martes, 16 de abril de 2013

Mecatrónica

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Agosto 18 de 2008

En la edad media la división del trabajo propició el ambiente para la primera revolución industrial que desarrolló a la sociedad y en especial a los países que crearon máquinas para el aumento de la cantidad y calidad de los productos de consumo masivo. A mediados de los años 1940, la introducción del transistor semiconductor inicia la denominada “segunda revolución industrial”, la miniaturización de los componentes electrónicos acoplados en circuitos integrados, dio origen a la computadora digital, un producto que cambió la mentalidad en la industria y en la sociedad. En esa época, los países que emplearon, pero especialmente aquellos que produjeron las tecnologías, se pusieron a la vanguardia de la sociedad. Dentro de ese contexto, surge la mecatrónica como un concepto nuevo en torno a las tecnologías, que se encarga de integrar los productos específicos de esas dos revoluciones: la integración de las máquinas a las computadoras digitales, para crear un nuevo ambiente o paradigma en el tercer milenio.


La mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la ingeniería, entre las que destacan: la mecánica de precisión, la electrónica, la informática y los sistemas de control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados. El término “mecatrónica” fue introducido por primera vez el año 1969 por el ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yaskawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática, estabilidad y alcanzabilidad. Teniendo como objetivo la optimización de los elementos industriales a través de la optimización de cada uno de sus subprocesos con nuevas herramientas sinérgicas.

La definición de mecatrónica propuesta por J.A. Rietdijk menciona lo siguiente: “mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos para una producción con mayor plusvalía y calidad”. La mecatrónica tiene como antecedentes inmediatos a la investigación en el área de la cibernética realizada en 1936 por Alan Turing y en 1948 por Norbert Wiener, las máquinas de control numérico, desarrolladas inicialmente en 1946 por Devol, los manipuladores, ya sean teleoperados, en 1951 por Goertz, o robotizados, en 1954 por Devol, y los autómatas programables, desarrollados por Bedford Associates en 1968. En 1969 la empresa japonesa Yaskawa Electric, acuña el término mecatrónica, recibiendo en 1971 el derecho de marca. En 1982 Yaskawa permite el libre uso del término.

Una manera interesante y sencilla de definir la mecatrónica es: “Diseño y construcción de sistemas mecánicos inteligentes”. Un sistema mecatrónico se compone principalmente de mecanismos, actuadores, control inteligente y sensores. Tradicionalmente la mecánica se ha ocupado solo de los mecanismos y los actuadores, y opcionalmente puede incorporar control. La mecatrónica integra obligatoriamente el control en lazo cerrado y por lo tanto también a los sensores. Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, y otros similares se deben considerar como sistemas mecatrónicos.

En la etapa de industrialización el trabajo manual disperso, o trabajo artesanal, es agrupado en la fábrica y gradualmente sustituido por el trabajo mecánico realizado mediante dispositivos y mecanismos que configuran las maquinas. El uso de energía hidráulica para el movimiento de los mecanismos fue el primer paso hacia la mecanización; posteriormente se empleó la energía térmica. Actualmente la mecanización de las operaciones de manufactura significa el empleo de mecanismos movidos con energía hidráulica, neumática, térmica, eléctrica o una combinación de estas. La etapa de mecanización significa el empleo intensivo y extensivo de estas formas de energía para el movimiento de los mecanismos. La etapa de automatización industrial programable, reprogramable y flexible, adviene con la creación de la electrónica y el control digital de las operaciones de manufactura y mecanismos, es decir, con la mecatrónica.

La integración de las maquinas de control numérico computarizado con los robots industriales, mediante una computadora digital, para su programación y control, da origen a los sistemas flexibles de manufactura y sistemas flexibles de montaje, que son la expresión moderna de los sistemas de manufactura tradicionales. La manufactura integrada por computadora es la estrategia de desarrollo de estas tecnologías avanzadas de manufactura, basadas en la automatización electrónica. Todo este desarrollo ha sido posible gracias a la integración de sistemas mecánicos, electrónicos y computarizados para la automatización industrial.

Los factores primarios para la generación de valor agregado que dominan hoy en día el mercado globalizado son la innovación, la automatización, la sofistificación y la gerencia estratégica, todos ellos dependen de sistemas de software inteligente. Los japoneses han liderado por más de veinte años los productos y sistemas robotizados y mecatrónicos, pero no el software inteligente. El año 1989 un grupo de investigadores de Tokio que visitaba varias industrias y agencias federales de los Estados Unidos, en reconocimiento de esta situación, propuso unir a los investigadores de las dos naciones en una nueva área integrada interdisciplinaria en el campo de la manufactura llamada sistemas de manufactura inteligente. Los sistemas de manufactura inteligente pueden ser considerados como la integración de la mecatrónica inteligente y la manufactura integrada por computadora, que combina disciplinas tales como la ingeniería industrial, la ingeniería eléctrica, la ingeniería mecánica, la ciencia de las computadoras, la inteligencia artificial y los sistemas expertos, las cuales combinadas con sensores inteligentes, motores y circuitos digitales, permiten el avance en precisión y control de sistemas de manufactura de tiempo real.

En cuanto a aplicaciones, los rubros mas importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica. La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas flexibles y reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica. Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas, estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces hápticas, navegación y locomoción. La aplicación de la mecatrónica en el transporte se desarrolla en el diseño de mecanismos activos, el control de vibraciones, estabilización de mecanismos y la navegación autónoma. En la manufactura, la mecatrónica se ha servido de los modelos de sistemas a eventos discretos, y los ha aplicado para el diseño óptimo de líneas de producción así como la optimización de procesos ya existente. También ha ayudado a automatizar las líneas de producción y generar el concepto de manufactura flexible.

Antecedentes de la mecatrónica son las máquinas de control numérico. En este tema los desarrollos más recientes son: análisis, detección y control de vibraciones, y temperatura, en las herramientas de corte, diagnóstico de las herramientas de corte y prototipaje rápido, electroerosionado y síntesis por láser. Las nanomáquinas son un área que se han beneficiado de los desarrollos de la mecatrónica. Un ejemplo muy evidente es el desarrollo del disco duro. Las líneas de investigación más manejadas son: micromanejo, microactuadores y micromaquinado. La biomecatrónica es la aplicación de la mecatrónica para resolver problemas de sistemas biológicos, en particular el desarrollo de nuevos tipos de prótesis, simuladores quirúrgicos, control de posición de instrumental médico, sillas de ruedas y teleoperación quirúrgica.

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