4.2 Normas Internacionales

La Organización Internacional de Normalización (ISO) es una federación mundial de organismos nacionales de normalización ( Comités miembros de la ISO) . Los comités técnicos de la ISO se encargan por lo general de la elaboración de normas internacionales. Los comités miembros nacionales interesados por un tema particular tienen el derecho de formar parte del comité técnico creado para este efecto. Las organizaciones internacionales, tanto gubernamentales como no gubernamentales, relacionadas con la ISO participan igualmente en estos trabajos. La ISO colabora estrechamente con la Comisión Electrotécnica Internacional ( CEI ) en lo relativo a la normalización electrotécnica.

Tipos de normas internacionales sobre sistemas de la calidad.

Esta serie de normas comprende dos tipos de Normas Internacionales que cubren las necesidades correspondientes a diferentes situaciones:• La norma ISO 9004 (y la presente norma internacional), que recogen las directrices para la gestión de la calidad, aplicable a todas las organizaciones.
• Las normas ISO 9001, ISO 9002 e ISO 9003, que son las normas previstas para el aseguramiento externo de la calidad en condiciones contractuales.


La Organización Internacional para la Estandarización estipula que sus estándares son producidos de acuerdo a los siguientes principios:
1) Consenso: Son tenidos en cuenta los puntos de vistas de todos los interesados: fabricantes, vendedores, usuarios, grupos de consumidores, laboratorios de análisis, gobiernos, especialistas y organizaciones de investigación.
2) Aplicación Industrial Global: Soluciones globales para satisfacer a las industrias y a los clientes mundiales.
3) Voluntario: La estandarización internacional es conducida por el mercado y por consiguiente basada en el compromiso voluntario de todos los interesados del mercado.


Esta norma se refiere a la gestión de la calidad y al aseguramiento de la calidad redactándose las directrices para su selección y utilización.
Uno de los factores esenciales en el funcionamiento de la organización es la calidad de sus productos o servicios. Existe una tendencia mundial por parte de los clientes, hacia requisitos más exigentes respecto a la calidad. Al mismo tiempo se está produciendo una creciente toma de conciencia de que, para obtener de forma continuada unos buenos rendimientos económicos, es necesario, con frecuencia, mejorar la calidad de forma sistémica. Para que una organización sea reconocida por la calidad de sus productos o servicios, tiene que funcionar con eficacia, con método y con sistema, dentro de una norma que dé garantía al usuario de los productos o servicios.


Los sistemas de calidad no son un capricho, son una imperiosa necesidad para lograr una cierta estabilidad económica y social. Para que exista una clientela, es necesario hacer una prospección del mercado, saber lo que las personas necesitan, quieren o esperan y diseñar un producto o servicio acorde a esas expectativas. La satisfacción del cliente garantiza la continuidad de la organización.


Mediante esta norma se espera clarificar diferencias y relaciones entre los conceptos relativos de la calidad. También pretende dar orientación para poder elegir la norma más apropiada para la empresa (ISO 9001, 9002, 9003), para el aseguramiento externo de la calidad.
El sistema de la calidad de una organización está influido por los objetivos de la propia organización, por sus productos o servicios y por sus propias prácticas; en consecuencia, el sistema de calidad varía de una organización a otra.

4.1 Normas Nacionales

Las normas, (también “estándares”, o “recomendaciones”), son de aplicación 

voluntaria, se usan o no se usan en función de los objetivos de producción y 

mercado. Su condición de voluntarias trata de no poner condicionamientos a la 

innovación. 

Sin embargo, estas normas de aplicación voluntaria acaban convirtiéndose en 

normas de obligado cumplimiento cuando así lo establecen las regulaciónes  dictadas por las administraciones públicas, cuando lo exigen los clientes o los 

procesos de diseño internos o cuando se hacen imprescindibles para la 

interoperabilidad entre fabricantes.

Una norma es un documento de aplicación voluntaria que contiene especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y del 

desarrollo tecnológico.

Los criterios, reglas, instructivos, manuales, circulares, lineamientos, procedimientos u otras disposiciones de carácter obligatorio que requieran establecer las dependencias y se refieran a las materias y finalidades que se establecen en este artículo, sólo podrán expedirse como normas oficiales mexicanas conforme al procedimiento establecido en esta Ley.

Para la elaboración de normas oficiales mexicanas se deberá revisar si existen otras relacionadas, en cuyo caso se coordinarán las dependencias correspondientes para que se elabore de manera conjunta una sola norma oficial mexicana por sector o materia. Además, se tomarán en consideración las normas mexicanas y las internacionales, y cuando éstas últimas no constituyan un medio eficaz o apropiado para cumplir con las finalidades establecidas en el artículo 40, la dependencia deberá comunicarlo a la Secretaría antes de que se publique el proyecto en los términos del artículo 47, fracción I. 

Además deben de ser aprobadas por un organismo normalizador reconocido.

Las normas oficiales mexicanas deberán ser revisadas cada 5 años a partir de la fecha de su entrada en vigor, debiendo notificarse al secretariado técnico de la Comisión Nacional de Normalización los resultados de la revisión, dentro de los 60 días naturales posteriores a la terminación del período quinquenal correspondiente. De no hacerse la notificación, las normas perderán su vigencia y las dependencias que las hubieran expedido deberán publicar su cancelación en el Diario Oficial de la Federación. La Comisión podrá solicitar a la dependencia dicha cancelación. 

Exiten en la actualidad normas sobre casi todo: 

• Fundamentales o básicas, de amplio alcance o con disposiciones generales en un campo particular 

• De terminología, que se refieren a términos. Usualmente vienen acompañados por sus definiciones y, a veces, por notas explicativas, ilustraciones, ejemplos, etc. 

• De ensayo, que se refieren a métodos de ensayo, a veces complementadas con otras disposiciones relacionadas con los ensayos (muestreos, estadísticas, secuencias…) 

• De producto, de procesos o de servicio, que especifican los requisitos que debe satisfacer un producto o grupo de productos, un proceso o un servicio, para el establecimiento de su aptitud al uso. 

• De interfaz, que especifican requisitos que se refieren a la compatibilidad de productos o sistemas en sus puntos de interconexión. 

ORGANISMOS NACIONALES

 

(*)Aenor (España), www.aenor.es

Afnor (Francia), www.afnor.fr

Din (Alemani), www.din.de

BSI (Reino Unido), www.bsi.org.uk

ANSI (Estados Unidos), www.ansi.org Etc. 

3.3 Integración de Componentes y Dispositivos

La investigación en el área de componentes se centra en primordialmente en el desarrollo de nuevas tecnologías de actuadores y sensores, consideran este punto una parte fundamental para el desarrollo académico del estudiante de ingeniería. así como la aplicación de diferentes esquemas de control y comunicación entre los componentes; por ello se puede plantear como líneas de investigación:

-Manejo directo por medio de actuadores;-Nuevos tipos de control para motores eléctricos;-Actuadores electrostáticos;-Aplicación de controles modernos tales como: redes neuronales, control de sistemas a eventos discretos, etc.;-Autonomía;-Percepción del medio ambiente;-Visión artificial;-Medición indirecta por medio de observadores del estado y filtros;-La fusión de sensores;-Arquitecturas de control y adquisición de datos descentralizada;-Redundancia cinemática y manipuladores paralelos;-Sistemas de comunicaciones entre componentes;-Sistemas de planeación y selección de tareas, e-Interfaces hápticas.

Por análisis se refiere a la obtención de modelos matemáticos para sistemas mecatrónicos. Los modelos son necesarios para poder realizar síntesis de dispositivos mecatrónicos y optimización de procesos. En la Mecatrónica se aplican nuevas técnicas de modelado tales como:-Redes neuronales;-Redes de Petri;-Lógica difusa;-Ondeletas (wavelets, en inglés);-Memorias asociativas;-Agentes cooperativos;-Modelos algorítmicos;-Modelos linguísticos;-Gráficos de relaciones (Bond Graph en inglés), y-Diseño concurrente.

3.2 Criterio de selección de Componentes de dispositivos

La mecánica contribuye en el diseño y selección de componentes para la estructura, tales como materiales, mecanismos, articulaciones, transmisiones y motores, y realiza los análisis de la estática, la cinemática, la dinámica, cargas, momentos de inercia, confiabilidad y seguridad.

La electricidad y electrónica contribuyen en el diseño y selección de componentes como sensores, transductores, circuitos eléctricos, circuitos integrados, redes, servomecanismos, interfaces, amplificadores, convertidores de señales, acondicionadores de señales, sistemas de potencia y sistemas de visión.

Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. 

Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.

De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. 

1. Según su estructura física

Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.

Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Según el material base de fabricación.

Semiconductores.

No semiconductores.

3. Según su funcionamiento.

Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control.

Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel.

4. Según el tipo energía.

Electromagnéticos: aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales.

Electroacústicos: transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa.

Optoelectrónicos: transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa.

Como podemos darnos cuenta en la mecatrónica se utilizan gran cantidad de dispositivos y cada uno cuenta con especificaciones características que nos ayudan en determinadas tareas, por lo cual es importante tomar en cuenta cada una de ellas para lleva una selección de dispositivos conveniente y certera . Dos de los componentes y/o dispositivos más requeridos en la mecatrónica son los sensores y los controladores lógicos programables así que la buena elección de estos nos facilita nuestro diseño requerido, por lo cual describiremos algunos aspectos a considerar al elegir un sensor o un PLC.

• Selección de sensores              

Al seleccionar un sensor para una aplicación en particular hay que

considerar varios factores:

1.    El tipo de medición que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medición y confiabilidad requeridas, las condicio­nes ambientales en las que se realizará la medición.

2.    El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinará las condiciones de acondicionamiento de la señal, a fin de contar con señales de salida idóneas para la medición.

La elección de un sensor no se puede hacer sin considerar el tipo de salida que el sistema debe producir después de acondicionar la señal; por ello, es necesaria una integración idónea entre sensor y acondi­cionador de señal.

• Selección de un PLC

Al evaluar la capacidad y tipo de PLC necesario para llevar a cabo

una tarea, los factores que se deben tener en cuenta son:

1.  ¿Qué capacidad de entrada/salida se requiere? Es decir, la canti­dad de entradas/salidas, la capacidad de expansión para necesi­dades futuras.

2.   ¿Qué tipo de entradas/salidas se requieren? Es decir, tipo de ais­lamiento, fuente de alimentación incluida para entradas/salidas, acondicionamiento de señal, etcétera.

3.1 Metodología para solución de problemas de Ingeniería

El ingeniero puede enfrentar  varios problemas en el curso de las actividades de su trabajo cotidiano. No existe un procedimiento definitivo que se ajusten siempre a los problemas de ingeniería inmediatos. 

Los ingenieros están preparados para pensar en términos analíticos y objetivos y abordar los problemas en forma metódica y sistemática.

El método de diseño de ingeniería incluye:

• Ø  La identificación del problema.

• Ø  La recopilación de la información necesaria.

• Ø  La búsqueda de soluciones creativas.

• Ø  El paso de las ideas a los diseños preliminares (incluyendo el modelado)-

• Ø  La evaluación y la selección de la solución preferente.

• Ø  La preparación de informes, anteproyectos y especificaciones.

• Ø  Implementación del diseño.

La resolución de problemas es una parte clave de los cursos de ingeniería, y también de los de ciencias de la computación, matemáticas, físicas y química. Por lo tanto, es importante tener una estrategia consistente para resolver los problemas. También es conveniente que la estrategia sea lo bastante general como para funcionar en todas estas áreas distintas.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El primer paso es plantear el problema claramente. Es en extremo importante preparar un enunciado claro y conciso del problema para evitar cualquier malentendido.

2. DESCRIPCIÓN DE ENTRADAS/SALIDAS

El segundo paso consiste en describir cuidadosamente la información que se da para resolver el problema y luego identificar los valores que se deben calcular. Estos elementos representan las entradas y salidas del problema y pueden llamarse colectivamente entrada/salida o E/S. En muchos problemas resulta útil hacer un diagrama que muestre las entradas y salidas. En este punto, el programa es una “abstracción” porque no estamos definiendo los pasos para determinar las salidas; sólo estamos mostrando la información que se usará para calcular la salida.

3.  EJEMPLO A MANO

El tercer paso es resolver el problema a mano o con una calculadora, empleando un conjunto sencillo de datos. Se trata de un paso muy importante y no debe pasarse por alto, ni siquiera en problemas sencillos. Éste es el paso en que se detalla la solución del problema. Si no podemos tomar un conjunto sencillo de números y calcular la salida, no estamos preparados para continuar con el siguiente paso; debemos releer el problema y tal vez consultar material de referencia.

4. SOLUCIÓN

Una vez que podamos resolver el problema para un conjunto sencillo de datos, estamos listos para desarrollar un algoritmo: un bosquejo paso a paso de la solución del problema. Si el problema es complejo puede ser necesario escribir a grandes rasgos los pasos y luego descomponer esos pasos en otros más pequeños.

En este paso estamos preparados para realizar el programa correspondiente.

5. PRUEBA

El paso final de nuestro proceso de resolución de problemas es probar la solución. Primero debemos probar la solución con los datos del ejemplo a mano porque ya calculamos la solución antes.

2.6 Controladores Programables

Un controlador lógico programable (PLC. por sus siglas en inglés) se define como un dispositivo electrónico digital que usa una memo­ria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos.Este tipo de procesadores se denominalógico debido a que su pro­gramación básicamente tiene que ver con la ejecución de operacio­nes lógicas y de conmutación. 

Los dispositivos de entrada  y los dispositivos de salida que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el pro­grama diseñado por el operador para el PLC y que éste conserva en memoria, y de esta manera se controlan máquinas o procesos. Los PLCs tienen la gran ventaja de que permiten modi­ficar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones correspondientes. Lo anterior permite contar con un sistema flexible mediante el cual es posible controlar sistemas muy diversos entre sí, tanto en tipo como en complejidad.

Si bien los PLCs son similares a las computadoras, tienen caracte­rísticas específicas que permiten su empleo como controladores. Éstas son:

1.    Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, tempe­ratura, humedad y ruido.

2.    La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del contro­lador.

3.    Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación básicamente consiste en opera­ciones de lógica y conmutación.

Estructura básica: Un PLC en esencia consta de una unidad central de procesamiento (CPU), me­moria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz. a. A través del siste­ma de bus se lleva información y datos desde y hacia la CPU, la me­moria y las unidades de entrada/salida. Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del usuario y memoria buffer temporal para los canales de entra­da/salida.

El usuario puede modificar los programas en la RAM. Sin embar­go, para evitar que estos programas se pierdan durante una interrup­ción del suministro de energía eléctrica, en el PLC se utiliza una ba­tería, para mantener el contenido de la RAM por determinado tiempo. 

Procesamiento de la entrada y salida: La forma básica de programación más común en los PLC es la pro­gramación de escalera. Ésta especifica cada una de las tareas de un programa como si fueran los peldaños de una escalera.

La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se resu­me de la siguiente manera:

1.    Explora las entradas asociadas a un peldaño del programa de es­calera.

2.    Solución de la operación lógica de cada una de las entradas.

3.    Encendido/apagado de las salidas del peldaño.

4.    Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2, 3.

5.    Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2 y 3.

6.    Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1,2 y 3.

Y así sucesivamente, hasta finalizar el programa.

Los peldaños del programa tipo escalera se exploran de acuerdo con la secuencia respectiva.

Existen dos métodos para el procesamiento de entradas/salidas:

1.    Por actualización continua

2.    Por copiado masivo de entradas/salidas

Programación: La programación de un PLC mediante diagramas de escalera con­siste en la elaboración de un programa de manera similar a como se dibuja un circuito de contactos eléctricos. El diagrama de escalera consta de dos líneas verticales que representan las líneas de ali­mentación.

Retención: Con frecuencia se presentan situaciones en las que es necesario man­tener energizada una bobina, aun cuando ya no exista la entrada que proporciona la energía. Para lograr lo anterior se utiliza lo que se co­noce como circuito de retención. Éste es un circuito de autososteni-miento, ya que después de ser cnergizado mantiene ese estado hasta que recibe otra entrada. Es decir, recuerda su último estado.

Secuenciamiento: Con frecuencia se presentan dos situaciones de control que requie­ren secuencias de salidas; la conmutación de una a otra salida se con­trola mediante sensores.

Mnemónicos: Para introducir el programa en el PLC una  manera es traducir el programa escalera en instrucciones conocidas como mnemónicos; en este caso, cada línea de código corresponde a un elemento de la escalera; a continuación éstos se introducen en el panel de programación o en la computadora y se traducen a lenguaje de máquina. Los mnemóni­cos difieren de un fabricante a otro.

Temporizadores: Para especificar un circuito de temporización hay que indicar cuál es el intervalo de temporización, así como las condiciones o eventos que producirán la activación y paro de dicho temporizador.

Saltos: Una función frecuente en los PLCs es la de salto condicional. Me­diante ésta se designan programas para que, si existe cierta condi­ción, se produzca un salto en la secuencia de ejecución del programa a otra sección de éste.

Manejo de datos: Las operaciones que los PLC pueden realizar con palabras de da­tos, en general incluyen:

1.    Transporte de datos.

2.    Comparación de la magnitud de los datos, es decir, mayor que, igual a, o menor que.

3.    Operaciones aritméticas como la suma y la resta.

4.    Conversiones de decimales codificados en binario (BCD) a bi­nario y octal.

Se requieren direcciones de memoria para las instrucciones de datos; los espacios de la memoria reseñados para almacenar datos se cono­cen comoregistros de datos.

Desplazamiento de datos: Para desplazar datos la instrucción correspondiente debe contener la instrucción de desplazamiento de datos, la dirección de origen de los datos y la dirección de destino de éstos.

Comparación de datos: En general, los PLCs realizan comparaciones de datos como menor, igual a(= o EQU), me­nor o igual que, mayor que mayor o igual que  y diferente. Para com­parar datos, el programa emplea una instrucción de comparación, la dirección de origen de los dalos y la dirección de destino.

Operaciones aritméticas: Algunos PLC sólo efectúan operaciones aritméticas de suma y resta; otros cuentan con más funciones aritméticas. La instrucción para su­mar o restar en general requiere la instrucción, el registro que contiene la dirección del valor que se va a sumar o a restar, la direc­ción de la cantidad a la que se va a añadir o a restar el valor y el regis­tro en donde se guardará el resultado. el símbolo de escalera utilizado para la suma, con OMRON.

La suma o la resta se pueden usar para modificar el valor de deter­minado valor de entrada de un sensor, quizás un término de correc­ción o corrimiento, o para alterar valores predeterminados de tempo-rizadores o contadores.

Conversiones de código: Todas las operaciones internas de la CPU de un PLC se realizan uti­lizando números binarios. Si la entrada es una señal decimal, se usa una conversión para obtener un decimal codificado en binario (BCD). De igual manera, si se necesita una salida decimal, se debe realizar la conversión respectiva. La mayoría de los PLC cuentan con estas conversiones.

Entrada/salida analógica: Es frecuente encontrar sensores que producen señales analógicas, así como actuadores que requieren señales analógicas. Por ello, al­gunos PLC deben tener un módulo para conversión de señales analó­gicas a digitales en los canales de entrada, así como un módulo para conversión de señales digitales a analógicas en los canales de salida.

Convertir la salida del sensor en una señal digital.

Comparar la salida del sensor convertida con el valor requerido del sensor

Multiplicar el error por la constante de proporcionalidad K_p.

Transferir este resultado a la salida que va al convertidor de se­ñal digital a analógica y utilizar el resultado como señal de co­rrección para el actuador.

Selección de un PLC: Al evaluar la capacidad y tipo de PLC necesario para llevar a cabo una tarea, los factores que se deben tener en cuenta son:

1.    ¿Qué capacidad de entrada/salida se requiere?

2.    ¿Qué tipo de entradas/salidas se requieren?

3.    ¿Qué capacidad de memoria se necesita?

4.    ¿Qué velocidad y capacidad debe tener la CPU?

2.5 Microprocesadores

El microprocesador es el circuito integrado central y más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el cerebro de un computador. 

Es un circuito integrado conformado por millones de componentes electrónicos. Constituye la unidad central del procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador.

Es el encargado de ejecutar los programas, desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecutan instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y logicas simples, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir las logicas binarias y accesos a memoria.

El microprocesador está conectado generalmente mediante un zócalo específico de la placa base de la computadora; normalmente para su correcto y estable funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad termica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que eliminan el exceso del calor absorbido por el disipador.

En un microprocesador podemos diferenciar diversas partes:

• El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su deterioro (y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.

• La memoria cache: es una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera

• Coprocesador Matemático: o correctamente la FPU (Unidad de coma flotante). Que es la parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del procesador en otro chip

• Los registros: son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares.

• La memoria: es el lugar donde el procesador encuentra las instrucciones de los programas y sus datos.

• Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con el mundo externo.

El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios organizados secuencialmente en la memoria principal. La ejecución de las instrucciones se puede realizar en varias fases:

• PreFetch, pre lectura de la instrucción desde la memoria principal.

• Fetch, envío de la instrucción al decodificador

• Decodificación de la instrucción, es decir, determinar qué instrucción es y por tanto qué se debe hacer.

• Lectura de operandos (si los hay).

• Ejecución, lanzamiento de las máquinas de estado que llevan a cabo el procesamiento.

• Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros.

2.4 Modelo de Sistemas Basicos

Modelos matemáticos

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

Elementos básicos de sistemas mecánicos

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

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

F=kx

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

F=cv          

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

Elementos básicos de sistemas eléctricos

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

En un capacitador, la diferencia de potencial depende de la carga (q), de las placas del capacitor en determinado momento.
En una resistencia, la diferencia de potencial (v), en un instante dado dependerá de la corriente (i), que circule por ella.. 
La potencia (P) que disipa una resistencia cuando tiene una diferencia de potencial.                       

Elementos básicos en sistemas fluidos

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

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

p₁ – p₂ = Ra

donde (R) es una constante denominada resistencia hidráulica.
Capacitancia hidráulica es el termino que describe la energía almacenada en un liquido cuando éste se almacena en forma de energía potencial, es decir, lo que se conoce como carga de agua.                                 

q₁ – q₂ = dV/dt

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

F₁ – F₂ = p₁A – p₂A = (p₁ – p₂) A

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

I = Lp/A

 

2.3 Sistemas de Actuación (Mecánico-Eléctrico-Neumático-Hidráulico)

Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y de gas.

Existen varios tipos de actuadores: 

• Los hidráulicos 
• Los eléctricos 
• los mecánicos 
• los neumático 

El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. 

Actuadores Eléctricos

Se le da el nombre de actuadores eléctricos cuando se usa la energía eléctrica para que se ejecuten sus movimientos, Funcionamiento.

El proceso bajo control, la acción que se tiene que llevar a cabo y la velocidad con que ésta deba realizarse, son factores que influyen en la clase de actuador que se ha de utilizar.

Los dispositivos eléctricos ofrecen una mayor exactitud y repetitividad, necesitan de un menor espacio de piso y, como consecuencia, son muy adecuados para el trabajo preciso, como el ensamblaje.Por lo general, los robots se pueden accionar con un acondicionamiento eléctrico, por medio de los motores paso a paso o de los servomotores. Una salida de un motor paso a paso consiste en incrementos de movimiento angular discreto iniciado por una serie de pulsos eléctricos discretos.

Características

Motores de corriente continúa

• Estator (imanes) y rotor.
• Interacción entre campo magnético y eléctrico provoca movimiento.
• Velocidad giro proporcional a V.
• Compra: a más corriente más par.
• Eficientes para girar con poca fuerza y gran velocidad.

Servo motores

• Capaces de colocarse en una posición.

El actuador representa la interfaz entre el sistema de control de proceso y la válvula.

Los comandos de control transmitidos de forma binaria, analógica o a través de bus de campo deben ser analizados por el actuador para así posicionar la válvula; a la inversa, el sistema de control de proceso espera una respuesta del actuador. 

Ésta puede producirse en forma de mera respuesta de estado a través de las señales binarias de salida.

Actuadores Mecánicos

Son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal.

Tipos de actuadores Mecánicos

• Actuadores hidráulicos | Los actuadores hidráulicos son los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el robot pueda movilizar sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para robots grandes, los cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica. |
• Actuadores neumáticos | Solo resta hablar de aquellos robots que se valen de los actuadores neumáticos para realizar sus funciones. En los actuadores neumáticos se comprime el aire abastecido por un compresor, el cual viaja a través de mangueras. Los robots pequeños están diseñados para funcionar por medio de actuadores neumáticos. |

Entre las características más importantes que podemos encontrar en los distintos tipos de actuadores mecánicos son:

• Neumáticos | * Compresores y depósitos de aire * Sistemas de preparación del aire comprimido * Actuadores neumáticos * Válvulas neumáticas * Otros elementos y accesorios … |
• Hidráulico | * Bombas hidráulicas * Acumuladores * Actuadores hidráulicos * Válvulas hidráulicas * Otros elementos y accesorios … |

Es importante comprender el funcionamiento de los actuadores para su correcta aplicación.

El objetivo final del actuador rotatorio es generar un movimiento giratorio. El movimiento debe estar limitado a un ángulo máximo de rotación. Normalmente se habla de actuadores de cuarto de vuelta, o 90º; fracción de vuelta para ángulos diferentes a 90º.

Actuadores Neumático

Para hacer funcionar el actuador neumático, se conecta aire comprimido a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo. Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo.

Para hacer funcionar el actuador eléctrico, se debe energizar los bornes correspondientes para que el motor actúe en la dirección apropiada. Usualmente vienen con un controlador local o botonera que hace este proceso más sencillo.
Sin embargo para la automatización remota del actuador, se debe considerar el diagrama de cableado que viene con el actuador. Las conexiones deben considerar fuerza, señales de límites de carrera y torque, señales análogas o digitales de posición y torque, etc.

Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. 

Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

• | Actuador Neumático | Actuador Hidráulico |
• Fuerza Generadora de Movimiento | Presión de aire | Presión hidráulica |
• Elemento Motriz | Émbolo, Pistón o Veleta | Émbolo, Pistón o Veleta |
• Transmisión de Fuerza o Torque | Eje o Cremallera | Eje |
• Conversión mecánica | Yugo o Piñón | Yugo o Piñón |

Ejemplos de Actuadores:

• E l canal de panamá
• Sistema de seguimiento escola

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.

En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.

• De Efecto SimpleCilindro Neumático
• Actuador Neumático De efecto Doble
• Con engranaje
• Motor Neumático Con Veleta
• Con pistón
• Con una veleta a la vez
• Multiveleta
• Motor Rotatorio Con pistón
• De ranura Vertical
• De émbolo
• Fuelles, Diafragma y músculo artificial
• Cilindro de Simple Efecto

Actuadores Hidraulicos

Son los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el sistema donde sea utilizado pueda movilizar sus mecanismos. Se utilizan para maquinarias grandes, las cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.

Para las aplicaciones que exijan una carga útil, el dispositivo hidráulico es el sistema a elegir. Los altos índices entre potencia y carga, la mayor exactitud, la respuesta de mayor frecuencia con un desempeño más suave a bajas velocidades y el amplio rango de velocidad, son algunas de las ventajas del acondicionamiento hidráulicos sobre los actuadores neumáticos.

La presión es aplicada de la misma manera que la neumática en un émbolo que se encuentra dentro de un compartimiento hermético. Este se encuentra acoplado mecánicamente a un vástago que se mueve linealmente de acuerdo a la presión aplicada. Los cálculos para la fuerza ejercida por un cilindro hidráulico son las mismas que para los cilindros neumáticos.

Sin embargo, poseen una diferencia fundamental; el cilindro hidráulico del mismo tamaño que el neumático produce una mayor fuerza. Las principales aplicaciones la podemos encontrar en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada para obras civiles.

Para la aplicación de los actuadores hidráulicos, se necesita de una bomba que envíen al líquido también

a presión a través de una tubería o de mangueras especiales para el transporte del mismo.

Estos actuadores son de poco uso en la industria si lo comparamos con la acogida de los actuadores neumático y eléctrico; esto se debe entre otras cosas a los grandes requisitos para el espacio de piso y las condiciones de gran riesgo provenientes del escurrimiento de fluidos de alta presión.

En esta clase de actuadores también encontramos cilindros de simple o de doble efecto y en cuanto a los elementos de control y protección son muy similares a los sistemas neumáticos.