Transcript Diseño mecatrónico.

Profesores:
Ing. Serafín Castañeda Cedeño.
CDMIT, Sala de proyectos.
[email protected]

Ofrecer al alumno un panorama amplio de
las disciplinas de la ingeniería necesarias y
sus interacciones, para lograr el desarrollo
de productos de innovación y desarrollo
tecnológico a través de la integración en un
diseño mecatrónico, basado en las
metodologías
y
herramientas
de
vanguardia para la solución de problemas.
Introducción al diseño mecatrónico.
2. Diseño mecánico.
3. Diseño electrónico.
4. Control.
5. Proyecto integral.
1.
◦
◦
◦
◦
Horario de asesoría.
Viernes 12:00-14:00 hrs.
Lunes y miércoles: teoría
Viernes: Laboratorio.
CROSS, Nigel
Engineering Design Methods
2nd edition
John Wiley & Sons. 1997
FRENCH, Vierck
Dibujo de Ingeniería
México
Mc Graw-Hill, 1981.
AYALA, Álvaro
Normas de dibujo. Laboratorio de
Ingeniería Mecánica Asistido por
Computadora
México,Facultad de Ingeniería. UNAM,
2003.
ALACIATORE, David
Introduction to Mechatronics and
Measurement System 3th edition
McGraw-Hill, 2007.
ERONINI-UMEZ-ERONINI
Dinámica de Sistemas y Control
Thomson, 2001.
NECSULESCU, Dan
Mechatronics
Prentice Hall, 2002.

Prácticas (8-10)
3 pts.
Prototipo
i. Funcionamiento
ii. Presentación
iii.Documentación
50%
25%
25%
Planos o informes
i. Presentación (limpieza, organización, distribución, etc.)
ii. Documentación (información de valor)
50%
50%

2 proyectos.
Exámenes. (3)

Todos los trabajos deberán se entregados en hojas tamaño carta.

4 pts.
3 pts.


Se formarán solo 8 equipos entre los alumnos inscritos
asignados aleatoriamente.
No se reciben prácticas y/o proyectos atrasados.

El proyecto mecatrónico debe contener bien
identificadas las partes de la ingeniería
mecánica,
electrónica,
de
control
y
computación
que lo componen, aunque
estas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general.
Sistema de posición X, para tiro parabólico
2. Péndulo invertido ó Scanner 3D
1.
“Todo lo que una persona
pueda imaginar, otras podrán
hacerlo realidad”. Julio Verne.
“Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design and
manufacturing of industrial products and processes”.

Mecatrónica, termino concebido en Japón en los años 70´s y se ha
adoptado por productos “inteligentes”, en realidad es una evolución
natural del proceso moderno del diseño en ingeniería.
ELECTRONICA
CONTROL
PRODUCTO
MECATRONICO
MECÁNICA
SOFTWARE
Video ejemplo
Sistema mecánico
Actuadores
Interfaz
Sensores
Acondicionador
de señal de
salida
Acondicionador
de señal de
entrada
Control
Tarea No.1 Lavadora doméstica.
a) Describa detalladamente el proceso de
funcionamiento.
b) Realice una descripción de partes y componentes
del sistema mecánico, electrónico y de control
con los que cuenta.
DISEÑO
No requiere de
habilidades especiales
No es indispensable.
Diseño = Fabricación
Lo que caracteriza el diseño que realizan los ingenieros en el
ámbito de su especialidad es que se emplean métodos y
técnicas apropiadas para hacer este proceso más eficiente y
para lograr un producto de mejor calidad, todo ello al menor
costo posible.
Diseño
Años
Fabricación
Industria
electrónica
Minutos/horas
Muchas veces se comienza desde el final, desde que el diseño se
ha concluido, por eso es mejor realizar una descripción del
artefacto que se va ha trabajar (formas, dimensiones, materiales,
colores, etc.).









Lo simple es más hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente
No existe el diseño óptimo sino buenos diseños (lo perfecto es
enemigo de lo bueno)
Se debe usar siempre que se pueda, componentes estándares
disponibles en el comercio.
Toda proyección de tiempo para obtener el producto se va a
quedar corta.
El proceso de diseño define tanto como el 70% del costo del
producto pero solo contribuye con una fracción muy menor de
este.
El usuario del producto siempre hará todo lo necesario para
malograrlo.
Que funcione el prototipo es lo más fácil, que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta.
La operación del producto debe ser fácil, ojalá a prueba de
tontos.
“Una gran cantidad del diseño de ingeniería es
intuitivo, basado en el pensamiento subjetivo. Sin
embargo, un ingeniero no se conforma con esto.
Un ingeniero desea probar; probar y medir. Así
como ha sido formado y no está contento si no
puede probar algo. Por otra parte, un diseñador
industrial, con su formación en la escuela de artes,
está totalmente conforme haciendo juicios que son
intuitivos”.
Richard Stevens. Diseñador Industrial.
Un sensor es un elemento en un sistema mecatrónico que detecta la
magnitud de un parámetro físico y lo cambia por una señal que
puede procesar el sistema.

Interruptores de limite de carrera ó
de proximidad.
o
o
o
o
o
Interruptores mecánicos.
Inductivos.
Capacitivos.
Corriente parásita (Eddy)
Ópticos:
Alineación en modo opuesto
Retrorreflector
modo de proximidad (difuso)

Sensores ópticos
•No lineales.
•Resolución??
•Variaciones con respecto a T.
•Fuerza para provocar
movimiento.



Transductor para medir el
desplazamiento lineal. Los
voltajes se inducen en la bobina
secundaria.
Existe un punto medio en la
posición del núcleo donde e
voltaje inducido en cada bobina
es de la misma amplitud y 180°
fuera de fase, lo que produce una
salida “nula”.
Conforme el núcleo se mueve
desde la posición nula, la
amplitud aumenta una cantidad
proporcional.

Dispositivo que
convierte movimiento
en una secuencia de
pulsos digitales.
2-3-1-0
1-3-2-0
Video
Video ejemplo.
Demostración encoder LabVIEW
Criterios
de
selección.
Acondicionador
de señal




Diseñar un encoder incremental con cuadratura
1X con una resolución de al menos 5°,
mostrando el incremento y decremento de la
posición un display. (LCD-7segmentos).
Entregar plano informativo del disco-bujes, etc.
Conseguir dos motores de DC iguales para
realizar un levantamiento del sistema mecánico.
Planos de ensamble del sensor/cable/soporte.
Diagrama eléctrico del circuito (software).
Amplificación
Los
amplificadores aumentan el nivel de la señal
Atenuación
de
entrada
para
igualar de
el rango
del convertidor
Atenuación,
el opuesto
amplificación,
es
Aislamiento
analógico
a
digital
(ADC),
y
de
esta
manera
necesario
cuando
los
voltajes
que
serán
Los
dispositivos
de acondicionamiento
delas
señales
aumentar
la resolución
y del
sensibilidad
de
digitalizados
están
fuera
rango
de
entrada
del
aislados
pasan
la señal
deacondicionamiento
su fuente al dispositivo
medidas.
Además
el
usar
de
digitalizador.
forma
de acondicionamiento
de
Multiplexado
de
medida
sinEsta
una
conexión
física
usando
técnicas
señales
externo
ubicado
cerca
del
la
fuente
de
señales
disminuye
la
amplitud
de
la
señal
de
Con
el
multiplexado
un
sistema
de
medida
puede
de
transformador,
ópticas
o el
deratio
acoplamiento
Filtrado
Excitación
señal
o transductor,
mejora
de señal-aentrada
derechaza
tal manera
que
ladeseado
señal
condicionada
enrutar
en
secuencia
múltiples
señales
a untierra,
solo
capacitivo.
Además
de
romper
los
lazos
El
filtrado
ruido
no
dentro
de
Algunos
transductores
requieren
de
excitación.
ruido
elevando
el
nivel
de
señal
antes
dede
se
veaun
está
dentro
del
rango
ADC.
La
atenuación
es
digitalizador
además
de
brindar
una
manera
el
aislamiento
bloquea
picos
de alto
voltaje
y
cierto
rango
de
frecuencia.
Casi
todas
las
Por
ejemplo,
galgas
extensiométricas,
termistores
Compensación
unión
fría
afectada
por
elde
ruido
ambiental.
necesaria
para
medir
altos
voltajes..
rentable
de
incrementar
la cuenta
de yestán
canales
del
rechaza
alto
voltaje
en
modo
común
así
protege
aplicaciones
de
adquisición
de
datos
sujetas
ycompensación
RTDs requieren
externas
de
excitación
La
deseñales
unión
fría
es una
tecnología
sistema.
Normalmente
se
necesita
multiplexado
los
operadores
y elruido
valioso
equipo
medida.
ade
ciertos
niveles
de
demedidas
50
ó 60de
Hz
voltaje
o corriente.
Las
de
RTDs y
que
se
requiere
para
medidas
exactas
decanales..
para
todas
las
aplicaciones
de
muchos
producidos
por
líneas
de
potencia
o
maquinaria.
termistores
generalmente
se
toman
con
termopares. Cada vez que un termopar es una fuente
La
los
acondicionadores
dede
señales
demayoría
corriente
convierte
la variación
endatos,
conectado
a de
unque
sistema
de adquisición
incluyen
filtros
de
paso
bajo
específicamente
resistencia
a unla
voltaje
que puede
usted
debe saber
temperatura
que ser
haymedido.
en el Las
diseñados
para brindar
máximo
rechazo
de ruido
galgas
que son
dispositivos
de
punto
de extensiométricas,
conexión
(ya que
esta
unión
representa
de
50
a
60
Hz.
muy
baja resistencia,
son
usadas
otro
"termopar"
al medirgeneralmente
y generamente
inyecta
unen
la configuración
de para
puente
Wheatstone
con una
desfase
a su medida)
calcular
la temperatura
fuente
determopar
excitaciónestá
de voltaje.
real
que su
midiendo.
Filtro pasobajas

Cual sería el mejor acondicionador de señal
para una celda de carga (strain gauge) con
resistencia nominal de 3000 Ohms y quiere
ser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5
Volts.

Strain Gauges, son dispositivos semiconductores
en los cuales la resistencia varia con la
deformación.
GF = (ΔR/R)/(ΔL/L) = (ΔR/R)/ε
El factor de medida GF para los Straing
Gauges más comunes, es de GF=2.
Es claro que cuando la relación de
R1/R2=R3/R4 el voltaje de salida es
cero.
Si estas condiciones se cumplen se
dice que el puente esta balanceado.
Cualquier cambio en alguna de las
resistencias provocara un voltaje
diferente de cero en las terminales del
puente.
¿ Y después
del puente?
Sistema
Mecatrónico
Actuadores
Diagrama funcional del
actuador

Clasificación.





Se usan en gran
cantidad de diseños
mecatrónicos debido
a las características
torque-velocidad que
se pueden lograr con
diferentes
configuraciones
elécticas.
Imán permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado compuesto.

Tm=Kt*Im
Tm: torque del motor
Im: corriente en el motor
Ka: constante de torque

Vm=Ka*m
Vm: voltaje en el motor
m: velocidad angular del motor
Ka: constante eléctrica del motor




Dadas las siguientes especificaciones del
fabricante de un motor de DC ¿ Cuál es la
velocidad nominal, la corriente crítica, el
torque de nominal y la potencia máxima del
motor para un voltaje aplicado de 10 V?
Constante de torque= 0.12 Nm/A
Constante eléctrica = 12V/1000 rpm
Resistencia de armadura=1.5 Ohms

¿El motor se arrancará y acelerará los suficientemente rápido?
=(Tmotor-Tcarga)/J












¿Cuál es la máxima velocidad que puede producir el motor?
¿Cuál es el ciclo de trabajo operativo?
Ton/Toff
¿Cuánta potencia requiere la carga?
¿Qué fuentes de potencia esta disponible? CA,CD
¿Cuál es la inercia de carga?
¿La carga se impulsará a velocidad constante?
¿Se requiere control preciso de posición ó velocidad?
¿Se requiere una transmisión o engranaje? Motorreductor
¿Es necesario invertir el motor?
¿Existen restricciones de tamaño y peso?
¿Costo?

Para cada una de las siguientes aplicaciones ¿Cuál sería
una buena elección de un motor eléctrico? Justifique su
elección contestando de ser posible las preguntas
anteriores.
◦ Articulación de brazo robótico para la colocación de chasis en una
línea de producción de vehículos.
◦ Ventilador doméstico de techo
◦ Carretilla eléctrica (construcción)
◦ Sierra circular (carpintería)
◦ Fresador universal CNC
◦ Grúa eléctrica (2 Toneladas)
◦ Actuador de cabeza disco duro
◦ Limpiaparabrisas de vehículo
◦ Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco.
◦ Lavadora de ropa (con aspas de agitación).
Im ó T
4to
1er
Vm ó 
3 er
2do
Acondicionadores de salida.
IGBT:Insulated Gate
TBJ
FET
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta
20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado
en aplicaciones de altas y medias energía como fuente
conmutada, control de la tracción en motores .
Simulación
Amplificadores operacionales
Amplificadores operacionales
Amplificadores operacionales
Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual.
Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente.


Técnica tradicional. Rampa-Comparador
Generador de PWM.
Ejemplo PWM



Realizar un circuito PWM (0-100%) y una
etapa de potencia para variar la velocidad de
un motor de DC.
Acoplar el encoder realizado en la práctica
No.1, para medir las r.p.m, utilizando el
osciloscopio.
Entregar: Circuito funcionando, diagramas de
conexión y planos del motor-soporteencoder.
DAC y ADC.

La mayoría de los controladores son
implementados en dispositivos digitales:
MC, computadoras, etc.
Al tratarse de un dispositivo digital necesitamos
de dos dispositivos muy importantes:
ADC
SISTEMAS DE CONTROL
DIGITAL
DAC


Para ingresar datos analógicos a un circuito
digital, estos se deben transformar en valores
digitales codificados.
1.Evaluar numéricamente la señal en instantes
discretos muestreo y obtener una señal
digitalizada.
Señal digitalizada
Voltaje
Señal
analógica
Punto muestreado
Tiempo
¿Qué tan rápido se debe muestrear?


Este teorema dice que es necesario muestrear
una señal a una tasa de más de dos veces la
componente de frecuencia máxima de la
señal: fs>2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo y
el límite en la tasa mínima requerida (2fmax)
se llama frecuencia Nyquits.

Si una señal se muestrea menos de dos veces
su componente de frecuencia máxima puede
resultar un “aliasing” de la señal.



La conversión analógico digital, involucra la
concepción de dos pasos: cuantización y
decofificación.
La cuantización es la transformación de una
entrada analógica continua en un conjunto de
estados de salida discretos.
La decodificación es la asignación de una
palabra ó número digital a cada estado de
salida.
7
111
6
110
5
101
4
100
3
011
2
010
1
001
0
000
estado código 0-1.25 1.25-2.5 2.5-3.75 3.75-5
de salida de salida
5-6.25 6.25-7.5 7.5-8.75 8.75-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALÓGICO
RESOLUCIÓN.

Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarse
en esta secuencia para convertir una
señal analógica:





sensor
Amplificador
Filtro
Circuito de muestreo y retención
Convertidor analógico a digital
Procesador
amplificador
filtro
Muestreo
ADC
PROCESADOR
Unidad de control
start
S&H
com
para
dor
Entrada
analógica
Registro de
aproximaciones
sucesivas
end
Latch
Salida
digital
D/A
Sistema mecánico
Actuadores
Interfaz
Sensores
Acondicionador
de señal de
salida
Acondicionador
de señal de
entrada
Control
Perturbaciones
Realizar el
esquemático
Simulación del
circuito
Ajustar dimensiones,
tamaño de cables,
distribución de
componentes,
encapsulado,
disipadores de calor,
etc.
Prueba del
circuito en
protoboard
Circuito en
tarjeta
perforada
(wirewrap)
Diseño del PCB
Fabricación
del PCB
Pruebas
finales
Perturbaciones
Seleccionar componentes con número comercial/no
genéricos.
Etiquetas en todos los componentes y valor del componentes
(Resistencias, capacitores, etc.)
Distribución adecuada de todos los componentes.
Selección del Fooprint
PIN2
BAT-2
BCY-W3
DIP-8
RAD-0.2
AXIAL-0.3
DIP-16
HDR2X3
HDD1X7
MBFM-P4
HDR1X2H
TO-220






Coloca las entradas del circuito por un lado y las
salidas por otro.
La alimentación del circuito tienen que estar
separada.
Utiliza conectores de una sola posición para las
señales.
Nuca combines las señales de control y señales
de potencia en un solo cable.
Utiliza diferentes anchos de pista según el tipo
de señal.
Alimenta los actuadores con una fuente de poder
diferente a la del circuito de control.
•Una o dos capas
•True hole
•Reglas: ancho de
la pista,
separación entre
las pistas
•Malla
Imprimir los “finales” en fotolitos, hojas azules, acetatos, revistas.
 Limpiar correctamente la placa de cobre con agua y jabón (fibra).
 Para las hojas azules, acetatos, revistas, etc. Colocar el final
sobre la placa de cobre y colocar una plancha caliente sobre ella.
 Esperar a que se transfiera las líneas del circuito.
 En un recipiente de plástico colocar el ácido para revelar el
circuito (acido muriático y cloruro férrico).
 De ser posible calentar unos 10 ó 20 ° C el acido para que el
relevado sea más rápido.
 Mover continuamente el ácido en el recipiente de un lado a otro.
 Sacar la placa de cobre, limpiar nuevamente con agua y jabón
para quitar residuos de la transferencia.
 Verificar continuidad en las pistas.
 Marcar con una punta los centros de los agujeros.
 Barrenar cada agujero.
 Montar componentes.





Protocolos de comunicación RS232-RS485
Tramas de información
Rutinas para convertir Código ASCII - HEX
Códigos de detección de error
Comunicación RF
Al transmitir algún datos por un dato de
comunicación, los datos pueden
Ser corrompidos por el ruido, provocando que la
información transmitida cambie.
En la práctica, un canal de
comunicación está sujeto a una a
diversidad de perturbaciones que
resultan en una distorsión del
mensaje que se está trasmitiendo
¿Será posible detectar el dato corrompido?.....
¿ Será posible corregirlo?

En la mayoría de las aplicaciones el canal de
comunicación está limitado a un alfabeto
valuado de manera binaria cuyas señales se
pueden denotar como 0 y 1. Un canal así se
llama canal binario.

Por ejemplo, si se requiere transmitir las letras
del alfabeto [A,B,C,D,E,F,G,H], estas se pueden
codificar en formato binario de la siguiente
forma:

Código original
Símbolo
000
A
001
B
010
C
011
D
100
E
101
F
110
G
111
H
Por ejemplo si la secuencia 000 para A
se cambia por ruido a 100 entonces se
identificará como 100, entonces, se
decodificará como E.

Se modificará ahora el código al añadirle el
dígito extra o redundante a cada secuencia
de 3 bits, este dígito de más (paridad) ,se
escoge para que sea 1 si la suma de los tres
dígitos del código original es impar; si no
sucede así, se escoge para que sea 0.
Símbolo
Código original
Código
redundante
A
000
0000
B
001
0011
C
010
0101
D
011
0110
E
100
1001
F
101
1010
G
110
1100
H
111
1111
Un error sencillo en una secuencia de código en particular
produce otra secuencia que no pertenece al código. Por
ejemplo, la secuencia de código 0000 para A se podría
transformar por el ruido en cualquiera de las secuencias
0001, 0010, 0100, 1000.
Ninguna de estas secuencias resultantes aparece en el
código y de inmediato se detecta un error.



Un error en un dato binario se define como
un valor incorrecto en uno más bits.
Un ERROR SIMPLE es un valor incorrecto en un
solo bit.
Un ERROR MULTIPLE se refiere a la existencia
de uno o más bits incorrectos.

Se transmiten 7 bits:
4 para la información: I3,I2,I1,IO
3 para paridad: P2,P1,P0 la paridad se define como
0: número de 1´s par
1: número de 1´s impar
7
6
5
4
3
2
1
I3
I2
I1
P2
I0
P1
P0
P2=paridad de los bits 7,6,5=bit4
P1=paridad de los bits 7,6,3=bit2
P0=paridad de los bits 7,5,3 =bit1
7,6,5,4=4
7,6,3,2=2
7,5,3,1 =1
Paridad en los bits,
define el peso del bit
de error.
Paridad impar=1
Paridad par = 0
Por ejemplo la paridad de todos los números:
7,6,5,4= impar=1
7,6,3,2=impar=1
7,5,3,1= impar=1
Define los pesos en 4-2-1= 7=== error en el bit 7
Por ejemplo la paridad de todos los números:
7,6,5,4= par=0
7,6,3,2=impar=1
7,5,3,1= impar=1
Define los pesos en 2-1= 3=== error en el bit 3

Se quiere transmitir el siguiente dato: 1011,
la trama que llego es: 1110101 ¿Cuál es el bit
que tiene el error? y ¿Cuál es la trama que se
transmitio?
Trama de
información
Maestro
Esclavo
La trama ó protocolo de
información, puede ser definida
por el usuario, con el número de
bits ó bytes que necesite
transmitir.

Se puede definir los siguientes bytes para
trasmitir información entre dos dispositivos:
Maestro:PC y esclavo MC.
Fuente
Destino
Bytes
coman
do
Dato 0
Dato 1
Dato 2
Fuente: 01 PC-02 MC
Destino: 01 PC-02 MC
Bytes: Número de bytes a transmitir COMANDO + DATOS
Comando: 01 MOVER, 02 APAGAR, 03 ENCENDER, 04 LEER POSICION,
EE: ERROR, CC: o.k.
Dato 0: 01 ACTUADOR1, 02: ACTUADOR2
Dato 1:valor del comando (00-FF)
CRC= FTE xor DESTINO exor BYTES exor COMANDO xor DATOS+1
CRC
Fuente: 01 PC-02 MC
 Destino: 01 PC-02 MC
 Bytes: Número de bytes a transmitir COMANDO + DATOS
 Comando: 01 MOVER, 02 APAGAR, 03 ENCENDER, 04 LEER POSICION,
EE: ERROR, CC: o.k.
 Dato 0: 01 ACTUADOR1, 02: ACTUADOR2
 Dato 1:valor del comando (00-FF)
 CRC= FTE xor DESTINO exor BYTES exor COMANDO xor DATOS+1


Ejemplo1:
◦ Se transmite 0102030101FFFF: La PC comanda al MC 3 bytes: mover el actuador 1, FF
grados
◦ Respuesta: 020101CCCE: El MC responde con 1 byte CC=O.K.

Ejemplo2:
◦ Se transmite 010202040207: La PC comanda al MC 2 bytes: leer la posición del
actuador 2
◦ Respuesta: 020101AAA8: El MC responde con 1 byte AA= valor de la posición.

Es importante considerar cual es la
arquitectura del sistema que queremos
diseñar y poder definir la tarea que debe
realizar cada parte del sistema.
ESTRUCTURA DE TAREAS (CONTROL DE VELOCIDAD DE UN
MOTOR C.D.).
ESTRUCTURA DE TAREAS (CALENTADOR).
ESTRUCTURA DE TAREAS
(TOSTADOR).
ESTRUCTURA DE TAREAS .
EXTERNO
INTERNO
USUARIO:
POSICION DESEADA
REPORTES
INTERFAZ
ALMACENAMIENTO DE
DATOS
CONTROL CON
RETROALIMENTACION
SOFTWARE
INTERPRETAR SEÑAL
HARWARE
SEÑAL COMANDADA
ACONDICIONADOR DE
SEÑAL
AMPLIFICADOR DE SEÑAL
SENSOR
ACTUADOR
PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL
CONTROL:
Determinar
una
configuración
del sistema.
Transforma
r el
sistema
físico en
diagrama
Obtener el
modelo
matemático
como una
función de
transferenci
a o en
variable de
estado.
Analizar el
sistema modelo
para obtener las
especificaciones.
Diseñar el
controlador y
probar para
ver si cumple
con los
requerimientos
.
Sueña, construye y disfruta.




La actividad esencial del diseño es la
producción de una descripción final del
artefacto.
Realizar dibujos.
Anotaciones adicionales.
Lista de partes y/o componentes.
EXPLORACION
GENERACION
EVALUACION
COMUNICACION
Diseño conceptual: Genera
soluciones amplias, en forma
de esquemas. Fase donde se
conjuntas las ciencias de la
ingeniería, el conocimiento
práctico y es donde se toman
las decisiones mas
importantes.
Dar forma a los esquemas: Se
trabajan con mas detalle, y se
realiza una selección en caso
de que haya más de uno. El
producto es un conjunto de
dibujos del sistema general.
Desarrollo de detalles: Ultima
fase donde quedan por decidir
muchos puntos pero
importantes. Demanda mucha
habilidad y paciencia.
Necesidad
Análisis del
problema
Planteamiento
del problema
Diseño
conceptual
Esquemas
Seleccionados
Representación
de los esquemas
Desarrollo de
detalles
Dibujos de
trabajo, etc.
En análisis del problema es
una parte pequeña pero
importante del proceso global.
El resultado es un
planteamiento del problema, y
éste puede tener tres
elementos:
1. Un planteamiento del
propio problema de diseño.
2. Las limitaciones que se
imponen a la solución, por
ejemplo: normas,
restricciones, fechas
terminación, etc.
3. El criterio de excelencia
hacia el que se va ha
trabajar.
Herramientas
Fundamentación
Investigación
Análisis



Síntesis
Evaluación
Análisis: Elaborar un lista de todos los requisitos diseño y
la reducción de éstos a un conjunto completo de
especificaciones.
Síntesis: Encontrar soluciones posibles para cada
especificación y desarrollar diseños completos a partir de
estos.
Evaluación. Evaluar con exactitud con la cual los diseños
alternativos satisfacen los requisitos de rendimiento para
la operación, manufactura y ventas antes de seleccionar el
diseño final.
Tarea
A
c
Especificación
t
u
a
Diseño
Conceptual
l
i
Identificar los problemas esenciales
Establecer las estructuras de las funciones
Buscar principios de solución.
Combinar y confirmar en variantes de conceptos
Evaluar contra los criterios técnicos y económicos
Concepto
z
Desarrollar arreglos preliminares y diseños de forma
Seleccionar los mejores arreglos preliminares
Refinar y evaluar contra los criterios técnicos y económicos
a
r
y
Clarificar la tarea
Elaborar la especificación
Diseño para
dar forma
Arreglo preliminar
Optimizar y completar los diseños de forma
Verificar si hay errores y la eficacia en costos
Preparar la lista de partes preliminares y documentos de producción
m
e
j
Arreglo definitivo
o
r
a
r
Diseño de
detalles
Finalizar los detalles
Completar los dibujos de detalles y los documentos de producción.
Verificar todos los documentos
Documentación
Solución
Información: Adaptar la especificación.
Clarificación de
la tarea


Modelo desarrollado en Alemania (VDI: Verein
Deutscher Ingenierue). Enfoque sistemático
para el diseño de sistemas técnicos y
productos.
El proceso de diseño, como parte de la
creación de un producto, se subdivide en
etapas de trabajos generales, haciendo que el
enfoque de diseño sea transparente,
lógicamente ordenado e independiente de
una rama específica de la industrial.
Tarea
1
ETAPAS
RESULTADOS
Clarificar y definir la tarea.
Especificación
2
Determinar las funciones y sus estructuras
Estructura de funciones
3
Buscar principios de solución y sus combinaciones
Solución principal
4
Dividir en módulos realizables
Estructura del modelos
5
Desarrollar arreglos de los módulos claves
Arreglos preliminares
6
Completar el arreglo general
Arreglo definitivo
7
Preparar las instrucciones de operación y de producción
Documento del producto
Realización Adicional
PROBLEMA
GENERAL
SOLUCION
GENERAL
MEJORA DE
DETALLES
CLARIFICACION DE
OBJETIVOS
ESTABLECIMIENTO
DE FUNCIONES
FIJACION DE
REQUERIMIENTOS
PROBLEMAS
SECUNDARIOS
EVALUACION DE
ALTERNATIVAS
DETERMINACION
DE LAS
CARACTERISTICAS
GENERACION DE
ALTENATIVAS
SOLUCIONES
SECUNDARIAS
1.
2.
3.
4.
5.
Recopilar datos de los clientes.
Interpretar los datos en términos de las necesidades del
cliente.
Organizar las necesidades en una jerarquía de necesidades
primarias, secundarias y si es necesario terciarias.
Establecer la importancia relativa de las necesidades.
Reflejarla en los resultados y en el proceso.

Entrevista con el cliente.
Uno o mas miembros del equipo analizan las necesidades con
un solo cliente, las entrevistas duran entre una y dos horas.
Que preguntar ????
Qué?
Cómo?
Porqué?
Para qué?
Sugerencias para la interacción con el cliente:






Ir con la corriente.
Utilizar estímulos y propuestas visuales.
Suprimir hipótesis previamente concebidas sobre la
tecnología del producto.
Hacer que el cliente demuestre el producto y/o las funciones
típicas relacionadas con éste.
Hay que estar alerta de que surjan sorpresas y de la
expresión de necesidades latentes.
Observar la información no verbal.
Documentar las interacciones con el cliente.




Grabación de audio.
Notas.
Grabación de video.
Fotografía fija.
•Expresar la necesidad en términos de lo que el
producto tiene que hacer, no en términos de cómo
podría hacerlo.
•Expresar la necesidad tan específicamente como los
datos sin procesar.
•Utilizar fraseo positivo, no negativo.
•Expresar la necesidad como un atributo del producto.
•Evitar las palabras debe y debería.
Sistema desatornillador.
“Que” no “como”
Especificidad
Positivo no negativo
Un atributo del
producto
Evitar “debe” y
“debería”




Imprimir cada enunciado.
Eliminar los enunciados redundantes.
Agrupar de acuerdo con la similitud de la
necesidad.
Para cada grupo elegir una etiqueta
generalizada de la necesidad.

Ponderar cada una de las necesidades, de
acuerdo a un consenso entre los integrantes
del equipo de trabajo. Se pueden ponderar de
tal manera que la suma de las importancias
de todas las necesidades sea 100.

Las necesidades del cliente se deberán
expresar en términos de lo que el producto
tiene que hacer y no en términos de cómo
debería se implementado en el producto.



Cuestionario adecuadamente estructurado.
Preguntas para que el diseñador pueda generar sus
especificaciones de diseño.
Una vez obtenida esta información se pueden estimar los
recursos materiales y humanos, así como estimar el tiempo
necesario para el desarrollo del proyecto.
◦ Planeación.
◦ Alcances (Entregables).



Realizar un cuestionario con preguntas
concretas, las cuales se harán a los
profesores, equipo por equipo en un tiempo
máximo de 10 min.
El cuestionario con las preguntas y
respuestas, serán entregados al final de la
práctica.
El cuestionario servirá como base para
posteriormente obtener la planeación del
proyecto.
“Ha que saber a donde llegar”
Cliente: Solo conoce el
tipo de producto que
desea.
Estructura Móvil:
Animación.
Video.
Estacionamiento radial:
Animación 1.
Animación 2.
Video
PROBLEMA
SOLUCION
Método de diseño
Los objetivos de diseño también
se denominan requerimientos del
cliente, necesidades del usuario ó
propósitos del producto.






Ejemplo:
Se requiere diseñar una máquina-herramienta que sea
“segura”:
Bajo riesgo de lesión al operador.
Bajo riesgo de errores de operador.
Bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o a la
herramienta.
Corte automático de la operación en caso de una
sobrecarga.
A medida que se amplía la lista de objetivos, deberá
quedar en claro que algunos se encuentran a
mayores niveles de importancia que otros.
Las preguntas que son útiles para ampliar y clarificar los
objetivos pueden ser: ¿Porqué?, ¿Cómo? y ¿Qué?
¿Cómo?
Ordenar la lista en conjuntos de objetivos
de nivel superior a un nivel inferior:
La máquina debe
ser segura
Bajo riesgo de
lesión para el
operador
Bajo riesgo de
errores del
operador
Bajo riesgo de
daño a la pieza de
trabajo o a la
herramienta
¿Por que?
Corte automático
de la operación
ante una
sobrecarga
Sistema de alarma
El sistema
toma
acciones
El sistema es
100 % confiable
Solo el usuario
lo desactiva
No tiene fallas
Locales
Activa
alarma
sonora
Operación
Remotas
Notifica al
usuario
Notifica a la
policía
El sistema
funciona
aun con
cortes de
energía

Preparar una lista de objetivos de diseño.
Estos se toman del planteamiento de diseño, a partir de
preguntas al cliente y de una reunión con el equipo de diseño.

Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de mayor y menor nivel.
Los objetivos principales y los objetivos secundarios de la lista
ampliada se agrupan aproximadamente en niveles jerárquicos.

Dibujar un diagrama del árbol de objetivos que muestre la
relaciones jerárquicas e interconexiones.
Las rama (o raíces) del árbol representan las relaciones que
sugieren medios para alcanzar objetivos.
Elaboración automática de té
Proceso del té con extracto del té
Calentar Agua
Pasar por la
superficie de
calentamiento
Proceso normal del té
Combinar el agua
y las hojas de té
Agua a Té
Proceso del té por perfusión
Controlar el tiempo
de preparación
Separar el té de las
hojas
Sacar las
hojas
Té a Agua
Remover
ambos
Agua y Té
Sacar el Té
Llevar la
energía al
elemento de
calentamiento
Llevar el agua
al elemento de
calentamiento
Medir el
tiempo
Medir la
concentración
del té
Medir en el
proceso el
estado que
depende del
tiempo
Funciones
Medios


Diseñe el árbol de objetivos sobre el transporte
público (Microbus) en la ciudad de México.
Considere como objetivos primarios: Rápido,
seguro, cómodo.
El sistema de
transporte
El sistema de
transporte
debe ser
rápido.
El sistema de
transporte
debe ser
seguro para
los pasajero.
El sistema de
transporte
debe ser
cómodo para
los usuarios.
Divide y vencerás.

Este método ofrece un medio para considerar
las funciones esenciales y el nivel en el que el
problema debe abordarse. Las funciones
esenciales son aquellas que debe satisfacer el
dispositivo independientemente de los
componentes físicos que pudieran utilizarse.
1. Expresar la función global del diseño en términos
de la conversión de entradas y salidas.
FUNCION
“CAJA NEGRA”
ENTRADAS
SALIDAS

2. Descomponer la función global en un conjunto
de funciones secundarias necesarias. Cuando se
especifican las funciones secundarias, conviene
plantearse con un verbo y un sustantivo.
Por ejemplo: “amplificar señal”, “contar artículos”,
“separar desperdicio”, etc.
Cada función necesaria, tiene sus propias
entradas y salidas.

3. Dibujar un diagrama de bloques que
muestre las interacciones entre las
funciones secundarias.
Función
Secundaria
Entradas
Función
Secundaria
Función
Secundaria
Función
Función
Secundaria
Salidas

Dibujar los limites del sistema.
Aquí se definen los límites funcionales
para el producto o dispositivo a diseñar.
En el diagrama no puede haber entradas o
salidas “sueltas”, excepto aquéllas que
provienen de los limites del sistema o van
hacia afuera.
Muchos de estos limites, dependen de los
requerimientos del cliente o de la política
gerencial.
5. Buscar componentes apropiados para
realizar las funciones secundarias y sus
iteracciones.
Aquí se determina el tipo de sistema a ser
desarrollado posteriormente (sistema
mecánico, electrónico, PC, humano, etc.).

Agua Fría
(Cantidad Medida)
Hojas de Té
(Cantidad Medida)
Té Caliente
Té
PREPARANDOSE
Hojas de Té
(Desperdicio)
Energía
Agua
Té
El agua se
calienta
El agua y el té se
mezclan
Té en
infusión
El agua y el té se
separan
Energía
Hojas
Hojas de té
Agua
Té
El agua se
calienta
Las hojas de té
se sumergen
Energía
Hojas
Hojas de té
Agua
Té
El agua se
calienta
Energía
Las hojas de té
se sumergen
Las hojas de té
se sumergen
Té
REGULAR
el calentamiento
REGULAR
La infusión
té
Agua
CALENTAR
el agua
MEZCLAR
El té y el agua
PERMITIR
La infusión
SEPARAR
el té y las hojas
hojas
TRANSFORMAR
La energía en calor
Energía
(eléctrica)
ACTIVAR
La separación
Ropa Limpia
Ropa Sucia
Lavadora
Mugre
ENTRADAS
FUNCION
SALIDAS
Agua Sucia
Agua
Ropa
Sucia
Aflojar
Mugre
(agregar
agua y
detergente
Agua
Desprender
mugre
(agitar)
Detergente
Quitar
mugre
(enjuagar)
Agua
Funciones secundarias esenciales
Aflojar la mugre
Desprender la mugre
Quitar la mugre
Sacar el agua
Secar la ropa
Quitar arrugas
Sacar Agua
(centrifugar)
Aire
húmedo
Secar ropa
Aire
Caliente
Planchar
ropa
Ropa
limpia
Medios para lograr las funciones secundarias
Agregar agua y detergente
Agitar
Agitar
Exprimir (centrifugar)
Soplar agua caliente
Planchar

Péndulo Invertido
Posición
deseada
Energía
Posición
del
péndulo
Leer posición
de la interfaz
Generar error
Evaluar
controlador
Amplificar
señal de
corrección
Acondicionar
señal
Mover motor
Leer posición
real
Desplazar
móvil
Corregir
posición
del péndulo

1.
2.
3.
4.
Realizar una presentación por equipo, donde se
realice (Máx. 10 min) y seleccionar un integrante
del equipo que realice la presentación :
Enunciados obtenidos de la entrevista con el cliente
(procesados).
Clasificación de los enunciados con prioridades.
Árbol de objetivos (sistema mecánico, electrónico y de
control, con posibles interacciones).
Caja Negra y funciones detalladas del sistema
detallado.
Nota: Enviar presentación a [email protected] a mas tardar en día
viernes a las 9:00 hrs.

Es necesario entender exactamente qué
desean los clientes en términos de los
atributos del producto y asegurar que éstos
se traduzcan cuidadosamente en
especificaciones apropiadas a las
características de ingeniería.

Un método completo para lograr la
correspondencia entre los requerimientos del
cliente con las características de ingeniería es
el método de despliegue de la función de
calidad (QFD).
RC: Requerimientos
CT: Características técnias


El conjunto de requerimientos comprende la
especificación del rendimiento del producto o
la máquina.
Hay que establecer o por lo menos identificar
las especificaciones más importantes en los
primeros momentos del proceso de diseño.
D: Demandas
d: Deseadas