La ecomecatrónica es un enfoque de ingeniería para desarrollar y aplicar tecnología mecatrónica con el fin de reducir el impacto ecológico y el costo total de propiedad de las máquinas. Se basa en el enfoque integrador de la mecatrónica , pero no con el objetivo de mejorar únicamente la funcionalidad de una máquina. La mecatrónica es el campo multidisciplinario de la ciencia y la ingeniería que fusiona la mecánica, la electrónica, la teoría del control y la informática para mejorar y optimizar el diseño y la fabricación de productos. En la ecomecatrónica, además, la funcionalidad debe ir de la mano con un uso eficiente y un impacto limitado en los recursos. Las mejoras de las máquinas se centran en tres áreas clave: eficiencia energética , rendimiento y comodidad del usuario ( ruido y vibraciones ).
Máquina como sistema que requiere energía y consumibles para transformar una entrada en una salida, generando así emisiones (calor, ruido, ...)Esquema de un sistema mecatrónico que consta de un controlador, un amplificador, un accionamiento, una estructura mecánica y sensores.
Descripción
Entre los responsables políticos y las industrias manufactureras existe una creciente conciencia de la escasez de recursos y la necesidad de un desarrollo sostenible . Esto da lugar a nuevas regulaciones con respecto al diseño de máquinas (por ejemplo, la Directiva Europea de Ecodiseño 2009/125/EC) y a un cambio de paradigma en el mercado mundial de máquinas: "en lugar de obtener el máximo beneficio con un capital mínimo, se debe generar el máximo valor añadido con un mínimo de recursos". [1] Las industrias manufactureras requieren cada vez más máquinas de alto rendimiento que utilicen los recursos (energía, consumibles) de forma económica en una producción centrada en el ser humano. Por tanto, las empresas de construcción de máquinas y los fabricantes de equipos originales se ven obligados a responder a esta demanda del mercado con una nueva generación de máquinas de alto rendimiento con mayor eficiencia energética y comodidad para el usuario.
Evolución del precio del crudo. Fuente de datos: Statistical Review of World Energy 2013, BP
La reducción del consumo de energía reduce los costes energéticos y el impacto medioambiental. Normalmente, más del 80% del impacto del ciclo de vida total de una máquina se atribuye a su consumo de energía durante la fase de uso. [2] Por tanto, mejorar la eficiencia energética de una máquina es la forma más eficaz de reducir su impacto medioambiental. El rendimiento cuantifica lo bien que una máquina ejecuta su función y normalmente está relacionado con la productividad, la precisión y la disponibilidad. La comodidad del usuario está relacionada con la exposición de los operadores y del entorno al ruido y las vibraciones debido al funcionamiento de la máquina.
Dado que la eficiencia energética, el rendimiento y el ruido y las vibraciones están relacionados en una máquina, es necesario abordarlos de forma integrada en la fase de diseño. Ejemplo de la interrelación entre las tres áreas clave: con el aumento de la velocidad de la máquina, normalmente aumenta la productividad de la máquina, pero el consumo de energía también aumentará y las vibraciones de la máquina pueden crecer de tal manera que la precisión de la máquina (por ejemplo, la precisión de posicionamiento) y la disponibilidad (debido al tiempo de inactividad y al mantenimiento) disminuyan. El diseño ecomecatrónico se ocupa del equilibrio entre estas áreas clave.
Acercarse
La ecomecatrónica influye en la forma en que se diseñan e implementan los sistemas y las máquinas mecatrónicas. Por lo tanto, la transformación hacia una nueva generación de máquinas concierne a institutos de conocimiento, fabricantes de equipos originales , proveedores de software CAE, constructores de máquinas y propietarios de máquinas industriales. El hecho de que aproximadamente el 80% del impacto ambiental de una máquina esté determinado por su diseño [3] pone énfasis en tomar las decisiones de diseño tecnológico correctas. Se requiere un enfoque de diseño multidisciplinario basado en modelos para abordar la eficiencia energética, el rendimiento y la comodidad del usuario de una máquina de manera integrada.
Las tecnologías facilitadoras clave se pueden clasificar en componentes de máquinas, métodos y herramientas de diseño de máquinas y control de máquinas. A continuación, se enumeran algunos ejemplos por categoría.
Componentes de la máquina
Motores eléctricos energéticamente eficientes: véase clases de eficiencia energética de motores eléctricos, requisitos de diseño ecológico para motores eléctricos
Variadores de frecuencia : la velocidad variable del motor permite una reducción de energía con respecto a las aplicaciones de velocidad fija
Bombas hidráulicas variables: reducción de energía mediante la adaptación a la presión y al caudal requeridos (por ejemplo, bomba de desplazamiento variable, bomba con sensor de carga)
Simulaciones energéticas: uso de modelos de máquinas energéticas y datos empíricos (por ejemplo, mapas de eficiencia energética) para estimar el consumo de energía de la máquina en la fase de diseño
Optimización de la demanda de energía: p. ej. nivelación de carga para evitar picos en la demanda de energía
Hibridación: aplicación de al menos otra forma de energía intermedia para reducir el consumo de la fuente de energía primaria, por ejemplo, en vehículos con motores de combustión interna (véase sistema de propulsión de vehículos híbridos ).
Análisis vibroacústico: estudio de la firma de ruido y vibraciones de una máquina para localizar y diferenciar sus causas raíz.
Modelado multicuerpo: simulación de las fuerzas de interacción y desplazamientos de cuerpos rígidos acoplados, por ejemplo para evaluar el efecto de los amortiguadores de vibraciones en una estructura mecánica
Amortiguación activa de vibraciones: p. ej., uso de cojinetes piezoeléctricos para el control activo de las vibraciones de la máquina
Prototipado de control rápido : proporciona una forma rápida y económica para que los ingenieros de control y procesamiento de señales verifiquen los diseños de manera temprana y evalúen las compensaciones de diseño.
Control de máquinas
Minimización del consumo de energía: las señales de control están optimizadas para un consumo mínimo de energía.
Gestión energética de sistemas de almacenamiento de energía: control de los flujos de potencia y el estado de carga de un sistema de almacenamiento de energía con el objetivo de lograr el máximo beneficio energético y la máxima vida útil del sistema.
Control basado en modelos: aprovechar los modelos del sistema para mejorar el resultado (precisión, tiempo de reacción, ...) del sistema controlado
Control de (auto)aprendizaje: control que se adapta automáticamente al sistema y a su entorno cambiante, lo que reduce la necesidad de que el ingeniero de control ajuste y adapte los parámetros de control.
Control óptimo de la máquina: el control del sistema se considera un problema de optimización para el cual las reglas de control se consideran la solución óptima (ver Control óptimo )
Aplicaciones
Algunos ejemplos de aplicaciones de sistemas ecomecatrónicos son:
Komatsu PC200-8 Hybrid : la primera excavadora híbrida del mundo que cuenta con un sistema de almacenamiento de energía basado en supercondensadores . La recuperación de energía en la línea de transmisión hidráulica durante el frenado se traduce en una mejora significativa del ahorro de combustible.
Autobús híbrido: se han comercializado diferentes tipos de autobuses híbridos (por ejemplo, el autobús ExquiCity de Van Hool ), que utilizan pilas de combustible o un motor diésel como fuente de energía primaria y baterías y/o supercondensadores como sistemas de almacenamiento de energía.
^ "Producción eficiente en el uso de los recursos". Fraunhofer-Gesellschaft . Consultado el 10 de marzo de 2014 .
^ VHK, ed. (18 de febrero de 2011). Plan de trabajo sobre diseño ecológico modificado: tareas 1 y 2. Informe principal (PDF) . Bruselas: Comisión Europea.[ enlace muerto permanente ]
^ "Ecodiseño de productos relacionados con la energía". Dirección General de Energía de la Comisión Europea.
"Impacto del ciclo de vida relacionado con la energía y oportunidades de reducción de costos en el diseño de máquinas: el caso del corte por láser", T. Devoldere et al., Actas de la 15.ª Conferencia internacional CIRP sobre ingeniería del ciclo de vida, 2008
"Máquinas más eficientes mediante el diseño basado en modelos", [ vínculo muerto permanente ] W. Symens, presentación en el Día del Desarrollo Basado en Modelos, 9 de mayo de 2012, 's-Hertogenbosch, Países Bajos
"Hacia un compilador mecatrónico", [ vínculo muerto permanente ] H. Van Brussel, presentación en el taller ACCM sobre diseño mecatrónico 2012, 30 de noviembre de 2012, Linz, Austria
