Design methodology for mechatronic systems: A functional approach

Abstract

RESUMEN: El avance tecnológico requiere del desarrollo de sistemas complejos, las metodologías de diseño convencional tienen un enfoque sistemático. Sin embargo, éstas no cuentan con un nivel de integración que permita obtener el mejor rendimiento de cada una de las disciplinas involucradas. Los métodos de diseño mecatrónico resuelven este reto. Esta tesis presenta el desarrollo de una nueva metodología para el diseño de sistemas mecatrónicos, el propósito principal es diseñar sistemas desde un enfoque funcional. El cual permite a los diseñadores la búsqueda de soluciones factibles de manera integral y sinérgica. Permite la adaptación a los avances tecnológicos, debido a que las funciones que el sistema debe cumplir son las mismas, o muy similares a la original. Para lograr los efectos sinérgicos, se integran conceptos de ingeniería de sistemas, teoría de optimización, sistemas de manufactura y administración de proyectos. Se describen los dominios y sub-dominios que se involucran a lo largo del proceso de diseño, el modelo general de diseño se conforma de tres funciones centrales y dos funciones transversales. Las funciones centrales son: la definición del sistema, el desarrollo del sistema funcional, y el desarrollo del sistema de comportamiento. Las funciones transversales son: modelado y simulación, y validación y verificación. Se presentan a manera de algoritmos el desarrollo de cada una de estas funciones de diseño. Este enfoque permite al diseñador centrar sus esfuerzos en el cumplimiento de los objetivos de diseño, manteniendo claras las funciones y el comportamiento que el sistema debe cumplir a lo largo del desarrollo. La metodología desarrollada se valida aplicándola al diseño, manufactura e implementación de un seguidor solar, el cual tiene como función principal el montaje de diversos dispositivos de medición de parámetros solares. Se desarrolla un análisis del coeficiente de diseño mecatrónico (MDQ), se realiza al sistema desarrollado y a cuatro modelos de seguidores solares comerciales, esto valida que la metodología propuesta es una alternativa para el desarrollo de sistemas complejos, que pueden ser altamente competitivos. Posteriormente, se determina el índice mecatrónico (MI) del sistema, validando que la metodología permite un alto grado de integración en el diseño de sistemas. Finalmente, se analiza la capacidad de carga del seguidor solar y la posible capacidad de generación de energía mediante un panel fotovoltaico, el cual requiere únicamente del 0.84% de la energía generada para realizar las operaciones de seguimiento, validando la efectividad del diseño. ABSTRACT: Technological advances require the development of complex systems, conventional design methodologies have a systematic approach. However, they do not have a degree of integration that allows to obtain the best performance of each of the disciplines involved. This thesis presents the development of a new methodology for the design of mechatronic systems. The main purpose is to design systems from a functional approach, which allows designers to search for feasible solutions in an integral and synergistic manner. It allows the adaptation to technological advances, because the functions that the system must fulfil are the same, or very similar to the original ones. To achieve the synergistic effects, concepts of systems engineering, optimization theory, manufacturing systems and project management are integrated along the design process. The domains and sub-domains that are involved throughout the design process are described, the general design model consists of three central functions and two transversal functions. The central functions are: the system definition, the physical system development, and the behavior system development. The transversal functions are: modeling and simulation, and validation and verification. The development of each of these design functions is presented with eFFBD models and as algorithms. This system design approach allows the designer to maintain the effort in the design objectives, keeping clear the functions and behavior that the system must fulfil. The methodology developed is validated by applying it to the design, manufacture and implementation of a solar tracker, which has as main function the testing of different solar devices for measuring solar parameters. An analysis of the mechatronic design quotient (MDQ) is carried out, the developed system and four commercial models are analyzed. This validates that the proposed methodology is an alternative for the development of complex systems, which can be highly competitive. Subsequently, the mechatronic index (MI) of the tracker is determined, validating that the methodology allows a high degree of integration in the design of systems. Finally, the tracker load capacity is analyzed and defined for a possible photovoltaic application, the developed system requires only 0:84% of the generated energy for the nominal operation, validating the effectiveness of the design.