Mecatrónica – sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica 6ª edición

Descripción

La simbiosis de la ingeniería mecánica y la ingeniería electrónica aunada al control inteligente computarizado en el diseño y manufactura de productos y procesos ha propiciado que técnicos e ingenieros busquen métodos interdisciplinarios para la ingeniería; técnicos e ingenieros que requieren adquirir capacidades operativas y comunicativas mediante una variedad de disciplinas de ingeniería.

Este documento expone los fundamentos básicos de la mecatrónica, así como las herramientas necesarias para el desarrollo de habilidades más avanzadas. Tiene como principal propósito ofrecer un estudio completo de la mecatrónica que pueda ser útil tanto a técnicos como a estudiantes de ingeniería. Aborda temas como los sensores, condicionamiento de la señal, actuadores, microprocesadores, modelos de sistemas y el diseño de sistemas en mecatrónica.

VENTAJAS

• Cada uno de los capítulos cuenta con un listado de objetivos, figuras, un resumen y una serie de problemas cuyas soluciones aparecen al final del libro.

• En el último capítulo se incluyen tareas de investigación y diseño, así como claves de sus posibles respuestas.

• En esta edición se hizo una reestructuración de las partes que conforman el libro para adecuarlo a la secuencia general de la enseñanza.

CONOZCA

• Las diversas formas y elementos del sistema de lazo abierto y del sistema de lazo cerrado.

• Los requerimientos para el acondicionamiento de señal y cómo se pueden utilizar los amplificadores operacionales.

• Los elementos de presentación de datos utilizados de manera común y sus características, así como los principios de las pantallas, en particular las de siete segmentos LED y las pantallas de matriz de puntos.

APRENDA

• A determinar los posibles sistemas de actuación mecánica para la transmisión de movimiento entre los que están lineal a rotatorio, rotatorio a rotatorio, rotatorio a lineal y transmisión de movimiento cíclico.

• A identificar los principios de motores de c.d., entre ellos el motor de imán permanente, y cómo éste puede tener su velocidad controlada, así como el principio del motor de c.d. de imán permanente sin escobillas.

• Crear programas que involucran temporizadores, contadores, registros de cambio, relevadores maestros, saltos y manejo de datos.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Utilizar el lenguaje ensamblador para escribir programas que contengan transferencias de datos, aritmética, lógica, jumps (saltos), branches (ramificaciones o controles de flujo), subrutinas, retrasos y tablas de consulta.

• Utilizar el lenguaje C para la escritura de programas sencillos para microcontroladores.

• Desarrollar programas de escalera para un PLC que involucran funciones lógicas, cierre, relevadores internos y secuenciación.

A QUIEN VA DIRIGIDO

El presente documento está dirigido a técnicos y estudiantes de las carreras de Ingeniería mecánica, Ingeniería eléctrica, Mecatrónica y Computación.

Contenido

Prefacio ix

I IntroduccIón 1

1. introducción a la mecatrónica 3

1.1 ¿Qué es la mecatrónica? 3

1.2 El proceso de diseño 5

1.3 Sistemas 6

1.4 Sistemas de medición 8

1.5 Sistemas de control 9

1.6 Controlador lógico programable 21

1.7 Ejemplos de sistemas mecatrónicos 22

Resumen 25

Problemas 26

II. Sensores Y Acondicionamiento

de Señales 27

2. Sensores y transductores 29

2.1 Sensores y transductores 29

2.2 Terminología del funcionamiento 30

2.3 Desplazamiento, posición y proximidad 35

2.4 Velocidad y movimiento 46

2.5 Fuerza 49

2.6 Presión de fluidos 50

2.7 Flujo de líquidos 54

2.8 Nivel de líquidos 55

2.9 Temperatura 56

2.10 Sensores de luz 61

2.11 Selección de sensores 62

2.12 Ingreso de datos mediante interruptores 63

Resumen 65

Problemas 66

3. Acondicionamiento de señales 69

3.1 Acondicionamiento de señales 69

3.2 Amplificador operacional 70

3.3 Protección 81

3.4 Filtrado 83

3.5 Puente de Wheatstone 84

3.6 Modulación por pulsos 88

3.7 Problemas con las señales 89

3.8 Transferencia de potencia 92

Resumen 92

Problemas 93

4. Señales digitales 95

4.1 Señales digitales 95

4.2 Señales analógicas y digitales 95

4.3 Convertidores de señales digital a analógica y de

analógica a digital 99

4.4 Multiplexores 105

4.5 Adquisición de datos 106

4.6 Procesamiento de señales digitales 109

Resumen 110

Problemas 110

5. Lógica digital 112

5.1 Lógica digital 112

5.2 Compuertas lógicas 113

5.3 Aplicaciones de las compuertas lógicas 120

5.4 Lógica secuencial 126

Resumen 133

Problemas 133

Contenido

6. Sistemas de presentación de datos 136

6.1 Pantallas 136

6.2 Elementos para la presentación de datos 137

6.3 Grabación magnética 142

6.4 Grabación óptica 146

6.5 Pantallas o displays 147

6.6 Sistemas de adquisición de datos 151

6.7 Sistemas de medición 155

6.8 Prueba y calibración 158

Resumen 160

Problemas 160

III. Actuación 163

7. Sistemas de actuación neumática

e hidráulica 165

7.1 Sistemas de actuación 165

7.2 Sistemas neumáticos e hidráulicos 165

7.3 Válvulas para control de dirección 169

7.4 Válvulas de control de presión 173

7.5 Cilindros 175

7.6 Servo válvulas y válvulas de control

proporcional 178

7.7 Válvulas para el control de procesos 180

7.8 Actuadores giratorios 185

Resumen 186

Problemas 186

8. Sistemas de actuación mecánica 188

8.1 Sistemas mecánicos 188

8.2 Tipos de movimiento 189

8.3 Cadenas cinemáticas 191

8.4 Levas 194

8.5 Engranes 196

8.6 Rueda dentada y trinquete 200

8.7 Bandas y cadenas de transmisión 200

8.8 Cojinetes (chumaceras) 202

Resumen 204

Problemas 205

9. Sistemas de actuación eléctrica 207

9.1 Sistemas eléctricos 207

9.2 Interruptores mecánicos 207

9.3 Interruptores de estado sólido 209

9.4 Solenoides 215

9.5 Motores de c.d 217

9.6 Motores de c.a 225

9.7 Motores paso a paso 227

9.8 Selección de un motor 234

Resumen 237

Problemas 237

IV. Sistemas de microprocesadores 239

10. Microprocesadores y

microcontroladores 241

10.1 Control 241

10.2 Sistemas de microprocesadores 241

10.3 Microcontroladores 253

10.4 Aplicaciones 272

10.5 Programación 274

Resumen 277

Problemas 277

11. Lenguaje ensamblador 278

11.1 Lenguajes 278

11.2 Conjunto de instrucciones 279

11.3 Programas en lenguaje ensamblador 285

11.4 Subrutinas 290

11.5 Tablas de consulta 293

11.6 Sistemas embebidos 296

Resumen 300

Problemas 300

12. Lenguaje C 302

12.1 ¿Por qué el lenguaje C? 302

12.2 Estructura de un programa 302

12.3 Control de flujo y ciclos 309

12.4 Arreglos 313

12.5 Apuntadores 314

12.6 Desarrollo de programas 316

12.7 Ejemplos de programas 317

12.8 Programas Arduino 319

Resumen 323

Problemas 323

13. Sistemas de

entrada/salida 326

13.1 Interfaces 326

13.2 Direccionamiento entrada/salida 326

vi contenido

13.3 Requerimientos de una interfaz 329

13.4 Adaptadores de interfaz para dispositivos

periféricos 336

13.5 Interfaz para comunicaciones en serie 341

13.6 Ejemplos de acoplamiento mediante interfaz 344

Resumen 347

Problemas 348

14. Controladores lógicos programables 349

14.1 Controladores lógicos programables 349

14.2 Estructura básica del PLC 349

14.3 Procesamiento de la entrada/salida 353

14.4 Programación en escalera o ladder 354

14.5 Lista de instrucciones 358

14.6 Enclavamiento y relevadores internos 361

14.7 Secuenciación 363

14.8 Temporizadores y contadores 364

14.9 Registros de corrimiento 367

14.10 Controles maestro y de salto 368

14.11 Manejo de datos 369

14.12 Entrada/salida analógica 371

Resumen 373

Problemas 374

15. Sistemas de comunicación 376

15.1 Comunicaciones digitales 376

15.2 Control centralizado, jerárquico y distribuido 376

15.3 Redes 379

15.4 Protocolos 381

15.5 Modelo de interconexión de sistemas abiertos 382

15.6 Interfaces de comunicación en serie 385

15.7 Interfaces de comunicación paralela 391

15.8 Protocolos inalámbricos 394

Resumen 395

Problemas 395

16. Localización de fallas 397

16.1 Técnicas para detección de fallas 397

16.2 Temporizador vigilante 398

16.3 Verificación de paridad y codificación de errores 399

16.4 Fallas comunes de hardware 400

16.5 Sistemas basados en microprocesadores 402

16.6 Emulación y simulación 405

16.7 Sistemas basados en PLC 407

Resumen 409

Problemas 410

V. modelos de Sistemas 411

17. Modelos de sistemas básicos 413

17.1 Modelos matemáticos 413

17.2 Bloques funcionales de sistemas mecánicos 414

17.3 Bloques funcionales de sistemas eléctricos 422

17.4 Bloques funcionales de sistemas de fluidos 426

17.5 Bloques funcionales de sistemas térmicos 433

Resumen 436

Problemas 437

18. Modelado de sistemas 439

18.1 Sistemas de ingeniería 439

18.2 Sistemas rotacional-traslacional 439

18.3 Sistemas electromecánicos 440

18.4 Linealidad 443

18.5 Sistemas hidromecánicos 445

Resumen 448

Problemas 448

19. Respuestas dinámicas de sistemas 449

19.1 Modelado de sistemas dinámicos 449

19.2 Terminología 450

19.3 Sistemas de primer orden 452

19.4 Sistemas de segundo orden 458

19.5 Medidas de desempeño de los sistemas

de segundo orden 464

19.6 Identificación de sistemas 467

Resumen 467

Problemas 469

20. Funciones de transferencia

de sistemas 471

20.1 La función de transferencia 471

20.2 Sistemas de primer orden 474

20.3 Sistemas de segundo orden 476

20.4 Sistemas en serie 478

20.5 Sistemas con lazos de realimentación 479

20.6 Efecto de la ubicación de los polos

en respuesta transitoria 480

Resumen 484

Problemas 484

contenido vii

21. Respuesta en frecuencia 486

21.1 Entrada senoidal 486

21.2 Fasores 487

21.3 Respuesta en frecuencia 489

21.4 Diagramas de Bode 492

21.5 Especificaciones de desempeño 501

21.6 Estabilidad 502

Resumen 503

Problemas 504

22. Controladores en lazo cerrado 505

22.1 Procesos continuos y discretos 505

22.2 Terminología 507

22.3 Modo de control de dos posiciones 509

22.4 Modo de control proporcional 510

22.5 Control derivativo 512

22.6 Control integral 514

22.7 Control PID 516

22.8 Controles digitales 517

22.9 Desempeño de los sistemas de control 520

22.10 Sintonización de controladores 521

22.11 Control de velocidad 523

22.12 Control adaptable 523

Resumen 526

Problemas 527

23. inteligencia artificial 528

23.1 ¿Qué significa inteligencia artificial? 528

23.3 Percepción y cognición 528

23.3 Razonamiento 530

23.4 Aprendizaje 533

Resumen 534

Problemas 534

VI. conclusión 535

24. Sistemas mecatrónicos 537

24.1 Diseños mecatrónicos 537

24.2 Casos de estudio 548

24.3 Robótica 563

Resumen 567

Problemas y tareas 567

Tareas para investigación 568

Tareas para diseño 568

Apéndices 569

A. La transformada de Laplace 571

B. Sistemas numéricos 581

C. Álgebra booleana 587

D. Conjuntos de instrucciones 596

E. Funciones en biblioteca de C 601

F. MATLAB y SIMULINK 604

G. Análisis de circuitos eléctricos 610

Información adicional 620

Respuestas 624

Índice analítico 639

viii contenIdo