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National Instruments Confidential
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Introducción a Mecatrónica
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La Evolución de las Máquinas
Sistema MecánicoEngranes e interruptores de límites
Sistema ElectromecánicoControles electrónicos, controladores de motores
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4
Diversos Requerimientos de Construcción para Máquinas Modernas
Diseño Mecánico
Lógica Discreta y Secuencial
Diseño de Control de Movimiento
Base de DatosHMI
Redes
Monitoreo de Condición de Máquina
Visión ArtificialMotores y Actuadores
Acondicionamiento de Señal y Sensores
Máquina Moderna
Diseño de Sistemas
Embebidos
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5
Tendencia para Reducir Tiempo de Desarrollo
Diseño Secuencial Diseño Concurrente
Primer Prototipo Físico Primer Prototipo Virtual
Herramientas de Diseño Separadas
Herramientas de Diseño Integradas
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Enfoque Tradicional al Diseño Electromecánico de Máquinas
• Comunicación deficiente entre grupos de diseño• Largo tiempo de desarrollo con alto riesgo• Diseño poco optimizado
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7
Mecatrónica
• La mecatrónica es un acercamiento al diseño de máquinas que combina mecánica, electrónica, control y software embebido
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Enfoque de la Mecatrónica al Diseño Electromecánico de la Máquina
• Ciclos de desarrollo cortos y de bajo costo • Mejora calidad, confiabilidad y desempeño
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DiseñoMecánico
Diseño Electrónico Prototipo
Visual(Simulación)
1. Integración de Herramientas de Diseño
Diseño Embebido
Diseño de Control
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Nivel de Integración de Herramientas de Diseño
• Mejor – Una herramienta de diseño para toda las disciplinas
• Manual – Pasar datos manualmente entre las herramientas
• Básico – Datos trasferidos en archivos de formato estándar
Perfil de movimiento de CSV a CAD• Avanzado – Automatización completa de las
herramientasNI LabVIEW automatizando SolidWorks por medio de ActiveX
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Conectividad Abierta a Herramientas de Diseño
MATLAB® and Simulink® are registered trademarks of The MathWorks, Inc.
Diseño MecánicoSolidWorks SolidWorksPTC Pro/EngineerMSC Nastran and AdamsAutodesk AutoCAD
MatemáticasNI LabVIEW MathThe MathWorks, Inc. MATLAB®
Maplesoft MapleMathSoft Mathcad
Diseño ControlNI LabVIEW Control DesignThe MathWorks, Inc. Simulink®
Dynasim DymolaPlexim PLECS
Software EmbebidoNI LabVIEW Real-Time/EmbeddedWind River WorkbenchAnalog Devices VisualDSP++Freescale Code WarriorXilinx System Generator
Diseño ElectrónicoNI LabVIEW (Motor Sizing)NI MultisimORCAD PSpiceAnsoft Designer
VirtualPrototyping Platform
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LabVIEW: Plataforma para Prototipos Virtuales• Herramientas gráficas intuitivas
para los expertos en su área• Construcción de diseño de control
y simulación• Integración de herramientas de
diseño• Arquitectura abierta y flexible• Habilidad de ejecutarse en
múltiples plataformas de hardware industrial
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Prototipo Virtual de MáquinasDiseño Conceptual
Requerimientos De Diseño
PrototipoVirtual de Máquina(Simulación)
Mecánico: Visualización de diseño Eléctrico: Tamaño del motorControl: Verificar la lógica del controlSoftware Embebido: Implementación sencilla
EquipoCliente
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El Reto: Comprender los requerimientosSolución: Simulación electromecánica
Beneficios:Comunicación mejorada con el cliente
• Aumentando la confianza: enseñando pruebas de concepto• Ventajas competitivas en el proceso de licitación
Mejoras en la comunicación del equipo de diseño• Redefiniendo especificaciones de diseño • Evaluar el diseño de la arquitectura a alto nivel
Retos en el Diseño Mecánico
• Utilizar lógica de control para visualizar a la máquina trabajando
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Pasos de Simulación Electromecánica1. Determinar la lógica de la máquina2. Generar el perfil de datos con software de prototipos virtuales3. Enviar a herramienta de diseño en 3D4. Use una herramienta CAD para animar la funcionalidad de la
máquina
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Herramientas de Software• SolidWorks Profesional
COSMOSMotion• LabVIEW Professional
VIs de interfaz gratuitos por ActiveX para SolidWorks/LabVIEWNI Motion Assistant
Funciones de Interfaz SolidWorks – LabVIEW
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Demostración: LabVIEW Automatiza la Visualización del Diseño 2. Control
1. Diseño Mecánico
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DiseñoMecánico
DiseñoElectrónico Prototipo
Virtual(Simulación)
Especificación del Sistema Diseño de
Sistema de Pruebas paraManufactura
Manufactura Soporte yServicio
Ingenieríade Soporte
PrototipoFísico
Diseño Electrónico
DiseñoEmbebido
Diseño de Control
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Reto: Especificación del tamaño del motorSolución: Dimensionar el motor de forma
virtualBeneficios:
Aplicar los principios de dimensión del motor de forma interactiva Prueba virtual en varios motores
Retos del Diseño Eléctrico
• Tipo (AC/DC)• Torque contra requerimientos de
velocidad• Disipación de calor
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Dimensión Virtual del Motor DC
+-+-
+
-
R Li
dtdKv eeθ
=dtdiLvL =
iRvR =
mv
DO5+-+- Vsup
id
1. Adquirir las especificaciones del motor de la hoja de datos
2. Simular la respuesta del motor a la velocidad y el perfil de torque del CAD
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Diseño de Control
DiseñoMecánico
DiseñoElectrónico Prototipo
Virtual(Simulación)
Especificación del Sistema Diseño de
Sistema de Pruebas paraManufactura
Manufactura Soporte yServicio
Ingenieríade Sustento
PrototipoFísico
DiseñoEmbebido
Diseño deControl
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Retos:• Desarrollo de software en un componente crítico• Necesita prototipo físico para la prueba del algoritmo de
controlSolución: Desarrollar y probar el algoritmo de control en un
modelo virtualBeneficios:
Retos en el Diseño de Control
Comenzar de inmediato con el desarrollo del controlRedefinir la estrategia de control antes de hacer prototipos físicos Detectar interferencias y resonancias
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Integrando Control y Diseño Mecánico
Comando
Software de Control Simulación
1. Desarrollar la lógica de control de la máquina2. Animar el modelo e identificar problemas
potenciales
Retroalimentación
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1. Perfil de Movimiento2. Detección de Interferencia
Demostración: Detección de Interferencia
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Reto: Encontrar una alternativa para un PID convencional, el cual no está sintonizado para todos los estados de la máquina
Solución: Utilizar un PID avanzado u otro algoritmo de control
Beneficios:
Retos en el Diseño de Control
Lograr un control más preciso Seleccionar PID, PID avanzado, control basado en modelo o control predictivo de modeloReducir el desgaste y destrozo en partes de la máquina
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Diseño de Software Embebido
DiseñoMecánico
DiseñoElectrónico Prototipo
Virtual(Simulación)
Especificación del Sistema Diseño de
Sistema de Pruebas paraManufactura
Manufactura Soporte yServicio
Ingenieríade Sustento
PrototipoFísico
DiseñoEmbebido
Diseño deControl
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Reto: Implementar algoritmos embebidosSolución: Utilizar el software de diseño de control que
se ejecuta en hardware embebido Beneficios:
Reducir el tiempo y costo de desarrolloMenos oportunidad para errores de traducción
Retos en el Diseño de Software Embebido
• Reescribir el código para plataforma de hardware• Flexibilidad de implementar algoritmos avanzados
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Ingeniería de Algoritmos
Software de Diseño
Código a Mano
Hardware Prototipo
Verificar Algoritmo
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Ingeniería de Algoritmos
Software de Diseño
Hardware Prototipo
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Retos: Elegir la plataforma de prototipos correctaSolución: Utilizar hardware de PACs con FPGAs
incluidosBeneficios:
Retos de Prototipos e Implementación
Confiabilidad en la ejecución de algoritmos de controlIntegrar cualquier E/S incluyendo monitoreo de condición de máquina y visiónProteger IP (propiedad intelectual)
• Velocidad y memoria del controlador• E/S de señales especiales • Habilidad de implementar avanzados
algoritmos de control
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Hardware de Implementación
• Computadora de escritorio• Computadora industrial• Controladores de
automatización programables (PACs)
• Controladores lógicos programables (PLCs)
• Tarjetas personalizadas
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Controlador de Automatización Programable (PAC)
• Robusto y confiable como un PLC• Capacidades de software de una PC• E/S modulares y diversas
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Sistema a la Medida
PLCSBC
Controlador de Automatización Programable Basado en FPGA
NI CompactRIO
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Caso de Estudio: Diseño de Quiosco para Fotografía Digital
• AplicaciónTensión precisa de la filmina
• RetosVibraciones de la cabeza cortadoraVariaciones de velocidad del motor PID no funcionará
• SoluciónSimulaciónAlgoritmo de Control de Sexto orden
• ResultadoImpresión de fotografías 10x veces mas rápido que la competencia
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• Parte integral de todos los sistemas mecatrónicos
• Mejora la productividad de la máquina• NI PACs para control de movimiento:
PCI y CompactPCI/PXIControl de movimiento personalizado con FPGAMovimiento distribuido con CANopen
Consideraciones Adicionales de Diseño: Control de Movimiento de Alto Desempeño
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36
Nuevo para NI Motion• Dos modelos nuevos de drives de pasos
1 eje DC alimentación: 300 W1 eje AC alimentación: 525 W
• Rango para 30 nuevos motores de pasosNEMA 17, 23 y 34 tamañosTorque de hasta 1710 oz-in
• Software para capacidad de motores
• ni.com/motion/stepper
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• ¿Por qué utilizar visión artificial?Incrementa la taza de salida del productoReduce el costo de inspección del productoUtiliza rayos-x, infrarrojos
• AplicacionesManufacturaPrueba de productoEmpaquetado del productoGuías de robot
Consideraciones Adicionales de Diseño: Visión Artificial
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Consideraciones Adicionales de Diseño:Monitoreo de Condición de Máquina
Adquisiciónde Datos
Análisis de Datos
Diagnóstico y Control
Motor
GearHealth
Alignment
Unbalance
MechanicalResonances
Loose Mounting
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39
Conclusión• Desarrollo concurrente en la mecatrónica:
Reduce el riesgo y tiempo de desarrolloRequiere integración de herramientas de diseño
• NI ofrece una ruta fácil para implementar sistemas en mecatrónica