Diseño Mecatrónico Proceso de Diseño Mecatrónico MCTG1013 Marcelo Fajardo-Pruna, PhD mrfajard@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0002-5348-4032 SCOPUS ID: 57195539927 Mechatronics: Synergetic Integration of Different Disciplines Mechanical and Information Processing Conventional vs. Mechatronic Design Mechatronic System Integration Multi-Level Control Architecture • Level 1 • low level control (feedforward, feedback for damping, stabilization, linearization) • Level 2 • high level control (advanced feedback control strategies) • Level 3 • supervision, including fault diagnosis • Level 4 • optimization, coordination (of processes) • Level 5 • general process management Mathematical Models • Mathematical process models for static and dynamic behavior are required for various steps in the design of mechatronic systems, such as simulation, control design, and reconstruction of variables. • There are two ways to obtain these models: • Theoretical modeling based on first (physical) principles • Experimental modeling (identification) with measured input and output variables Simulation Methods Real-Time Simulation Hardware-In-the-Loop (HIL) • The hardware-in-the-loop simulation (HIL) is characterized by operating real components in connection with real-time simulated components. • Usually, the control system hardware and software is the real system, as used for series production. The controlled process (consisting of actuators, physical processes, and sensors) can either comprise simulated components or real components, PC-Based Hardware-in-the-Loop Simulation Control Prototyping • For the design and testing of complex control systems and their algorithms under real-time constraints, a real-time controller simulation (emulation) with hardware (e.g., off-theshelf signal processor) other than the final series production hardware (e.g., special ASICS) may be performed. • The process, the actuators, and sensors can then be real. This is called control prototyping Real-Time Simulation Integrated Design Issues • Concurrent engineering of the mechatronics approach relies heavily on the use of system modeling and simulation throughout the design and prototyping stages. • It is especially important that it be programmed in a visually intuitive environment. • block diagrams, flow charts, state transition diagrams, and bond graphs. Integrated Design Issues • Mechatronics is a design philosophy: an integrating approach to engineering design. • Mechatronics makes the combination of actuators, sensors, control systems, and computers in the design process possible. • Starting with basic design and progressing through the manufacturing phase, mechatronic design optimizes the parameters at each phase to produce a quality product in a short-cycle time Modeling vs. Experimental Validation Hardware and Software Integration Concurrent Engineering • Concurrent engineering is a design approach in which the design and manufacture of a product are merged in a special way. • It is necessary that the knowledge and necessary information be coordinated amongst different expert groups. • The characteristics of concurrent engineering are • Better definition of the product without late changes. • Design for manufacturing and assembly undertaken in the early design stage. • Process on how the product development is well defined. • Better cost estimates. • Decrease in the barriers between design and manufacturing. Concurrent Engineering Mechatronic System Design (MSD) • Design is an engineering philosophy that can vary between different schools of thought. • MSD should follow a well-defined iterative design steps that incorporate synergetic design. It should include the following operations: 1. User and system requirements analysis 2. Conceptual Design 3. Mechanical, software, electronics, and interface design 4. System modeling and simulation 5. Prototyping and testing Mechatronic System Block Diagram Design Stages • Stage 1: Define the Objective and Specifications • Stage 2: Analyze and Design • Stage 3: Build and Test Stage 1: Define the Objectives & Specifications 1. Identify the problem. 2. Research and literature review 3. Set the initial system specifications. Design Stage 2: Analyze and Design 4. Establish a general block diagram and a flow chart • Specify system I/O • Specify control algorithm to use 5. Choose appropriate components • Sensors and actuators; Controller • Drive and signal conditioning circuits 6. Concurrent/Synergistic Design • Mechanical structure; Electronic system; Software/controller; Interface 7. Model and simulate the system Stage 3: Build and Test 8. Emulate the controller hardware 9. Build prototype, test, and evaluate (modify if needed) Synergistic Design Mechatronic Design Process Computer-Aided Systems: Important Features • Modeling: • Block diagrams for working with understandable multidisciplinary models that represent a physical phenomenon. • Simulation: • Numerical methods for solving models containing differential, discrete, linear, and nonlinear equations. • Project Management: • Database for maintaining project information and subsystem models for eventual reuse. • Design: • Numerical methods for constrained optimization of performance functions based on model parameters and signals. Computer-Aided Systems: Important Features • Analysis: • Frequency-domain and time-domain tools • Real-Time Interface: • A plug-in card is used to replace part of the model with actual hardware by interfacing to it with actuators and sensors. • Code Generator: • Produces efficient high-level source code (such as C/C++) from the block diagram. The control code will be compiled and used on the embedded processor. • Embedded Processor Interface: • Communication between the process and the computer-aided prototyping environment. Mechatronic Key Elements • Information Systems • Modeling and Simulation • Optimization • Mechanical Systems • Electrical Systems • DC and AC Analysis • Power • Sensors and actuators • Real-Time Interfacing Information Systems • Information systems include all aspects for information exchange • Signal processing, control systems, and analysis techniques • The following are essential for mechatronics applications • Modeling and Simulation • Automatic control • Numerical methods for optimization. Information Systems: Modeling • Modeling is the process of representing the behavior of a real system by a collection of mathematical equations and logic. • Models can be static or dynamic • Static models produce no motion, heat transfer, fluid flow, traveling waves, or any other changes. • Dynamic models have energy transfer which results in power flow. This causes motion, heat transfer, and other phenomena that change in time. • Models are cause-and-effect structures—they accept external information and process it with their logic and equations to produce one or more outputs. • Parameter is a fixed-value unit of information • Signal is a changing-unit of information • Models can be text-based programming or block diagrams Information Systems: Simulation • Simulation is the process of solving the model and is performed on a computer. • Simulation process can be divided into three sections: • Initialization • Iteration, • Termination. Mechanical Systems • Mechanical systems are concerned with the behavior of matter under the action of forces. • Such systems are categorized as rigid, deformable, or fluid in nature. • Rigid-bodies assume all bodies and connections in the system to be perfectly rigid. (i.e. do not deform) • Fluid mechanics consists of compressible and incompressible fluids. • Newtonian mechanics provides the basis for most mechanical systems and consists of three independent and absolute concepts: • Space, Time, and Mass. • Force, is also present but is not independent of the other three Electrical Systems • Electrical systems are concerned with the behavior of three fundamental quantities: • Charge, current, and voltage • Electrical systems consist of two categories: • Power systems and Communication systems • An electric circuit is a closed network of paths through which current flows. • Circuit analysis is the process of calculating all voltages and currents in a circuit given as is based on two fundamental laws : • Kirchhoff ’s current law: The sum of all currents entering a node is zero. • Kirchhoff ’s voltage law: The sum of all voltage drops around a closed loop is zero. Electrical Systems: Power • Energy is the capacity to do work various • Potential, kinetic, electrical, heat, chemical, nuclear, and radiant. • Power is the rate of energy transfer, and in the SI unit system, the unit of energy is the joule and the unit of power is the watt (1 wat, 1 joule per second). Sensors • Sensors are required to monitor the performance of machines and processes • Common variables in mechatronic systems are temperature, speed, position, force, torque, and acceleration. • Important characteristics: the dynamics of the sensor, stability, resolution, precision, robustness, size, and signal processing. • Intelligent sensors are available that not only sense information but process it well • Progress in semiconductor manufacturing technology has made it possible to integrate sensor and the signal processing on one chip • Sensors are able to ascertain conditions instantaneously and accurately • These sensors facilitate operations normally performed by the control algorithm, which include automatic noise filtering, linearization sensitivity, and self- calibration. Actuators • Actuation involves a physical action on a machine or process. They can transform electrical inputs into mechanical outputs such as force, angle, and position. • Actuators can be classified into three general groups. 1. Electromagnetic actuators, (e.g., AC and DC electrical motors, stepper motors, electromagnets) 2. Fluid power actuators, (e.g., hydraulics, pneumatics) 3. Unconventional actuators (e.g., piezoelectric, magnetostrictive, memory metal) Real-Time Interfacing • Real-time interface provides data acquisition and control functions for the computer. • Reconstruct a sensor waveform as a digital sequence and make it available to the computer software for processing. • The control function produces an analog approximation as a • series of small steps. • Real-time interfacing includes: • A/D and D/A conversions • Analog signal conditioning circuits • Sampling theory. MECHATRONIC APPLICATIONS Automotive Industry • Vehicle diagnostics and monitoring. Sensors to detect the environment; monitor engine coolant, temperature and quality; Engine oil pressure, level, and quality; tire pressure; brake pressure. • Pressure, temperature sensing in various engine and power locations; exhaust gas analysis and control; Crankshaft positioning; Fuel pump pressure and fuel injection control; Transmission force and pressure control. • Airbag safety deployment system. Micro-accelerometers and inertia sensors mounted on the chassis of the car measures car deceleration in x or y directions can assist in airbag deployment. • Antilock brake system, cruise control. Position sensors to facilitate antilock braking system; Displacement and position sensors in suspension systems. • Seat control for comfort and convenience. Displacement sensors and micro actuators for seat control; Sensors for air quality, temperature and humidity, Sensors for defogging of windshields. Robots Aerospace Industry • Landing gear systems; Cockpit instrumentation; Pressure sensors for oil, fuel, transmission; Air speed monitor; Altitude determination and control systems. • Fuel efficiency and safety systems; Propulsion control with pressure sensors; Chemical leak detectors; Thermal monitoring and control systems. • Inertial guidance systems; Accelerometers; Fiber-optic gyroscopes for guidance and monitoring. • Automatic guided vehicles, space application; Use of automated navigation system for NASA projects; Use of automated systems in under water monitoring and control Consumer Products Consumer Industry • Consumer products such as auto focus camera, video, and CD players; Consumer electronic products such as washing machines and dish washers. • Video game entertainment systems; Virtual instrumentation in home entertainment. • Home support systems; Garage door opener; Sensors with heating, ventilation, and air-conditioning system; Home security systems. Production Machines Industrial Systems and Products • Monitoring and control of the manufacturing process; CNC machine tools; Advanced high speed machining and quality monitoring. • Rapid prototyping; Manufacturing cost saving by rapid creation of models done by CAD/CAM integration and rapid prototyping equipment. • Specialized manufacturing process such as the use of welding robots; Procedure for automatically programming and controlling a robot from CAD data. 3D Printing Health Care Industry • Medical diagnostic systems, non-invasive probes such as ultrasonic probe. Disposable blood pressure transducer; • Pressure sensors in several diagnostic probes. Systems to control the intravenous fluids and drug flow; • Endoscopic and orthopedic surgery. Angioplasty pressure sensor; Respirators; Lung capacity meters. • Other products such as Kidney dialysis equipment; MRI equipment. Mechatronic System Example: DC Motor Conclusion • Mechatronics design can lead to high quality and costeffective products • Traditional sequential manner do not possess optimum design capabilities. • Concurrent design results in the development of intelligent and flexible mechatronic system • Increasing demands on the productivity of machine tools and their growing technological complexity call for improved methods in future product development processes. Diseño Mecatrónico Proceso de Diseño Mecatrónico MCTG1013 Diseño Mecatrónico Diseño del componente mecánico MCTG1013 Marcelo Fajardo-Pruna, PhD mrfajard@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0002-5348-4032 SCOPUS ID: 57195539927 Mechanical Design • Design of machine elements is an integral part of the larger and more general field of mechanical design. • Mechanical systems are composed of several mechanical devices. • To design mechanical devices and systems, you must be competent in the design of individual machine elements that comprise the system. • You must also be able to integrate several components and devices into a coordinated, robust system that meets your customer’s needs. Mechanical products • Consumer products • Household appliances • lawn mowers • chain saws • power tools • garage door openers • air-conditioning • systems, and many others. • Manufacturing systems • Material handling devices • Conveyors, cranes, transfer devices • Industrial robots • Machine tools • Automated assembly systems • Special-purpose processing systems • Forklift trucks • Packaging equipment. Closed end mailer for the printing industry • Construction equipment • Tractors with frontend • loaders or backhoes, cranes, power shovels, • earthmovers, graders, dump trucks, road pavers, • concrete • mixers, powered nailers and staplers, • compressors, and many others. • Agricultural equipment • Tractors • harvesters (for corn, wheat, tomatoes, cotton, fruit, and many other crops) • Rakes • hay balers • Plows • disc harrows, • cultivators, and conveyors • Transportation equipment • (a) Automobiles, trucks, and buses, which include hundreds of mechanical devices such as suspension components (springs, shock absorbers, and struts); door and window operators; windshield wiper mechanisms; steering systems; hood and trunk latches and hinges; clutch and braking systems; transmissions; driveshafts; seat adjusters; and numerous parts of the engine systems. • (b) Aircraft, which include retractable landing gear, flap and rudder actuators, cargo-handling devices, seat reclining mechanisms, dozens of latches, structural components, and door operators. • Ships • Winches to haul up the anchor, cargo-handling cranes, rotating radar antennas, rudder steering gear, drive gearing and driveshafts, and the numerous sensors and controls for operating on-board systems • Space systems • Satellite systems, the space shuttle, the space station, and launch systems, which contain numerous mechanical systems such as devices to deploy antennas, hatches, docking systems, robotic arms, vibration control devices, devices to secure cargo, positioning devices for instruments, actuators for thrusters, and propulsion systems. Questions • How many examples of mechanical devices and systems can you add to these lists? • What are some of the unique features of the products in these fields? • What kinds of mechanisms are included? • What kinds of materials are used in the products? • How were the components made? • How were the parts assembled into the complete products? The Design Process • The ultimate objective of mechanical design is • to produce a useful product that satisfies the needs of a customer and that is safe, efficient, reliable, economical, and practical to manufacture. • Who is the customer for the product or system listed below? • You are designing a can opener for the home market • You are designing a piece of production machinery for a manufacturing operation. • You are designing a powered system to open a large door on a passenger aircraft. Approaches • Axiomatic design • Quality function deployment (QFD) • Design for six sigma (DFSS) • TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving) • Total design • The engineering design process—embodiment design • Failure modes and effects analysis (FMEA) • Product design for manufacture and assembly Skills needed in mechanical design 1. Sketching, technical drawing, and 2D and 3D computer-aided design. 2. Properties of materials, materials processing, and manufacturing processes. 3. Applications of chemistry such as corrosion protection, plating, and painting. 4. Statics, dynamics, 5. Oral communication, listening, technical writing, and teamwork skills. 6. Fluid mechanics, thermodynamics, and heat transfer. 7. Fluid power, the fundamentals of electrical phenomena, and industrial controls. 8. Experimental design, performance testing of materials and mechanical systems, and use of computer-aided engineering software. 9. Creativity, problem solving, and project management. 10. Stress analysis. 11. Specialized knowledge of the behavior of machine elements such as gears, belt drives, chain drives, shafts, bearings, keys, splines, couplings, seals, springs, connections (bolted, riveted, welded, adhesive), electric motors, linear motion devices, clutches, and brakes. Product development and design process • Functions tell what the device must do, using general, nonquantitative statements that employ action phrases. • Design requirements are detailed, usually quantitative statements. • Evaluation criteria are statements of desirable qualitative characteristics of a design that assist the designer in deciding which optimum. alternative design is Example • Consider that you are the designer of a speed reducer that is part of the power transmission for a small tractor. The tractor’s engine operates at a fairly high speed, while the drive for the wheels must rotate more slowly and transmit a higher torque than is available at the output of the engine. • Functions? • Requirements? • Evaluation criteria? Functions 1. To receive power from the tractor’s engine through a rotating shaft. 2. To transmit the power through machine elements that reduce the rotational speed to a desired value. 3. To deliver the power at the lower speed to an output shaft that ultimately drives the wheels of the tractor. Design Requirements 1. The reducer must transmit 15.0 hp. 2. The input is from a two-cylinder gasoline engine with a rotational speed of 2000 rpm. 3. The output delivers the power at a rotational speed in the range of 290 to 295 rpm. 4. A mechanical efficiency of greater than 95% is desirable. 5. The minimum output torque capacity of the reducer should be 3050 pound-inches (lb # in). 6. The reducer output is connected to the driveshaft for the wheels of a farm tractor. Moderate shock will be encountered. 7. The input and output shafts must be in-line. 8. The reducer is to be fastened to a rigid steel frame of the tractor. 9. Small size is desirable. The reducer must fit in a space no larger than 20 in * 20 in, with a maximum height of 24 in. 10. The tractor is expected to operate 8 hours (h) per day, 5 days per week, with a design life of 10 years. 11. The reducer must be protected from the weather and must be capable of operating anywhere in the United States at temperatures ranging from 0 to 130°F. 12. Flexible couplings will be used on the input and output shafts to prohibit axial and bending loads from being transmitted to the reducer. 13. The production quantity is 10 000 units per year. 14. A moderate cost is critical to successful marketing. 15. All government and industry safety standards must be met. Evaluation Criteria 1. Safety (the relative inherent safety over and above stated requirements). 2. Performance (the degree to which the design concept exceeds requirements). 3. Ease of manufacture. 4. Ease of service or replacement of components. 5. Ease of operation. 6. Low initial cost. 7. Low operating and maintenance costs. 8. Small size and low weight. 9. Low noise and vibration; smooth operation. 10. Use of readily available materials and purchased components. 11. Prudent use of both uniquely designed parts and commercially available components. 12. Appearance that is attractive and appropriate to the application. Integration of Machine elements into a Mechanical Design • Mechanical design is the process of designing and/or selecting mechanical components and putting them together to accomplish a desired function. • The designer must consider not only the performance of the element being designed at a given time but also the elements with which it must interface. • Let us consider the design of a speed reducer for the small tractor discussed previously. • Suppose that, to accomplish the speed reduction, you decide to design a double-reduction, spur gear reducer. You specify four gears, three shafts, six bearings, and a housing to hold the individual elements in proper relation to each other. Possible assembly process • Start by placing the gears, keys, spacers, and bearings on their respective shafts. • Then insert shaft 1 into its bearing seat on the left side of the housing. • Insert the left end of shaft 2 into its bearing seat while engaging the teeth of gears A and B. • Install the center bearing support to provide support for the bearing at the right side of shaft 1. • Install shaft 3 by placing its left bearing into the seat on the center bearing support while engaging gears C and D. • Install the right side cover for the housing while placing the final two bearings in their seats. • Ensure careful alignment of the shafts. • Place gear lubricant in the lower part of the housing. Gears Shafts Keys Bearings Housing Computational AID • Spreadsheets, and commercial software must be used carefully and it is recommended that the following statements guide your use of such aids: • Users of computer software and calculation aids must have a solid understanding of the relevant principles of design and stress analysis to ensure that design decisions are based on reliable foundations. • Software should be used only after mastering a given design methodology by careful study and practicing manual techniques. Design calculations 1. Identify the machine element being designed and the nature of the design calculation. 2. Draw a sketch of the element, showing all features that affect performance or stress analysis. 3. Show in a sketch the forces acting on the element (the free-body diagram), and provide other drawings to clarify the actual physical situation. 4. Identify the kind of analysis to be performed, such as stress due to bending, deflection of a beam, buckling of a column, and so on. 5. List all given data and assumptions. 6. Write the formulas to be used in symbol form, and clearly indicate the values and units of the variables involved. If a formula is not well known to a potential reader of your work, give the source. The reader may want to refer to it to evaluate the appropriateness of the formula. 7. Solve each formula for the desired variable. 8. Insert data, check units, and perform computations. 9. Judge the reasonableness of the result. 10. If the result is not reasonable, change the design decisions and recompute. Perhaps a different geometry or material would be more appropriate. 11. When a reasonable, satisfactory result has been achieved, specify the final values for all important design parameters, using standard sizes, convenient dimensions, readily available materials, and so on. Example • A beam is to be designed to span a 60-in pit to support a large gear weighing 2050 pounds (lb). The design assumes that a rectangular shape is to be used for the cross section of the beam. The objective is to compute the required dimensions of the cross section, considering both stress and deflection. Preferred Basic Sizes • You should choose one of the preferred sizes as the final part of your design. • American Standard Screw Threads • Metric Screw Threads • Commercially Available Shapes for Load-Carrying Members • Angles or L-shapes • Channels or C-shapes • I-beam shapes • Hollow square and rectangular tubing • Pipe and hollow mechanical tubing Diseño Mecatrónico Diseño del componente mecánico MCTG1013 Diseño Mecatrónico Diseño del sistema de control MCTG1013 Carlos Saldarriaga, Ph.D. cxsaldar@espol.edu.ec Control • Una vez construido el hardware o parte mecánica, el siguiente paso es determinar el controlador que se debe implementar para garantizar que el sistema se comporte de manera correcta. • Modelo matemático • Relación entre las entradas y salidas • Analíticamente o experimentalmente (identificación) • Función de transferencia, espacio de estados • Se determinan criterios o especificaciones de control apropiados y diseño del controlador • Ecuación que se ejecutará en cada ciclo • Implementación Modelo matemático • Para obtener una descripción analítica del comportamiento dinámico de un sistema y posteriormente controlarlo, necesitamos el modelo matemático. • Los sistemas pueden ser modelados matemáticamente • Ecuaciones diferenciales lineales • Ecuaciones diferenciales no lineales • Para sistemas (altamente) no lineales se puede usar métodos lineales bajo ciertas condiciones o suposiciones • Muchas veces el controlador lineal puede resultar bastante razonable Sistemas en Lazo Cerrado • Casi siempre es necesario el uso de retroalimentación para obtener un mejor sistema de control • El criterio más básico que se debe mantener es el de estabilidad • Un controlador mal diseñado u obtenido a través de prueba y error puede resultar inestable, en el que los errores aumentan en lugar de reducir. • Pruebas matemáticas o empíricas Sistemas Lineales de Segundo Orden • Sistema mecánico simple • Muchos sistemas mecánicos pueden modelarse de esta forma • Ecuación πππ₯π₯Μ + ππ π₯π₯Μ + ππππ = 0 describe la dinámica • La solución x(t) va a depender de las condiciones iniciales de m, y los valores de los parámetros m, c, k • Raíces π π 1 = ππ − 2ππ + ππ 2 −4ππππ ; π π 2 2ππ = ππ − 2ππ − ππ 2 −4ππππ 2ππ Reales y distintas: sobreamortiguado Complejas: subamortiguado Reales e iguales: críticamente amortiguado π π 2 + 2ζππππ π π + ππππ2 = 0 ππ ζ= 2 ππππ ππππ = ππ/ππ Ecuaciones de estado • Un sistema mecánico de segundo orden ππ 2 π¦π¦ ππππ + ππ + ππππ = πΉπΉ(π‘π‘) ππ ππππ ππππ π¦π¦Μ + 2ζππππ π¦π¦Μ + ππππ2 π¦π¦ = ππ • Puede transformarse a una ecuación de sistema lineal standard en espacio de estados ππΜ = π¨π¨π¨π¨ + π©π©ππ • Definiendo un vector en espacio de estados que contiene π¦π¦(t) Μ y π¦π¦(t) π₯π₯1 π¦π¦(π‘π‘) = π₯π₯ ππ = π¦π¦(π‘π‘) Μ 2 • Entonces, obtenemos 0 ππΜ π‘π‘ = −ππππ2 0 = −ππππ2 π₯π₯1 1 0 + ππ −2ζππππ π₯π₯2 1 π₯π₯1 1 0 + πΉπΉ −2ζππππ π₯π₯2 1/ππ Ecuaciones de estado (cont) • La solución se puede obtener Donde la matriz de transición en s: En t: Para el m-c-k anterior ππΜ = π¨π¨π¨π¨ + π©π©ππ Diseño de la ley de control Ejemplo A scan mirror assembly found in typical laser barcode scanners used for scanning UPC barcodes. For example, you can find one of these scanners in grocery stores Such a scanning mirror assembly consists of a mirror, which is driven by electrostatic means of actuation, connected to other elements which provides restoring force and structural damping. This scan mirror assembly can be approximated by the following second-order system model, which has a mass and spring, as well as damping effect due to the structure damping and air resistance as shown in Figure 3. Ejemplo (cont) The parameters of the second-order system can be obtained from the given equation of motion: • You are asked to improve the dynamic response ππ − ππζ 1−ζ2 ≤ 0.046 ; ζ ≥ 0.7 cos πππ π = ζ ; πππ π ≤ 45.57° 1.8 ≤ 0.038 ; ππππ ≥ 47.36 rad/s ππππ 4.6 ≤ 0.005 ; ππ = 920 ππ Ejemplo (cont) Pole Placement according to figure π π = −930 ± πππ K according to CLTF poles πΌπΌππ = π π 2 + 1860 π π + 864916 ππ = ππ1 ππ0 det π π ππ − ππ + ππππ = 0 ππ = 864592 864916 referencial Diseño Mecatrónico Diseño del componente computacional MCTG1013 Marcelo Fajardo-Pruna, PhD mrfajard@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0002-5348-4032 SCOPUS ID: 57195539927 Microcontroller vs Microprocessor • The first big decision a designer should make during the project is to whether implement a microcontroller or a microprocessor as the main logical unit. Microprocessors • Microprocessors are the core of any modern computer: they are single chip processing units responsible for computing each operation stored in the program. • The microprocessor reads the algorithm from an external memory and executes the commands using a specific language. Microcontroller • Microcontrollers incorporate in a single chip, the microprocessor and all required peripherals: memories, I/O pins, timers, serial interface, analog-to-digital converters, power management, etc. • Microcontrollers are embedded devices, typically being optimized for the specific tasks they are designed for. However, general purpose microcontrollers are also largely available in the market (Arduino Uno with an 8-bit ATMega microcontroller). • Is the heart of any computer system, it is like the human brain when performing a task. We can basically divide it into two essential parts: • Control unit: This unit is used to fetch the data from the memory. • Execution unit: This unit is used to execute or run the data. General purpose processor General purpose processor Microprocessor Microcontroller Embedded processor Digital signal processor Applications of Microcontrollers • In the automotive industry, for example, modern cars nowadays have more than 100 microprocessors for systems like air condition, ABS, EBD and also ADAS or advanced driving assistance systems such as adaptive curies controller and lane assist, the following is an image of an ECU or electronic control unit. • In the medical domain, there are medical • In aerospace, most of the aircrafts have devices that include microcontrollers such been designed with new avionics systems as an MRI, glucose test set, portable using microcontrollers. EKG. The following image, is a glucose test device. Popular Microcontrollers • There are many microcontrollers’ types and platforms, but selecting a microcontroller depends on many factors: • Application • Budget • Performance • Number of GPIO pins • Memory size • Temperature of operating environment • Power consumption AVR Microcontroller • The image contains a block diagram of AVE12DA, one of the most popular microcontroller’s family — the AVR microcontrollers. • Examples of AVR Platforms • Arduino UNO • Adafruit Blue fruit Micro • Raspduino • Digispark Pro ARM Microprocessor/Microcontroller • ARM microprocessor is the most popular processor in the world, especially, in the consumer applications. ARM is mostly a key component of any successful 32-bit embedded systems. The first ARM was developed in 1985. • Examples of ARM platforms • Arduino Due • Raspberry Pi • STM32F103C8T6 • NXP LPC1768 Internal structure of most ARM based devices RISC Technology • ARM is used RISC technology, RISC stands for reduced instruction set computer, it is a design philosophy to deliver simple instructions within a single cycle. It relies more on the software. On the other hand, CISC technology relies more on the hardware. Other Microcontroller and Platforms • As we said before selecting a microcontroller or a platform depends on many factors (budget, number of pins, etc.…). There are also another microcontrollers and platforms e.g. • PIC Microcontrollers • 8051 • ESP32 • Motorola Microcontrollers Microcontroller Software and Hardware Tools • Since the creation of the microcontroller, there have been many types of software and hardware development tools. • Some of the tools can be used across various microcontroller types but some are very specific per microcontroller. • Before starting with microcontroller programming, you may want to get yourself familiar with the microcontroller programming tools and, last but not least, the development process. Embedded development tools • Assembler • It is a software tool that converts your source code in assembly into machine code, for example (GNU assembler). • Compiler • It is a software program that coverts your source code in a high-level programming language into assembly language or machine code. Compilation can be: • Native: this means you run the compiler and the generated code on the same machine • Cross: This means you run the compiler on a machine and the generated code runs on a different machine (processor architecture). • Linker and Locator • A linker is a program that collect and link the compilations and assemble operations and produce a single exe. • A locator is a program tool that can be used to change the memory map of the linker output. • Simulator • It is a program that imitates real scenario, it produces an approximation of the real-time systems. A simulator is used: • if the real hardware not available • in dangerous test environments and scenarios • Debugger • It a software program and hardware device that can be interfaced to my PC to my embedded target. A debugger is used: • to set breakpoints • to trace execution • to dump memory • Hardware debugger can be • in-circuit debugger • debug agent software on board • Flash loader • It is a program and hardware device that can be used to: • Program ROM/Flash • Watch variables • Erase ROM/Flash • Profiler • Profiler is a tool to monitor performance of the software code • Integrated Development Environment • It is a software program that has most the tools all in one. It may include • Text editors • Compilers • Debuggers • Profilers • Simulators • Linkers Microcontroller Software Languages • High-level.- Using this type will provide an abstraction from the hardware level • C/C++ • Java • Ada • Low-level • Machine code • It is 0’s and 1s and hard to be written by humans, but easy for computers to understand • Assembly • It is a mnemonic code and pseudo instructions to improve readability • Examples: • An instruction consists of mnemonic (opcode) + operands • Opcode is an operation taken by a machine processor • Operands is the final target; the opcode have to take an operation for. • Assembly language is readable and understandable more than machine code but you need to use it on a specific processor and have knowledge of its architecture. Example • The task in this example is to drive a small (under 5kg) robot parallel to a wall at a distance of 30cm ±10% (3cm). The robot will travel at a minimum of 4cm/s and accelerate from stop at a minimum acceleration of 15m/s2 . The robot is 30cm long. • Design decisions • sense, which detects the current state of the robot; • decide, which decides what the robot should do; and • control, which implements the decision Control • There is a minimum speed and acceleration and that the robot must be steerable. • No requirements specify a specific drive or steering system, which means these must be decided upon. • A good rule of thumb when making a design decision is to accept the simplest solution that is good enough. • A solution that is good enough is one that meets every requirement with a reasonable margin for error. • Four wheels (simpler chassis design and stabler in motion than three wheels) with two of them powered by motors and using skid steer. Motor choice • Minimum motor specifications can be calculated • As an example, the required speed of the motor output shaft is calculated here. The wheels are assumed to be 2.875 inches (7.30 cm) in diameter. This choice was made based on the availability of the wheels. π π π π π π π π‘π‘π π π π π π π π π π π π π π π π π π‘π‘π π π π π π π π π π πππππππ π π π π π π π π π = π€π€π€π€π€π€π€ππππππππππππππππππππππππππππ 4ππππ/π π = 10.5ππππππ = 7.30ππππ × ππ • While there are numerous suitable motors available, one that fits the bill is a 12V Globe E2135 gearmotor with a 187.68:1 ratio gearhead. These motors have a maximum rpm of over 5000, resulting in an output shaft speed of over 26rpm, which is more than sufficient. • Does the selected motor meet the acceleration requirements? • The motor control will be the following setup, linear drivers, using an external 12-bit DAC and an op-amp. Sense • In order to maintain a set distance, the robot must be capable of detecting whether or not it is in the acceptable range. The most basic form would be a switch on a 30cm-long arm sticking out from the side of the robot. • Some possible choices include infra-red (IR) sensors, ultrasonic rangefinders, RADAR and LADAR (laser range-finding). • In order to decide between IR and ultrasonic sensors, the problem should be examined in further detail. First off is the range of operation. The sensors must be able to distinguish three ranges: under 27cm, between 27 and 33cm (the acceptable range), and above 33cm. • While a single distance measurement can tell which direction the robot needs to go, it does not tell the robot whether it is parallel or not. • Having chosen IR sensors, a specific model that fits the requirements of operational range (30cm) and precision (3cm) must be found. SHARP produces a line of IR sensors with varying minimum and maximum ranges. • GP2D12 • Operational range: 10.16cm to 80.01cm • Output: analog voltage from 0.4V at 80cm, to 2.4V at 10 cm, though non-linearly. • The precision must be calculated at 30cm to ensure compatibility with the requirements. Decision • The final portion of the problem to examine is the process by which the robot decides what control signals are sent by examining the sensor results. • To this end, some form of control equation must be derived, which the robot then uses to set the speeds of each motor thereby steering the robot. • There are two parameters that affect the decision on how the robot moves: distance from the wall and angle with the wall. ππππππππππππππ = πππππππππππππππππππππππππππ‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ + πππππππππππ‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ • The incoming signals from the sensors supply the distance to the wall perpendicular to the direction of travel from the front and from the rear of the robot. From these, the distance can be easily calculated. • Then angle is slightly more difficult to calculate, but still relatively simple. ππππππππππππππππππππππππππ πππππππππ‘π‘ππππππππππππππππ + ππππππππππππππππππππππππ − 30ππππ = 2 πππππππππ‘π‘ππππππππππππππππ − ππππππππππππππππππππππππ ππππππππππ = arctan πππππππππ‘π‘πππππππππππ • These can then be combined together. • There are two problems however. • The sensors are non-linear which means that if the angle isn’t very small, it will have a great deal of error in the calculation • This involves both float math as well as trigonometric functions. • A surprisingly elegant solution in this case is to just use the actual ADC values instead of calculating exact distances, and use the diference in the readings without actually calculating the angle in the following manner: πππππππππ‘π‘π΄π΄π΄π΄π΄π΄ + πππππππππ΄π΄π΄π΄π΄π΄ − π΄π΄π΄π΄πΆπΆ30ππππ + ππππππππππππππππ × (πππππππππ‘π‘π΄π΄π΄π΄π΄π΄ − πππππππππ΄π΄π΄π΄π΄π΄ ) ππππππππππππππ = ππππππππππππππππππππππ × 2 • Using previous control law will have several effects: • . The further from the desired distance the robot is, the faster it will attempt to correct. • The further from the wall the slower this correction will be. This allows for gentle correction away from the wall where there is space, but quicker reaction when the robot is close to the wall • The further o parallel the robot is, the faster it will attempt to turn back to parallel. Turns will again be magnified when close to the wall. • Only basic arithmetic is used, allowing for quick calculations. Furthermore, if both tuning values (distance mod and angle mod) are multiples of 2 (as they turn out to be for satisfactory responses), the only operations are addition, subtraction, left-shifting and right-shifting: all of which require a single clock cycle. Multiplication by values other than a multiple of 2 would require an additional cycle • The value that results from this equation is then added to or subtracted from some average motor speed to turn the robot. In this example, as the DAC used is 12-bits, the control value is multiplied by 4 (left-shifted twice) and applied to both motor values. This maintains the average speed while turning the robot. File structure • This program consists of three .c files, their associated header files, three peripheral libraries and reg structs.h. • The three libraries are for the USART, SPI and ADC, • The code files for this program in particular are RTOSmain.c, which contains the main function and the RTOS itself tasks.c containing the functions called by the RTOS for each task as well as initialization and motor.c which contains functions directly related to the motors and encoders. File structure showing all files not installed with the compiler. Diseño Mecatrónico Diseño del componente computacional MCTG1013 Diseño Mecatrónico Diseño del componente computacional MCTG1013 Carlos Saldarriaga, Ph.D. cxsaldar@espol.edu.ec PLC • Programmable logic controllers, are solid-state members of the computer family, using integrated circuits instead of electromechanical devices to implement control functions. • They are capable of storing instructions, such as sequencing, timing, counting, arithmetic, data manipulation, and communication, to control industrial machines and processes. • PLC families consist of a product line that ranges from very small “microcontrollers,” with as few as 10 I/O points, to very large and sophisticated PLCs, with as many as 8,000 I/O points and 128,000 words of memory. A few software advances and features • Small PLCs have been provided with powerful instructions, which extend the area of application for these small controllers. • High-level languages, such as BASIC and C, have been implemented in some controllers’ modules to provide greater programming flexibility when communicating with peripheral devices and manipulating data. • Advanced functional block instructions have been implemented for ladder diagram instruction sets to provide enhanced software capability • Diagnostics and fault detection have been expanded from simple system diagnostics, which diagnose controller malfunctions, to include machine diagnostics A few software advances and features (cont.) • Floating-point math has made it possible to perform complex calculations in control applications that require gauging, balancing, and statistical computation. • Data handling and manipulation instructions have been improved and simplified to accommodate complex control and data acquisition applications that involve storage, tracking, and retrieval of large amounts of data. • They are capable of communicating with other control systems, providing production reports, scheduling production, and diagnosing their own failures and those of the machine or process. • Important contributors in meeting today’s demands for higher quality and productivity. Despite the fact that programmable controllers have become much more sophisticated, they still retain the simplicity and ease of operation that was intended in their original design. Principles of operation During its operation, the CPU completes 3 processes PLC Product application ranges • The PLC market can be segmented into five groups: 1. Micro PLCs 2. Small PLCs 3. Medium PLCs 4. Large PLCs 5. Very large PLCs Ladder diagram The ladder diagram has and continues to be the traditional way of representing electrical sequences of operations. These diagrams represent the interconnection of field devices in such a way that the activation, of one device will turn ON another device according to a predetermined sequence of events. Advantages of PLCs • In general, PLC architecture is modular and flexible, allowing hw and sw elements to expand as the application requirements change. If an application outgrows the limitations of the PLC, the unit can be easily replaced with a unit having greater memory and I/O capacity, and the old hardware can be reused for a smaller application. • No physical connections between the field input devices and output devices as in hardwired systems. The only connection is through the control program, which can be easily altered. Ease of installation and maintenance Example 1 Analog input • Unlike discrete signals, which possess only two states (ON and OFF), analog signals have an infinite number of states. Temperature, for example, is an analog signal because it continuously changes by infinitesimal amounts. PID modules • A PID module receives primarily control parameter and set point information from the main processor. The module can also receive other parameters, such as maximum error and maximum/minimum control variable outputs for high and low alarms, if these signals are provided. • Depending on the module used, PID interfaces can also receive data about the update time and the error deadband Example 2 Diseño Mecatrónico Proceso de Diseño MCTG1013 Marcelo Fajardo-Pruna, PhD mrfajard@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0002-5348-4032 SCOPUS ID: 57195539927 Estructuración del diseño Metodología y métodos • Método • Métodos algorítmicos • Métodos heurísticos (exploratorios) • Metodologías de diseño • Producto • Diseño • Desarrollo Niveles de estructuración de los procesos de diseno y desarrollo • Modelo del Ciclo básico de diseño • Modelo de etapas del proceso de diseño • Modelo de etapas del proceso de desarrollo Ciclo básico de diseño Proceso de diseño y proceso de desarrollo • Etapa 1: Definición del producto Resultados: Especificación • Etapa 2: Diseño conceptual Resultados: Principios de solución, estructura funcional, estructura modular • Etapa 3: Diseño de materialización Resultados: Planos de conjunto • Etapa 4: Diseño de detalle Resultados: Planos de pieza, documentos de fabricación Proceso de diseño y proceso de desarrollo • Definición del producto • Diseño Conceptual • Diseño de materialización • Diseño de detalle Especificaciones • Parten de: • La petición explícita de un cliente (producto por encargo, máquina especial) • Un estudio de mercado del fabricante (nueva oferta, rediseño de un producto) • No hay que sacralizar la especificación • Especificación derivada Especificación del producto • La especificación del producto es la manifestación explícita del conjunto de determinaciones, características o prestaciones que debe guiar su diseño y desarrollo. • Requerimiento (R, o especificación necesaria) • Deseo (D, o especificación conveniente) • Lista de referencia de especificaciones • Larga • Corta Modelo de documento de especificación • Como referencia inicial del proceso de diseño conviene organizar las especificaciones de un proyecto en un documento breve denominado documento de especificación con el máximo de información útil. • Concepto • Fecha • Propone • Tipo • Descripción Modelo de documento de especificación • Después de un estudio de mercado, la empresa SCRIPT S.A., se dispone a desarrollar una pequeña grapadora manual y recorre a los departamentos de marketing, diseño y fabricación para establecer la especificación. Dado que incide en un mercado muy competitivo, se propone incluir en la especificación un dispositivo para desgrapar, función que proporcionaría valor añadido al producto. Sistema de clasificación de cajas • La empresa fabricante de cosméticos, COSMET S.A., quiere automatizar el sistema de clasificación y expedición de cajas. A tal efecto, encarga a la empresa Enginyers Associats S.A. que desarrollen y dirijan el proyecto. Se elabora el siguiente documento de especificación (última fecha 8/6/2001): Taller 1 • Una polea de correa en V transmite 1112 lbin de torque a un eje de 1.75 in de diámetro. La polea está hecha de hierro fundido ASTM clase 20 y tiene una longitud de cubo de 1,75 in. Renegociación de una especificación para un movimiento rápido • Se da la siguiente especificación inicial para el cabezal de una máquina que realiza un movimiento de vaivén con desplazamientos rápidos: 1. Ciclo de 5 movimientos de avance y 5 de retroceso alternativos con tiempos de parada entre movimientos de 1 segundo y desplazamientos de 15 mm 2. Tiempo máximo de ciclo de 10,5 segundos 3. Velocidad del cabezal de 2 m/s. • Dado que el ciclo tiene 9 paradas (9 segundos), el tiempo máximo para cada uno de los 10 desplazamientos de 0,015 metros es de (10,5-9)/10=0,15 segundos. Suponiendo un diagrama de velocidades triangular, se requiere una aceleración de 2,67 m/s2, y debe alcanzarse una velocidad de 0,20 m/s. Hay que reconsiderar el requerimiento de velocidad de 2 m/s que impone un accionamiento sobredimensionado sin aportar ninguna prestación adicional. Generar el concepto • El diseño conceptual parte de la especificación y proporciona como resultado un principio de solución aceptado. • Estructura funcional • Estructura modular Herramientas para el diseño conceptual • La herramienta más importante del diseño conceptual es el establecimiento de la estructura funcional. • Nivel global • Subfunciones • Objetivos de subdividir • Proporcionar una estructura funcional más detallada y comprensible, a la vez que menos ambigua • Facilitar la búsqueda de principios de solución para las subfunciones que, por combinación, deben dar principios de solución para la función global. • Facilitar la creación de la estructura modular del producto. Generación de principios de solución • Métodos convencionales • Búsqueda en fuentes de información • Analogías con sistemas naturales • Analogías con otros sistemas técnicos • Análisis de la competencia • Métodos intuitivos • Brainstorming (o tempestad de ideas) • Sinéctica • Método Delphi • Métodos discursivos • Estudio sistemático de procesos físicos • Esquemas de clasificación • Generación de variantes por inversión Máquina universal de clasificar monedas • Especificación • Fracaso del primer concepto • Analogía y nuevo concepto • Prototipos preliminares Materializar la solución • Pasos del diseño de materialización • Identificar los requerimientos limitadores • Determinar las funciones y los parámetros críticos • Desplegar alternativas de diseño de materialización preliminar • Evaluar las anteriores alternativas y escoger una de ellas • Materializar las restantes funciones • Completar el diseño de materialización provisional • Ensayar y validar el diseño de materialización • Incorporar las últimas modificaciones Materialización preliminar de un reductor de una etapa • A continuación se describen los primeros pasos de la materialización de un reductor de engranaje recto de una sola etapa. En principio se prevé incorporar rodamientos radiales (de bolas o de rodillos) y retenes radiales como componentes de mercado. • Requerimientos limitadores • RL1) Potencia nominal: 4500 W; R • RL2) Velocidad angular del árbol de entrada: 1430 min-1; • RL3) Vida: 25000 horas; • RL4) Relación de transmisión: i=4; • RL5) Cargas radiales exteriores admisibles sobre los árboles (cualquier dirección), y su situación: árbol de entrada, 750 N a 20 mm de la cara exterior del reductor; árbol de salida, 2250 N a 25 mm de la cara exterior del reductor. • Funciones críticas • FC1) Transmisión de la potencia; • FC2) Apoyo de los ejes (teniendo en cuenta las cargas externas); • FC3) Partición de la carcasa para el montaje (se contemplan el montaje radial) • Parámetros críticos • PC1) Distancia entre ejes, a, y anchura del engranaje, b; • PC2) Diámetros de los árboles en la sección de los rodamientos, d1A y d2D (los otros dos diámetros, d1B y d2C, pueden ser menores); • PC3) Diámetros exteriores de los rodamientos, DA, DB, DC y DD (los diámetros interiores coinciden con los de los árboles); • PC4) Espacio para situar un tornillo de unión de las dos mitades de la carcasa entre los rodamientos. • Condiciones críticas (cuantitativas y cualitativas) • CCt1) El engranaje debe funcionar durante la vida prevista sin fallar (dos condiciones cuantitativas: resistencia a la fatiga superficial; resistencia a fatiga en el pie del diente del piñón; • CCt2) Los árboles no deben fallar por sobrecarga o por fatiga durante su vida útil (dos condiciones cuantitativas en las secciones más críticas A y D) ; • CCt3) Los rodamientos no deben fallar durante la vida prevista (4 condiciones cuantitativas, una para cada rodamiento); • CCl1) La distribución de tornillos de la brida debe repartir la fuerza lo más uniformemente posible (1 condición cualitativa). • Establecimiento de las condiciones críticas • Resistencia a la fatiga • Ejes sometidos a torsión y flexión • Cargas • Velocidad angular • Vida • Evaluación de parámetros • Se parten de los siguientes números de dientes y desplazamientos de piñón (z1=19, x1=0.40) y rueda (z2=76, x2= - 0.40; equilibran los coeficientes de seguridad de la resistencia a la fatiga superficial). • ISO-6336 • Factor de aplicación de 1,5 • Vida: Caso más desfavorable a 12500 horas • A partir de los pares torsores y de los momentos flectores en las secciones críticas A del árbol de entrada (MtA =30 N·m; MfA = 27 N·m) y D del árbol de salida (MtD = 120 N·m y MfD =.92,25 N·m), se calculan los diámetros mínimos. • Para obtener el valor mínimo de la carga básica C (catálogos de rodamientos) en el cálculo de los rodamientos del árbol de entrada (12500 horas y 1430 min-1), debe multiplicarse la carga dinámica, P (coincide con las reacciones R), por un factor 10,2 y, para el árbol de salida (12500 horas y 357,5 min-1), por un factor de 6,4. Generación de variantes por inversión Establecimiento de un protocolo de ensayo a) Definición de los objetivos del ensayo b) Diseño del ensayo c) Planificación del ensayo d) Preparación del prototipo y del banco de ensayo e) Interpretación y validación de los resultados Protocolo de ensayo para un módulo de andén de geometría variable • Definición de los objetivos del ensayo • Diseño del ensayo • Planificación del ensayo • Prototipo y banco de ensayo • Interpretación y validación de los resultados Documentar la fabricación • Completar la determinación de piezas y componentes • Determinar la geometría y los materiales • Determinar los acabados • Lista de piezas y componentes • Simplificar las soluciones • Revisar el Proyecto • Revisar que se cumplan todas las funciones • Comprobar que sea fabricable • Repasar que el proyecto sea completo Actividad 1 • Crear un grupo de trabajo de 3 personas máximo • Identificar un problema • Esablecer las especificaciones Herramientas para el diseño concurrente • Modularidad y complejidad de un producto • Diseño para la fabricación (DFM) • Diseño para el montaje (DFA) • Diseño para la calidad (DFQ) • Diseño para el entorno (DFE) Modularidad y complejidad de un producto • Los productos modulares son aquellos que están organizados según una estructura de diversos bloques constructivos, orientada a ordenar e implantar las distintas funciones y a facilitar las operaciones de composición del producto. • Se pueden distinguir dos tipos de módulos: • Módulos funcionales • Módulos constructivos ¿Cuándo incide el concepto? • La partición del proyecto en subproyectos en la etapa de diseño (facilita el desarrollo simultáneo de diversas partes del proyecto) • La división de la fabricación en subgrupos y componentes (facilita las relaciones de subcontratación y la adquisición de componentes) • Simplifica la verificación y el montaje • Permite implantar las opciones y variantes en la comercialización • Facilita las reparación) operaciones de mantenimiento (detección y Características de la estructuración modular • Ventajas • Desventajas • Estructura functional • Función global • Subfunciones • Modos de operación • Modos de operación principales. • Modos de operación ocasionales. • Modos de operación accidentales. Módulos e interfases • Agrupar las funciones en módulos • Establecer interfases adecuadas entre módulos • Mecánica • Energía • Materiales • Señales • Simbología (VDI 2222) Diseño de un contenedor soterrado • Algunas de las principales funciones del sistema son: • Recibir bolsas de basura a través del buzón • Ajustar la tapa para evitar malos olores • Separar la tapa con el buzón • Elevar el contenedor lleno hasta el nivel del suelo Función global y estructura funcional • Principios de solución a) Unir en un solo conjunto la tapa y el soporte del contenedor, que se guía por medio de unos rodillos que se mueven en un perfil (solución análoga a la de una carretilla elevadora) por un cilindro hidráulico que acciona el conjunto por la parte superior b) Articular la tapa a nivel del suelo mientras que el soporte del contenedor se guía de forma análoga al caso anterior. Sin embargo, en esta solución se requieren cilindros hidráulicos para cada uno de los dos movimientos y un dispositivo de control para coordinarlo. Estructura funcional y estructura modular • Complejidad a) Complejidad de piezas y componentes b) Complejidad de un conjunto • Evaluación de la complejidad • Factor de complejidad de piezas y componentes • Factor de complejidad de un conjunto, Cf Modularidad y complejidad Diseño Mecatrónico Proceso de Diseño MCTG1013 Diseño Mecatrónico Diseño Concurrente MCTG1013 Marcelo Fajardo-Pruna, PhD Carlos Saldarriaga, PhD mrfajard@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0002-5348-4032 SCOPUS ID: 57195539927 cxsaldar@espol.edu.ec ORCID ID: 0000-0001-9014-681X SCOPUS ID: 57222549377 Organización tradicional por funciones Organización matricial Organización por líneas de producto Métodos de Evaluación de Soluciones • Alternativas. Como mínimo debe de disponerse de dos alternativas (lo más adecuado es entre 3 y 6) cuyas características deben ser diferentes. • Criterios. Hay que establecer los criterios en base a los cuales las alternativas deberán ser evaluadas, así como también la ponderación relativa entre ellas. • Sin la necesidad de evaluar los parámetros de cada propiedad y sin tener que estimar numéricamente el peso de cada criterio. • 1 Si el criterio (o solución) de las filas es superior (o mejor; > ) que el de las columnas. • 0,5 Si el criterio (o solución) de las filas es equivalente ( = ) al de las columnas. • 0 Si el criterio (o solución) de las filas es inferior (o peor; <) que el de las columnas. Ejemplo • Banco transportable para el rodaje de motocicletas de competición. • Se trata de diseñar un banco transportable para simular el rodaje y calentamiento de las motocicletas de competición previo a la carrera, con independencia de la presencia del piloto. • La evaluación que se presenta a continuación se refiere a las soluciones alternativas establecidas en la fase conceptual. En este diseño se buscaba un banco que simulase correctamente los efectos de la inercia y la resistencia del aire. Principios de solución: • Simular la inercia y la resistencia al aire con dispositivos independientes. • Simular todas las resistencias con un único dispositivo • Solución A: Volante de inercia y circuito oleohidráulico • Solución B: Volante de inercia y freno aerodinámico • Solución C: Freno de corrientes parásitas • Solución D: Freno hidráulico • Solución E: Generador de corriente y resistencias de disipación de energía. Taller 1 • Establezca alternativas de solución basado en diferentes principios de funcionamiento y establezca los criterios para la evaluación de las soluciones en el diseño de un pequeño avión que pueda usarse como dron para dar información de una determinada región al sobrevolar dicha región. • Tiempo (15 minutos) Criterios de valoración • Bajo peso • Alta fiabilidad • Posibilidad de regulación del freno • Precio moderado Evaluación del peso específico de cada criterio • Evaluación del peso específico del criterio peso • Evaluación del peso específico del criterio regulación • Evaluación del peso específico del criterio mantenimiento • Evaluación del peso específico del criterio precio Tabla de conclusiones Taller 2 • Utilizando el método de los criterios ponderados, seleccione una de las anteriores alternativas. • Tiempo 15 minutos Herramientas para el diseño concurrente • Modularidad y complejidad de un producto • Diseño para la fabricación (DFM) • Diseño para el montaje (DFA) • Diseño para la calidad (DFQ) • Diseño para el entorno (DFE) Evolución de la calidad Diseño para la Calidad Control de calidad (QC). Control estadístico de procesos (SPC, statistical process control). Asegura la calidad del presente Gestión de la calidad total (TQM, total quality management Calidad a través del diseño • 1. Asegura que el producto o servicio responda a los requerimientos y necesidades de los usuarios • 2. Establece criterios, parámetros y tolerancias adecuados para una fabricación y un funcionamiento robusto del producto (poco sensibles a perturbaciones) • 3. Concibe los productos para que los procesos de fabricación y montaje faciliten una producción sin errores y con los mínimos costes e incidencias • 4. Asegura que el producto o servicio funcione sin fallos durante su utilización o, en caso necesario, que su mantenimiento y reparación sean los adecuados. Desarrollo de la función de calidad, QFD • Las 4 fases • a) Planificación del producto (o casa de la calidad) • b) Despliegue de componentes • c) Planificación del proceso • d) Planificación de la producción La casa de la calidad • Voz del usuario • Demandas básicas • Demandas unidimensionales • Demandas estimulantes • Análisis de competitividad • ¿Qué importancia tiene para usted su cumplimiento? • ¿En qué grado los productos de la empresa la cumplen? • ¿En qué grado los productos de la competencia la cumplen? Paso 1. La voz del usuario Voz del usuario Demandas básicas, B Demandas unidimensionales, O Demandas estimulantes. E Paso 2. Análisis de la competencia • Columna A: evaluación del cumplimiento del producto de la empresa • Columnas B y C: evaluación del cumplimiento de los productos de la competencia • Columna D: Objetivos (fijación del nivel deseado, de 1 a 5) • Columna E: Índice de mejora (E = D/A ≥ 1) • Columna F: Factor de venta (evaluación en niveles de 1/1,2/1,5) • Columna G: Importancia (a partir de respuestas de los usuarios, de 1 a 5) • Columna H: Ponderación (H=E·F·G) • Columna I: Ponderación porcentual (en % sobre el total de las demandas) • Paso 3. Voz del ingeniero • Paso 4. Correlaciones • ¿Hasta qué punto se podrá predecir que se van a satisfacer las demandas a partir de las características técnicas elegidas? • Paso 5. Evaluación técnica • Incidencia π‘π‘ = ∑ πΌπΌππ · ππππππ • Paso 6. Compromisos técnicos • Correlación positiva • Correlación negativa • Sin correlación Definición de un fogón de camping • Se plantea el siguiente escenario a un grupo de clientes: "En una excursión de fin de semana a un paraje no habitado, en la que hay que cargar con todo el equipo a cuestas, se necesita un fogón para cocer la comida en un lugar donde no está permitido hacer fuego. ¿Qué se requiere y qué se desea de este fogón ?” Pasos 1 y 2 • Un vez recogida la información de un grupo de usuarios y agrupada por medio del diagrama de afinidad, se obtiene la siguiente lista de demandas: 1. Que sea muy compacto 2. Que sea muy ligero 3. Que se encienda fácilmente 4. Que sea muy estable (no vuelque) 5. Que funcione silenciosamente 6. Que caliente rápidamente 7. Que no requiera mantenimiento 8. Que pueda cocer a fuego lento 9. Que pueda estar encendido durante mucho tiempo 10. Que el depósito sea rellenable 11. Que sea fácil de obtener el gas combustible • Dado que el grupo de clientes no ha hecho ninguna indicación sobre cuáles de estas demandas son básicas, unidimensionales o estimulantes, corresponde al equipo de diseño de arriesgarse a hacerlo. • El resultado es: • Demandas básicas: 4, 10, 11 • Demandas unidimensionales: 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9 • Demandas estimulantes: 2 • A continuación, se realiza el análisis de la competencia (columnas de A hasta I). El resultado indica que hay que concentrar los esfuerzos en cuatro puntos que concentran el 65% de las mejoras y que en orden de importancia son: • depósito rellenable, tiempo de funcionamiento, poder cocer a fuego lento y mejorar la ligereza. Pasos 3, 4 y 5 • El grupo de diseño crea la siguiente lista de características técnicas que constituyen la voz del ingeniero: 1. Volumen, m3 2. Peso, kg 3. Tiempo de encendido en aire quieto a 0°, s 4. Nivel de ruido, dB 5. Tiempo para hervir agua a 20° C con olla tapada, nivel del mar, min 6. Capacidad del depósito, m3 7. Tiempo de combustión a llama máxima, min 8. Agua hervida por unidad de gas, kg/m3 9. Número de recargas por depósito, (-) 10. Número de puntos de recarga en el mundo, (-) • Al rellenar la tabla de correlaciones los ingenieros se encuentran con la sorpresa de que no hay ninguna característica técnica para medir "cocer a fuego lento". Se hacen consultas y finalmente se decide añadir una nueva característica técnica a las establecidas en el paso 3: 11. Máximo tiempo de ebullición con la mínima llama, min • Hay aún otros dos puntos débiles en la matriz de correlación: no existen características técnicas para medir las demandas de que sea muy estable y de que no requiera mantenimiento. Habían pasado desapercibidos pero tampoco habían dado problemas posteriores. • Luego se decide evaluar la incidencia de las características técnicas en la mejora del producto de la que se desprende que 6 de ellas tienen incidencias significativas (81% del total) siendo las dos más destacadas: número de recargas por depósito y tiempo de combustión a llama máxima. Paso 6 • El grupo de diseño establece los compromisos entre características técnicas. De ellas se desprenden, por ejemplo, que aumentando la capacidad del depósito, aumenta también el tiempo de combustión a llama máxima (correlación positiva), mientras que empeora el nivel de ruido (correlación negativa). Taller 3 • Realice la casa de la calidad para el problema planteado. • Tiempo 50 minutos Diseño Mecatrónico Diseño Concurrente MCTG1013 Integrantes: Johnny Baque; Rhandall Valdez; Paulo Valarezo; Karen Torres; Santiago Yunes; John Barbery Taller grupal Desarrollando un proceso de diseño Instrucciones: 1.- Leer el problema y proponga un proceso de diseño. Tema: Proceso de Diseño Mecánico Considerando el proceso de diseño de la figura, conteste cada uno de los siguientes ítems para el problema planteado. Problema Determinar la geometría de la chaveta: largo, ancho y alto. Use acero SAE 1018 para las chavetas si se puede lograr un diseño satisfactorio. De lo contrario, use un material de mayor resistencia de la Tabla 11-4. A menos que se indique lo contrario, suponga que el material de la chaveta es más débil en comparación con el material del eje o los elementos de acoplamiento. • Una polea de correa en V transmite 1112 lbin de torque a un eje de 1.75 in de diámetro. La polea está hecha de hierro fundido ASTM clase 20 y tiene una longitud de cubo de 1,75 in. 1.- Establezca la hoja de especificaciones Empresa: Acero SA Fecha inicial:25/05/2022 Última Revisión: 30/06/2022 Página 1/1 Producto: Chaveta Especificaciones Concepto Fecha Función Propone R/D Descripción Dimensiones 25/05/2022 C 25/05/2022 D+M 25/05/2022 D R R R Movimiento 25/05/2022 D R Transmisión de Potencia Sujeción y ajuste de Polea Longitud: 1.75 in Admite rotacional, mas no longitudinal –respecto al eje- 25/05/2022 M D Material 25/05/2022 D MR Fuerza 25/05/2022 D R Vida útil 25/05/2022 D R Acero SAE 1018 Otro material más duro (si es necesario) Resiste cargas 1112 lbin en un eje de 1.75 in de diámetro Tenga una vida cercana a la vida infinita (más del millón de ciclos) Fabricación 25/05/2022 D+F R Costes 25/05/2022 M R 100000 unidades/año Coste máximo de fabricación: $0.2 2.- Proponer el proceso de diseño de materialización. Requerimientos Limitadores • • • • • El material de la chaveta debe ser menos resistente que el material del eje y la polea, se supone este requerimiento. Torque del eje: 1112 lbin Diámetro del eje: 1.75 in Longitud de cubo de la polea: 1.75 in Vida: mayor a 25000 horas Funciones Críticas • • Fijación de la polea al eje. Transmisión de potencia. Parámetros Críticos • • Dimensiones de la chaveta: alto(h), ancho(b), largo (L): deben coincidir con las dimensiones de cavidades en eje y polea considerando tolerancias. Material. Condiciones críticas • • • • La chavetera debe funcionar durante su vida útil sin fallar (falla por corte y falla por aplastamiento, dos condiciones cuantitativas: resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga). Debe evitar movimiento traslacional del eje (una condición cuantitativa: desplazamiento longitudinal del eje). Contribuir con la transmisión de potencia mediante su movimiento rotacional (una condición cuantitativa: potencia transmitida). La chavetera no debe fundirse con el material de la polea ni del eje (una condición cualitativa). Establecimiento de las condiciones críticas • • • • • Falla por cizallamiento (corte) Falla por aplastamiento Falla por fatiga Torque Vida de la pieza Alternativas de diseño 1ra alternativa: Procedimiento analítico utilizando los siguientes parámetros y fórmulas 2da alternativa: Empleando software de diseño 3D Para esta alternativa se podrían iterar diversas geometrías para la chaveta conociendo de antemano las cargas que se transmiten a este elemento a partir de las cargas externas del eje de transmisión de potencia. En cada geometría propuesta se debe analizar si la pieza tiene vida infinita mediante análisis estático y por fatiga, y se buscaría minimizar las dimensiones considerando que su factor de seguridad sea como mínimo mayor a 1. Elección de alternativa de diseño La 2da alternativa propuesta requiere del cálculo de las cargas específicas que se transmiten desde el eje a la chaveta para analizar el elemento en solitario, además de proponer inicialmente dimensiones aleatorias lo cual podría conllevar a una gran cantidad de iteraciones. Ambos de los criterios antes mencionados conllevarían mayor trabajo en el proceso de diseño y un ineficiente uso del tiempo, por lo que esta alternativa se descarta y se opta por la primera puesto que establece un planteamiento de diseño que ya ha sido explorado previamente y se ha resumido en una relación entre variables de interés respecto a las condiciones de operación de la chaveta. Cálculos Teóricos (Fórmulas) Se toma un factor de seguridad de 3 por la magnitud del torque, se trabajará con el diámetro del eje de 1.75 in. Además, que para obtener las medidas de ancho y alto de la chaveta se tomará en cuenta las recomendaciones de los catálogos con la normativa “Din-6885B” para seleccionar medidas transversales según el diámetro del eje. Después con dichos datos se calcula el largo de la chaveta según las fallas establecidas y se escoge la longitud que satisfaga las dos condiciones. Falla por Cizallamiento π = 0.25 ∗ ππ¦ π π= 2π π∗π·∗π π≥ 8∗π∗π ππ¦ ∗ π· ∗ π Falla por aplastamiento π= ππ¦ π π= 4π π∗π·∗β π≥ 4π ∗ π ππ¦ ∗ π· ∗ β Tablas de diámetros comerciales (Din-6885B) Link: https://www.intermec.com.co/pdf/cunas_y_cuneros_estandar.pdf Evaluación de parámetros Sección Cuadrada Material b [in] SAE 1018 1035 1045 1095 4140 8630 303 304 3016 416 Alumnio 6061 h [in] 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 Sección Rectangular 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 Diametro eje [in] Sy [psi] NS 1,75 54000 1,75 39500 1,75 77000 1,75 83000 1,75 90000 1,75 95000 1,75 35000 1,75 35000 1,75 35000 1,75 40000 1,75 12000 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Momento [lbin] L Corte [in] L Aplasta [in] 1112 0,75310053 0,37655026 1112 1,02955515 0,51477758 1112 0,52814842 0,26407421 1112 0,48996902 0,24498451 1112 0,45186032 0,22593016 1112 0,4280782 0,2140391 1112 1,16192653 0,58096327 1112 1,16192653 0,58096327 1112 1,16192653 0,58096327 1112 1,01668571 0,50834286 1112 3,38895238 1,69447619 Material b [in] SAE 1018 1035 1045 1095 4140 8630 303 304 3016 416 Alumnio 6061 h [in] 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,375 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 Diametro eje [in] Sy [psi] NS 1,75 54000 1,75 39500 1,75 77000 1,75 83000 1,75 90000 1,75 95000 1,75 35000 1,75 35000 1,75 35000 1,75 40000 1,75 12000 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Momento [lbin] L Corte [in] L Aplasta [in] 1112 0,75310053 0,5648254 1112 1,02955515 0,77216637 1112 0,52814842 0,39611132 1112 0,48996902 0,36747676 1112 0,45186032 0,33889524 1112 0,4280782 0,32105865 1112 1,16192653 0,8714449 1112 1,16192653 0,8714449 1112 1,16192653 0,8714449 1112 1,01668571 0,76251429 1112 3,38895238 2,54171429 Para tener en cuenta una solución se debe observar que el prototipo pueda soportar las cargas de manera eficaz, además, se debe tener en cuenta el deseo del departamento de mercadeo con respecto al material propuesto (SAE 1018). Además, se tomará en cuenta la longitud del cubo de la polea para que la chaveta no sea más larga que 1.75in. Las recomendaciones según los perfiles de las chavetas es que si el largo es menor a 6.5in se use perfil cuadrado y si es mayor se use perfil rectangular. Observando los datos y tomando en cuenta la recomendación sobre los perfiles, se selecciona un perfil cuadrado, con el material SAE 1018 ya que las dimensiones propuestas son valores racionales y que se pueden manufacturar en el mercado. A continuación, se procede a mostrar el prototipo de chaveta que se someterá a pruebas para comprobar su funcionamiento. Además, que las dimensiones que tiene esta chaveta son: • • • Base: 3/8 in Alto: 3/8 in Largo: 0.7531 in Según la literatura revisada para el diseño el perfil más común para las chavetas es el perfil cuadrado que hemos seleccionado, además, las dimensiones del prototipo no es complicado transportarlo ni montarlo. Además, hay que recordar que se diseñó en base a la información empírica de diferentes ensayos y normativas, por lo cual, se puede tener una buena certeza con respecto al cumplimiento de las funciones establecidas en incisos anteriores. Con respecto a la vida útil se puede intuir que puede soportar se procede a realizar una aproximación para observar si puede soportar cargas dinámicas. Se asume un proceso repetido de 0psi a un máximo de: π = √(3(45002 ) + 180002 = 19615.045 ππ π El límite de la resistencia a la fatiga de 0.5 ∗ ππ’ = 32000 ππ π, se asume un factor de corrección de un 0.90 y el valor objetivo será 28800 ππ π. El esfuerzo promedio y alternante serán de 9807.522 ππ π 1 ππ ππ = + = 0.647 π ππ ππ’π‘ π = 1.55 El factor de seguridad es mayor a uno lo cual nos confirma que la pieza tendrá vida infinita por lo cual soportará más del millón de ciclos sin fallar por alguna carga estática ni se fatigará por una carga dinámica. 3. Establezca un protocolo de ensayo - Objetivos del ensayo Determinar que la chaveta diseñada no presente ningún tipo de falla bajo las condiciones de trabajo solicitadas como requerimientos de diseño, considerando adicionalmente casos críticos donde las cargas presentes podrían ser mayores a las esperadas. Evaluar si existe una correcta transmisión de potencia desde la polea al eje, determinando si el torque transmitido es el esperado y las dimensiones de la chaveta permiten que esta se acople correctamente entre el eje y la polea. - Diseño del ensayo Propiedad mecánica Elasticidad, plasticidad Rigidez, comportamiento del material bajo carga estática Dureza Tenacidad Comportamiento a la fatiga, resistencia a la fatiga Método de prueba Prueba de tracción, prueba de compresión, prueba de flexión, prueba de torsión Comportamiento de fluencia Ensayo de ruptura por fluencia Brinell, Rockwell, Vickers Prueba de impacto Prueba de fatiga de Wöhler Los ensayos destructivos son pruebas que a las que se someten los materiales con el fin de comprobar sus propiedades como dureza, tenacidad, resistencia mecánica, ductilidad, y de esta forma verificar la calidad de dicho material y hacer una correcta aplicación de ellos. Representación esquemática de algunos ensayos a carga estática, (a) compresión, (b) tensión o tracción, flexión (c) y (d). Al ser una chaveta y preferir resultados aceptablemente precisos, en este caso no es recomendable realizar una prueba de tracción para determinar la fuerza de ruptura (en corte) de la chaveta. Más bien, es mejor reproducir con una máquina la forma real en la que actúa el pasador de seguridad. La mejor opción es repetir el procedimiento de 5 - 10 muestras con una prensa que aplica la fuerza exactamente de la misma manera que el sistema "real". Por lo que se establece considerar para el sistema: • • Evaluación de cargas Transmisión de potencia - Planificación del ensayo Evaluación de cargas: Iniciar sometiendo al prototipo de chaveta a un torque igual al estipulado en los requerimientos. Aumentar el torque un 1% respecto al valor original de 1112in por cada ensayo consecutivo hasta determinar bajo que torque de trabajo la pieza experimentará falla. Transmisión de potencia: Determinar el torque que la fuente de energía mecánica debe proveer para que la banda transmita un torque de 1112in en la polea y eje. Determinar un intervalo de posibles torques de operación: un 5% del valor esperado por debajo y por arriba de dicho valor. Realizar ensayos en cada valor de dicho intervalo exceptuando el valor original del torque y en pasos de 1%. En cada caso se debe determinar también el torque de entrada necesario. - Preparación del prototipo y del banco de ensayos Maquinado de la pieza mediante fresado. Evaluación de cargas: Uso en ensayos de una pieza con la misma sección transversal de la chaveta diseñada pero con una longitud mayor para facilitar su acople. Uso de bancos de ensayos para pruebas de torsión. Transmisión de potencia: Replicar el escenario de trabajo de la chaveta: adquirir la polea y banda a usar, seleccionar la fuente de potencia que será transmitida a través de la banda, maquinar por torneado el eje, y establecer puntos de apoyo para el eje a manera de rodamientos. Situar un sensor de par rotacional en el eje en un sector cercano a la polea conectado a un sistema DAQ para procesar las mediciones. - Interpretación y validación de resultados Sólo se debería tener en cuenta la magnitud del elemento a unir y el tipo de carga que se transmite. En lo que respecta a la carga, las chavetas planas y de mediacaña no son apropiadas para trasmitir torques altos ni mucho menos variables o dinámicos por lo que es apropiado para nuestro torque de 1112in. Se debe considerar también que una cuña cumple con la función de velar por la seguridad de un sistema. Además, en las chavetas se inducen dos tipos de esfuerzo y las chavetas que son más profundas que anchas fallan en corte. Por lo que, con el tamaño que se le otorgó en la sección de diseño, se sabe que en caso de que se generara un incremento drástico en las condiciones de la carga, la chaveta fallará por cortante incluso antes de que falle el eje o el elemento de máquina. Es decir que, en ese escenario, se la podría reemplazar por otra chaveta pues su costo es bajo y es preferible que se dañe esta pieza mecánica antes que alguna otra maquinaria con costo elevado.
