como son los casos de operaciones a coraz´on abierto o problemas relacionados con el cerebro se requieren de temas, ´areas y recursos humanos muy especializados que permitan complementar los aspectos relevantes para realizar con ´exito esas aplicaciones.

Como parte de la mecatr´onica se encuentra un ´area especializada denominada rob´otica. Existen varios tipos de robots tales como robots manipuladores (brazos robots o robots industriales) y robots m´oviles los cuales se dividen en: carritos con ruedas, submarinos, planeadores o a´ereo-naves, humanoides o androides. Dentro de esta gama de robots, los m´as utilizados son los robots industriales por sus caracter´ısticas multifuncionales.

Particularmente la rob´otica industrial se encarga del estudio, an´alisis y dise˜no de una clase particular de sistemas mec´anicos denominados robots manipuladores.

Rob´otica industrial es un ´area multidisciplinaria que aborda la investigaci´on, an´alisis y dise˜no de una clase particular de sistemas mec´anicos denominados robots manipuladores, los cuales representan retos te´oricos debido a su naturaleza multivariable, din´amica no lineal y acoplada.

1.2 Origen de la mecatr´onica 13

Figura 1.3 ´Areas del conocimiento relacionadas directamente con mecatr´onica.

Generalmente, un sistema mecatr´onico est´a dise˜nado para realizar una aplicaci´on espec´ıfica por ejemplo la nueva generaci´on de aparatos electrodom´esticos como lavadoras, aspiradoras, licuadoras, hornos de micro ondas, etc., tienen estructura mec´anica, sistema electr´onico y programaci´on dise˜nados en forma integral de manera exprofesa para realizar eficientemente su actividad. En la industria, tambi´en encontramos pulidoras y cortadoras autom´aticas, en medicina sistemas para esterilizar instrumentos quir´urgicos, etc. En contraste, los robots manipuladores se caracterizan por ser multifuncionales, es decir pueden realizar una diversidad de tareas sin modificar su estructura mec´anica, dependiendo del tipo de aplicaci´on entonces se define la

Mecánica Electrónica Robótica

Control Automatización

Dinámica lineal y no lineal

Encoders Temperatura Posición Visión CCD Fuerza Motores Servomotores Servoamplificadores

Procesamiento digital de

señales Observadores

Predictores Procesamiento

de imágenes Sistemas de control Modelado

de Sistemas

MECATRÓNICA

Matlab C++

C#

C Java Ensamblador

Señales y Sistemas Sensores

y Actuadores

Lenguajes

Microprocesadores Interfaces electrónicas DSP’s PIC’s PLC’s Electrónica

Digital