ACTIVIDADES DOCENTES EN MECATRÓNICA Pere Ponsa Departamento Enginyeria de Sistemes, Automática e Informática Industrial, ESAII Universitat Politécnica de Catalunya EUPVG, Av. Victor Balaguer s/n, 08800 Vilanova i la Geltrú E-mail; [email protected] Tfno.93 896 77 98;Fax.93 896 77 00 Andreu Català Director Escola Universitaria Politécnica Vilanova i la Geltrú Universitat Politécnica de Catalunya EUPVG, Av. Victor Balaguer s/n, 08800 Vilanova i la Geltrú E-mail; [email protected]

Resumen El presente trabajo muestra de forma aplicada como potenciar la labor entre diferentes departamentos para el desarrollo de nuevas temáticas que puedan consolidarse en futuros planes de estudio en escuelas universitarias técnicas. Los departamentos implicados son actualmente el departamento de ingeniería mecánica, el departamento de ingeniería electrónica y finalmente el departamento de ingeniería de sistemas, automática e informática industrial, todos ellos de la Escuela Universitaria Politécnica de Vilanova i la Geltrú perteneciente a la Universitat Politécnica de Catalunya. El marco de trabajo sobre el que se pretende abordar ésta problemática es la mecatrónica. Sin entrar en definiciones ambiguas, la idea primordial que queremos sirva de base en el futuro, es la integración de áreas como la mecánica, electrónica y automática en proyectos multidisciplinares.

Palabras robótica

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Clave:

mecatrónica,

automatitzación,

INTRODUCCIÓN

Un estudio panorámico sobre áreas de conocimiento técnico nos lleva a la observación que en entornos industriales se sigue una evolución hacia tareas multidisciplinares [8]. En la automatización de un proceso, por ejemplo, es necesaria la colaboración entre expertos de distintas áreas de conocimiento debido a la complejidad de los sistemas (diversas tecnologías como el diseño de planta, la robotización de tareas, la automatización electro-neumática, la seguridad, el mantenimiento, etc.). En este contexto, el operario está caracterizado como componente del

sistema, en el sentido de integrar su nivel de experiencia junto a otros colaboradores para potenciar el producto final. Siguiendo con el ejemplo, en ésta área de conocimiento existe una gran dinámica que favorece la continua búsqueda de mejoras; el objetivo básico sigue siendo como adecuarse a los continuos cambios de los sistemas productivos en el sentido de optimizar los recursos disponibles. En este sentido, pues, hay que añadir a las tecnologías las habilidades personales y de equipo para evitar el desfase entre formación académica y realidad industrial [1], [15].

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NIVELES JERÁRQUICOS

Un acercamiento a esta temática puede plantearse fragmentando el problema en aspectos más elementales. Distintos aspectos a tratar: nivel de planta física, nivel organizacional y nivel de recursos. 2.1

Nivel de localización física

Una de las primeras actividades que estamos llevando a cabo es la creación de un Laboratorio de Mecatrónica en el contexto de la automatización industrial. Un espacio físico concreto para el desarrollo de prototipos [7], o para la puesta en marcha de estaciones de trabajo [5], [12]. Las primeras iniciativas llevadas a cabo, de entre las muchas posibles, se resumen a modo de tres pautas principales en el apartado 3 de este texto. Usualmente en los centros universitarios técnicos ya se dispone de laboratorios divididos por temáticas. La formación del futuro ingeniero pasa por la aplicación y consolidación de los temas aprendidos en forma de prácticas de laboratorio en grupo. Estos laboratorios pueden agruparse por separado en

temáticas como automatización de procesos, diseño mecánico de estructuras, o diseño y puesta en funcionamiento de circuitos electrónicos, por ejemplo. Nuestra propuesta consiste en realizar una redistribución física. Diseñar un Laboratorio de Mecatrónica, con actividades planificadas a medio plazo, orientadas a la integración del conocimiento. El recorrido que se debería realizar es, en primer lugar el paso por el laboratorio tradicional, y en segundo lugar el paso por el Laboratorio de Mecatrónica. Éste espacio físico se concibe como un espacio para actividades en grupo para clases aplicadas de problemas prácticos. Una segunda fase consiste en potenciar el desarrollo de proyectos finales de la titulación. 2.2

Nivel organizacional

Los expertos docentes en diversas materias pueden establecer trabajos cooperativos entre estudiantes de distintas titulaciones. En concreto un docente experto en ingeniería mecánica puede establecer una línea de trabajo complementada por docentes en otras áreas. Pero esta metodología es variable, en el sentido de que puede adaptarse al problema en cuestión para potenciar en mayor cuantía la parte de mecánica o la parte de electrónica, por ejemplo. Las actividades de laboratorio no son actividades aisladas sino que deben enmarcarse de forma genérica en los estudios técnicos. Aprovechando la posibilidad de ofrecer nuevas asignaturas y nuevos contenidos en la revisión del plan de estudios, puede ofrecerse un contenido lectivo de Introducción a la Mecatrónica de 9 créditos, con una combinación de 6 créditos (teoría y problemas) y 3 créditos (prácticas). Los contenidos han de ser definidos en función de criterios genéricos que potencien la formación del estudiante. Para poder acceder a esta asignatura habrá que planificar una base mínima de créditos. La asignatura puede ofrecerse como optativa en titulaciones de Ingeniería Técnica Mecánica o Ingeniería Técnica Electrónica por ejemplo. Es recomendable también que el estudiante disponga de 2 profesores de áreas de conocimiento distintas que puedan aportarle distintas visiones. 2.3

Nivel de recursos materiales

En primer lugar se hace necesario un inventario de los bienes materiales ya disponibles para conocer si permiten potenciar actividades conjuntas. En segundo lugar, es necesario planificar qué equipos hay que adquirir para dotarlos de la flexibilidad necesaria para que sirvan a distintos intereses. A modo de ejemplo, el Centro de Mecatrónica de Gales, dispone como planta física un sistema de

fabricación flexible con estaciones de alimentación, mecanizado, ensamblaje y almacén [11]. Un sistema flexible incorpora tecnologías diferentes puestas en colaboración lo que predispone a la integración de expertos en distintas áreas para la consecución de un buen rendimiento. A ello, se junta el hecho del tiempo limitado de vida de las máquinas lo que permite plantear el rediseño de estaciones para su ampliación o aspectos de mantenimiento. Un segundo ejemplo consiste en la célula de fabricación flexible desarrollada en el Departamento de Informàtica de la Universitat Autónoma de Bacelona [9]. En ella, la flexibilidad del tipo de producto a fabricar y el rendimiento de la célula, permiten el trabajo conjunto de ingenieros informáticos, ingenieros electrónicos, y expertos del sector industrial. Otra posibilidad distinta, - para no utilizar todos los recursos en una planta centralizada-, consiste en diseñar puestos específicos de trabajo. Así, el Laboratorio de Mecatrónica se convierte en un banco de pruebas temporal hasta que el producto se da por terminado. El producto puede exponerse o ser utilizado para actividades docentes, y cede el espacio físico a nuevos proyectos.

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PRIMERAS ACTIVIDADES

Dentro del gran conjunto de posibles actividades destacamos las siguientes: diseño mecánico de configuraciones, robótica móvil, estaciones de trabajo automatizadas. 3.1

Diseño mecánico de configuraciones

La primera es el diseño mecánico de configuraciones de robots educacionales. Se trata de desarrollar prototipos de nuevas estructuras de robots con la discusión del número de ejes, disposición física de actuadores, disminución de inercias y esfuerzos sobre la estructura, estudio de fuerzas ficticias (Coriolis, centrífugas). El tema es amplio ya que puede abordarse: • • • • •

diseño mecánico de elementos terminales: pinzas equipo de control electrónico de la estructura mecánica generación de la trayectoria con la solución de la cinemática directa e inversa creación de botonera de programación ergonómica [10] entorno de programación abierto para la comunicación entre el equipo de control del robot y otros controladores

3.2

Robótica móbil

La segunda actividad consta de aportaciones en el área de la robótica móvil: vehículos AGV y microrobots. La microrobótica se presta al continuo reto de nuevas aplicaciones y modificaciones en el diseño original a bajo coste. Éste tema atrae enormemente a todo el colectivo científico hasta el punto del desarrollo de investigación en agentes artificiales que permiten la colaboración de microrobots en campeonatos internacionales de futbol. De forma más modesta, proponemos diseños de plataformas físicas para la integración y distribución del conjunto de sensores y actuadores. Mediante microcontrolador podemos potenciar el cambio de la aplicación del robot [3].

•

•

Estudio de la comunicación entre controladores para el trabajo cooperativo entre el manipulador cartesiano, el vehículo AGV [6] y los operarios Estudio del diseño de interacción personamáquina: monitorización del proceso, accionamiento manual o automatico, aspectos de seguridad

Se pretende extender esta área hacia diversas posibilidades como: • • • • • •

3.3

diseño de una metodología para la creación de proyectos en microrobótica [14] diseño mecánico de micro-robots diseño de tarjetas de circuito impreso para el control de la estructura integración multisensorial programación y reprogramación de microcontroladores incorporación de algoritmos de control basados en técnicas de inteligencia artificial (razonamiento cualitativo, redes neuronales, lógica fuzzy, entre otras). Estaciones de trabajo automatizadas

Figura 1: Manipulador electro-neumático de 3 ejes

La tercera actividad es el puente hacia el sector industrial a través del estudio de sistemas de fabricación flexible (SFF). Disponemos de material que nos permite plantear un conjunto de estaciones: vehículos AGV filoguiados [4], [6], manipuladores electroneumáticos para la carga y descarga de máquinas, comunicación entre PLC’s. Se pretende potenciar el paso del control a la supervisión, atendiendo a la monitorización de las estaciones por parte del operario mediante entorno de programación gráfico. Las estaciones pueden trabajar de forma autónoma o bien en tareas coordinadas (elaboración de un producto): • • • •

diseño de puestos de trabajo automatizados Estación con PC, PLC y maqueta industrial con manipulador neumático de 3 ejes (Figura 1, Figura 2) Estación con PC, PLC y maqueta didáctica de producción de FESTO Estación con PC, PLC y maqueta industrial con manipulador cartesiano de 3 ejes para la carga y descarga de máquinas (Figura 3)

Figura 2: Control del manipulador: botonera, PLC y electroválvulas Las Figuras 1 y 2 muestran la estación formada por un manipulador electroneumático junto al controlador electrónico. Esta estación ha sido diseñada en función de ejes neumáticos procedentes del despiece de maquinaria industrial. En la parte de diseño, se ha hecho un estudio de la mejor

disposición de los ejes. Como parte de control electrónico, se ha dispuesto un autómata S5-95U de Siemens junto a un conjunto formado por 3 electroválvulas de 5 vias y 3 posiciones [13]. La intención a medio plazo, es diseñar y construir un elemento terminal para posibles aplicaciones de pick and place. Por otro lado, se está estudiando la posibilidad de cambio de control electrónico por otro basado sobre el PC que permita el control continuo de la posición mediante algoritmos basados en lógica fuzzy.

Figura 3: Manipulador industrial

La Figura 4 muestra la botonera de control del manipulador industrial. En ella, se puede seleccionar múltiples combinaciones. Disponemos de dos autómatas y dos manipuladores de forma que, por ejemplo, un solo autómata puede gobernar los dos manipuladores, o podemos establecer comunicación entre autómatas de forma de prever malfuncionamiento de uno de los equipos para que el otro supla sus funciones. El laboratorio dispone también de maqueta didáctica de FESTO: carga de piezas, detección de tipo de pieza, alimentación de estación de mecanizado en forma de tambor, evacuación. En este caso, se ha producido la colaboración entre la casa comercial y la Universidad para concretar diversas posibilidades de automatización en función de disponer de una estación de trabajo donde se diferencian 3 tipos de piezas distintas sobre las que se ejercen diversas tareas. La colaboración entre los diversos expertos docentes permite ahorrar esfuerzos en la puesta en marcha, integrándose el control secuencial mediante el diagrama GRAFCET, discusión del cableado global de componentes a autómata S5-95U, y puesta en marcha genérica. Actualmente, mediante el programa VEEP se procede a la emulación del control del proceso, pero atendiendo a las necesidades de la supervisión del funcionamiento de la maqueta, una de las propuestas a medio plazo es integrar un sistema de monitorización gráfico basado en LabVIEW [2] y actualizar el control mediante la instalación de autómatas de gama alta como por ejemplo el S7-300 de Siemens.

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Figura 4: botonera de control La Figura 3 muestra un manipulador industrial capacitado para la carga y descarga y aplicado en la comprobación de disquetes bien formateados. Incorpora una botonera para la puesta en marcha por parte del operario y está controlada electrónicamente por un autómata C-2000H de la casa comercial OMRON. En estos momentos se está desarrollando un aplicativo SCADA para la monitorización del control secuencial del proceso.

CONCLUSIONES

El presente trabajo muestra los esfuerzos para potenciar la Mecatrónica en actividades docentes y de investigación. En estos momentos, estamos en una fase de reorganización de los recursos disponibles y en la definición de qué lineas de trabajo seguir. Aunque aun queda mucho por hacer, si se puede indicar que la colaboración entre expertos docentes empieza a dar fruto y se está trasladando para beneficio de los estudiantes que aprecian el esfuerzo por acercar la realidad industrial al marco universitario.

Referencias [1] Bradley, Dawson et. Al, “Mechatronics, electronics in products and proceses”. Chapman and Hall Verlag, London 1991 [2] Cruza, J.; “Automatización de procesos secuenciales en entorno de simulación”. Memoria del

Proyecto Final de Carrrera dirigido por P. Ponsa, Universitat Politécnica de Catalunya, 2000 [3] Dalmau, A., “Diseño, construcción y programación de un microbot”. Memoria del Proyecto final de carrera, dirigido por P. Ponsa, Universitat Politécnica de Catalunya, 2000 [4] González, S., “Sistema de navegación basado en marcas visuales para un agente autónomo”. Memoria del Proyecto final de carrera, dirigido por Joan Serrat, Departamento Informatica, UAB, 1997 [5] Ikerlan, “Informe anual: 1995”. Centro de Investigaciones Tecnologicas Ikerlan, 1995 [6] Marcelo, O., “Estudio para la puesta en marcha de un A.G.V.”. Memoria del Trabajo Académico Dirigido por P. Ponsa, Universitat Politécnica de Catalunya, documento interno, 2000 [7] Mondragón, “Curso avanzado en ingeniería de producto”. 1997. Mondragón Eskola Politeknikoa, 1997 [8] Ponsa, P.; “Disseny d’un sistema de fabricació flexible”. Memoria del Trabajo de investigación de Tercer ciclo. Departamento de Informatica, UAB, 1998 [9] Ponsa, P., Piera M. A., Vilanova, R., Serra, I.; “Diseño de una línea didáctica de producción”. En 5º

Congreo de AER/ATP, Las nuevas fronteras de la automatización, 17-19 septiembre, Bilbao, 1997 [10] Puigpinós, D., “Disseny de l’aplicació i de l’interface d’un robot”. Memoria del Proyecto final de carrera dirigido por M.A. Piera, Departamento Informatica, Universitat Autónoma de Barcelona, 1998 [11] Roberts, G. N., “Mechatronics Research Centre. Activity Report: December 1997”. University of Wales College, 1997 [12] Robotiker, “Memoria de actividades: 1999”. Robotiker, 1999. [13] Roca, G., “Puesta en marcha de manipulador electroneumático de 3 ejes”. Memoria del Trabajo Académico Dirigido por P. Ponsa, Universitat Politécnica de Catalunya, documento interno, 2001 [14] Torrens, C., “Buiding a mobile robot as an excellent graduating exercise”. En el congreso RET2001 1st Workshop on Robotics Education and Training, Ed. A. Casals, A. Grau, Weingarten, Germany 2001 [15] Williams, M., “Introducction to mechatronics”. Festo Didactic Group, 1997