Técnicas avanzadas de metrología dimensional indirecta mediante el empleo de máquinas de medición por visión en entornos industriales. Modelo para la estimación de incertidumbres

Esta tesis contiene una investigación detallada sobre las características y funcionamiento de las máquinas de medición por visión. El objetivo fundamental es modelar su comportamiento y dotarlas de trazabilidad metrológica bajo cualquier condición de medida. Al efecto, se ha realizado un exhaustivo análisis de los elementos que conforman su cadena de medición, a saber: sistema de iluminación, estructura, lentes y objetivos, cámara, software de tratamiento de imágenes y software de cálculo. Se han definido modelos físico-matemáticos, de desarrollo propio, capaces de simular con fiabilidad el comportamiento de los elementos citados, agrupados, a efectos de análisis numérico, en dos subsistemas denominados: de visión y mecánico. Se han implementado procedimientos de calibración genuinos para ambos subsistemas mediante el empleo de patrones ópticos. En todos los casos se ha podido determinar la incertidumbre asociada a los diferentes parámetros involucrados, garantizando la trazabilidad metrológica de los resultados. Los distintos modelos desarrollados han sido implementados en Matlab®. Se ha verificado su validez empleando valores sintéticos obtenidos a partir de simulaciones informáticas y también con imágenes reales capturadas en el laboratorio. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Longitud del Centro Español de Metrología y en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la ETS de Ingeniería y Diseño Industrial de la UPM. Los modelos desarrollados se han aplicado a dos máquinas de medición por visión de diferentes características constructivas y metrológicas. Empleando dichas máquinas se han medido distintas piezas, pertenecientes a los ámbitos mecánico y oftalmológico. Los resultados obtenidos han permitido la completa caracterización dimensional de dichas piezas y la determinación del cumplimiento de las especificaciones metrológicas en todos los casos, incluyendo longitudes, formas y ángulos. ABSTRACT This PhD thesis contains a detailed investigation of characteristics and performance of the optical coordinate measurement machines. The main goal is to model their behaviour and provide metrological traceability to them under any measurement conditions. In fact, a thorough analysis of the elements which form the measuring chain, i.e.: lighting system, structure, lenses and objectives, camera, image processing software and coordinate metrology software has conducted. Physical-mathematical models, of self-developed, able to simulate with reliability the behavior of the above elements, grouped, for the purpose of numerical analysis, in two subsystems called: “vision subsystem” and “mechanical subsystem”, have been defined. Genuine calibration procedures for both subsystems have been implemented by use of optical standards. In all cases, it has been possible to determine the uncertainty associated with the different parameters involved, ensuring metrological traceability of results. Different developed models have been implemented in Matlab®. Their validity has been verified using synthetic values obtained from computer simulations and also with real images captured in laboratory. The experimental study and final validation of the results was carried out in the Length Laboratory of “Centro Español de Metrología” and Dimensional Metrology Laboratory of the “Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial” of the UPM. The developed models have been applied to two optical coordinate measurement machines with different construction and metrological characteristics. Using such machines, different parts, belonging to the mechanical and ophthalmologist areas, have been measured. The obtained results allow the full dimensional characterization of such parts and determination of compliance with metrological specifications in all cases, including lengths, shapes and angles.

Nuevo "sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación brushless" (HSBDS) en un generador de 15 MVA

Las máquinas síncronas con excitación indirecta sin escobillas (tipo brushless) presentan el problema de que no es posible acceder al devanado de campo para desexcitar la máquina. Esto provoca que, a pesar de la operación correcta del sistema de protecciones, la lenta constante de tiempo de desexcitación pueda producir graves daños en el caso de un cortocircuito interno. En este documento se presentan las pruebas de un novedoso sistema de desexcitación rápida para este tipo de máquinas en un generador de 15 MVA. La desexcitación se consigue introduciendo una resistencia en el circuito de campo, obteniendo una respuesta dinámica similar a la que se consigue en las máquinas con excitación estática. La principal aportación de este estudio es la adaptación del método a máquinas de tamaño industrial y las diversas pruebas realizadas en un generador de 15 MVA validando el correcto funcionamiento de este sistema. Synchronous machines with brushless excitation have the disadvantage that the field winding is no accessible for the de-excitation. This means that, despite the proper operation of the protection system, the slow de-excitation time constant may produce severe damage in the event of an internal short circuit. In this paper the test in a 15 MVA generator of a novel high-speed de-excitation system for brushless synchronous machines is presented. The de-excitation is achieved by inserting a resistance in the field circuit, obtaining a dynamic response similar to that archived in machines with static excitation. The main novelty of this paper is the use of this method in a industrial size machine. This system has been validated through experimental tests on a 15 MVA generator, with satisfactory results.

Uva mecânica : A colheita da uva no Brasil ainda é feita de forma manual na maioria dos parreirais. Mas neste cenário já é possível ver máquinas realizando a tarefa antes feita pelas mãos dos trabalhadores, operação que em outros países já possui uma taxa de mecanização maior.

Uva mecânica A colheita da uva no Brasil ainda é feita de forma manual na maioria dos parreirais. Mas neste cenário já é possível ver máquinas realizando a tarefa antes feita pelas mãos dos trabalhadores, operação que em outros países já possui uma taxa de mecanização maior.

Análisis técnico y financiero de las máquinas de elevación

Los nombres que se usan actualmente para las grúas los ponen las empresas fabricantes y muy frecuentemente no tienen relación con su tipología ni con su capacidad. Por otra parte, es de uso común en la construcción, llamar a las grúas usando su tonelaje nominal que coincide normalmente con su capacidad máxima que se obtiene a radio mínimo. Existe una controversia por el uso de este valor ya que no suele definir bien la capacidad de las maquinas. En cuanto el radio de trabajo se aleja de sus valores mínimos, las grúas están limitadas por el momento de vuelco que no tiene porque comportarse de manera proporcional o ni siquiera relacionada con el valor de la capacidad nominal. Esto hace que comparar grúas mediante sus capacidades nominales (que son sus denominaciones) pueda inducir a errores importantes. Como alternativa, se pretende estudiar el uso de momento máximo de vuelco MLM por sus siglas en ingles (Maximum Load Moment) para intentar definir la capacidad real de las grúas. Se procede a realizar un análisis técnico y financiero de grúas con respecto a ambos valores mencionados con objeto de poder determinar cual de los dos parámetros es más fiable a la hora de definir la capacidad real de estas maquinas. Para ello, se seleccionan dentro de las tres tipologías más importantes por su presencia e importancia en la construcción (grúas de celosía sobre cadenas, grúas telescópicas sobre camión y grúas torre) nueve grúas de distintos tamaños y capacidades con objeto de analizar una serie de parámetros técnicos y sus costes. Se realizan de este modo diversas comparativas analizando los resultados en función de las tipologías y de los tamaños de las distintas maquinas. Para cada máquina se obtienen las capacidades y los momentos de vuelco correspondientes a distintos radios de trabajo. Asimismo, se obtiene el MLM y el coste hora de cada grúa, este último como suma de la amortización de la máquina, intereses del capital invertido, consumos, mantenimiento y coste del operador. Los resultados muestran las claras deficiencias del tonelaje nominal como valor de referencia para definir la capacidad de las grúas ya que grúas con el mismo tonelaje nominal pueden dar valores de capacidad de tres a uno (e incluso mayores) cuando los radios de trabajo son importantes. A raiz de este análisis se propone el uso del MLM en lugar del tonelaje nominal para la denominación de las grúas ya que es un parámetro mucho más fiable. Siendo conscientes de la dificultad que supone un cambio de esta entidad al tratarse de un uso común a nivel mundial, se indican posibles actuaciones concretas que puedan ir avanzando en esa dirección como seria por ejemplo la nomenclatura oficial de los fabricantes usando el MLM dentro del nombre de la grúa que también podría incluir la tipología o al menos alguna actuación legislativa sencilla como obligar al fabricante a indicar este valor en las tablas y características de cada máquina. El ratio analizado Coste horario de la grúa / MLM resulta ser de gran interés y permite llegar a la conclusión que en todas las tipologías de grúas, la eficiencia del coste por hora y por la capacidad (dada por el MLM) aumenta al aumentar la capacidad de la grúa. Cuando los tamaños de cada tipología se reducen, esta eficiencia disminuye y en algunos casos incluso drasticamente. La tendencia del mundo de la construcción de prefabricación y modularización que conlleva pesos y dimensiones de cargas cada vez más grandes, demandan cada vez grúas de mayor capacidad y se podría pensar en un primer momento que ante un crecimiento de capacidades tan significativo, el coste de las grúas se podría disparar y por ello disminuir la eficiencia de estas máquinas. A la vista de los resultados obtenidos con este análisis, no solo no ocurre este problema sino que se observa que dicho aumento de tamaños y capacidades de grúas redunda en un aumento de su eficiencia en cualquiera de las tipologías de estas maquinas que han sido estudiadas. The crane names that are actually used are given by crane manufacturers and, very frequently, they do not have any relationship with the crane type nor with its capacity. On the other hand, it is common in construction to use the nominal capacity (which corresponds in general to the capacity at minimum radius) as crane name. The use of this figure is controversial since it does not really reflect the real crane capacity. When the working radius increases a certain amount from its minimum values, the crane capacity starts to be limited by the crane tipping load and the moment is not really related to the value of the nominal capacity. Therefore, comparing cranes by their nominal capacity (their names) can lead to important mistakes. As an alternative, the use of the maximum load moment (MLM) can be studied for a better definition of real crane capacity. A technical and financial analysis of cranes is conducted using both parameters to determine which one is more reliable in order to define crane’s real capacity. For this purpose, nine cranes with different sizes and capacities will be selected within the most relevant crane types (crawler lattice boom cranes, telescopic truck mounted cranes and tower cranes) in order to analyze several parameters. The technical and economic results will be compared according to the crane types and sizes of the machines. For each machine, capacities and load moments are obtained for several working radius as well as MLM and hourly costs of cranes. Hourly cost is calculated adding up depreciation, interests of invested capital, consumables, maintenance and operator’s cost. The results show clear limitations for the use of nominal capacity as a reference value for crane definition since cranes with the same nominal capacity can have capacity differences of 3 to 1 (or even bigger) when working on important radius. From this analysis, the use of MLM as crane name instead of nominal capacity is proposed since it is a much more reliable figure. Being aware of the difficulty of such change since nominal capacity is commonly used worldwide; specific actions are suggested to progress in that direction. One good example would be that manufacturers would include MLM in their official crane names which could also include the type as well. Even legal action can be taken by simply requiring to state this figure in the crane charts and characteristics of every machine. The analyzed ratio: hourly cost / MLM is really interesting since it leads to the conclusion that for all crane types, the efficiency of the hourly cost divided by capacity (given by MLM) increases when the crane capacity is higher. When crane sizes are smaller, this efficiency is lower and can fall dramatically in certain cases. The developments in the construction world regarding prefabrication and modularization mean bigger weights and dimensions, which create a demand for bigger crane capacities. On a first approach, it could be thought that crane costs could rise significantly because of this capacity hugh increase reducing in this way crane efficiency. From the results obtained here, it is clear that it is definitely not the case but the capacity increase of cranes will end up in higher efficiency levels for all crane types that have been studied.

Modelo para la medición con máquinas de visión e iluminación episcópica mediante la aplicación de técnicas de resolución subpíxel y aproximación bayesiana

En esta tesis se desarrolla un modelo físico-matemático, original, que permite simular el comportamiento de las máquinas de visión, en particular las máquinas ópticas digitales, cuando reciben información a través de la luz reflejada por los mensurandos. El modelo desarrollado se lia aplicado para la determinación de los parámetros que intervienen en el proceso de caracterización de formas geométricas básicas, tales como líneas, círculos y elipses. También se analizan las fuentes de error que intervienen a lo largo de la cadena metrológica y se proponen modelos de estimación de las incertidumbres de medida a través un nuevo enfoque basado en estadística bayesiana y resolución subpíxel. La validez del modelo se ha comprobado por comparación de los resultados teóricos, obtenidos a partir de modelos virtuales y simulaciones informáticas, y los reales, obtenidos mediante la realización de medidas de diferentes mensurandos del ámbito electromecánico y de dimensiones submilimétricas. Utilizando el modelo propuesto, es posible caracterizar adecuadamente mensurandos a partir del filtrado, segmentación y tratamiento matemático de las imágenes. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Los modelos desarrollados se han implementado sobre imágenes obtenidas con la máquina de visión marca TESA, modelo VISIO 300. Abstract In this PhD Thesis an original mathematic-physic model has been developed. It allows simulating the behaviour of the vision measuring machines, in particular the optical digital machines, where they receive information through the light reflected by the measurands. The developed model has been applied to determine the parameters involved in the process of characterization of basic geometrical features such as lines, circles and ellipses. The error sources involved along the metrological chain also are analyzed and new models for estimating measurement uncertainties through a new approach based on Bayesian statistics and subpixel resolution are proposed. The validity of the model has been verified by comparing the theoretical results obtained from virtual models and computer simulations, with actual ones, obtained by measuring of various measurands belonging to the electromechanical field and of submillimeter dimensions. Using the proposed model, it is possible to properly characterize measurands from filtering, segmentation and mathematical processing of images. The experimental study and final validation of the results has been carried out in the "Laboratorio de Metrología Dimensional" (Dimensional Metrology Laboratory) at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) (School of Engineering and Industrial Design) at Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The developed models have been implemented on images obtained with the vision measuring machine of the brand TESA, model VISIO 300.

Diseño, implantación y seguimiento de la asignatura "Ingenia: Proyecto de Máquinas"

El presente proyecto fin de carrera surge y se engloba dentro del marco del Proyecto de Innovación Educativa IE-14-15-05008 y abarca el proceso de diseño, implantación y seguimiento de la nueva asignatura “Ingenia: Proyecto de Máquinas” perteneciente al recién estrenado Máster en Ingeniería Industrial que oferta la Universidad Politécnica de Madrid. Esto debe realizarse dentro del ámbito de organización educativa que constituye el Marco Europeo de Educación Superior y que con el Proceso de Bolonia (1999) propuso un cambio en el modelo educativo, que permitiese entre otras cosas, impulsar cambios en las metodologías docentes. Durante gran parte del siglo XX, la enseñanza de la ingeniería en las universidades ofrecía una exposición efectiva a la práctica. Era enseñada por ingenieros que estaban ejerciendo su profesión y se concentraba en la resolución de problemas tangibles mientras que los estudiantes aprendían a conceptualizar y diseñar productos y sistemas. La rápida expansión del conocimiento científico y técnico que ocurrió a finales de los 90s causó que la enseñanza de la ingeniería se convirtiera en la enseñanza de la “ciencia de la ingeniería”, con una menor concentración práctica. Los líderes de la industria empezaron a hallar que los estudiantes que se graduaban, si bien tenían una sólida capacitación técnica, carecían de muchas de las habilidades requeridas en las situaciones de ingeniería del mundo real. La enseñanza en general y la enseñanza de la Ingeniería en particular necesitan por tanto de una reforma educativa integral. De esta necesidad, surge la iniciativa CDIO (ConcebirDiseñar-Implementar-Operar), un marco educativo innovador dirigido a producir la próxima generación de líderes de ingeniería; siendo este el marco al que se abrazan las asignaturas tipo “INGENIA” y con el que se pretenden alcanzar las habilidades tanto técnicas como personales e interpersonales que requiere la nueva generación de ingenieros para ser competitivos en un sector cada vez más amplio y multidisciplinar. Para conseguir el cambio requerido antes citado, se hace necesaria la realización de proyectos de innovación educativa como el presente, que ayuden durante el proceso de transición que está viviendo el modelo educativo. Para lograr estos, el presente proyecto pretende dar respuesta a preguntas como: ¿De dónde venimos y hacia dónde debemos ir?, ¿Por qué es necesario un cambio?, ¿Qué pretendemos alcanzar con este cambio?, ¿Qué resultados esperamos de ello?, ¿Qué cambios se han introducido y cuales hay pendientes por introducir?, ¿Cómo planificar la reestructuración y adaptación de recursos y contenidos docentes para alcanzar los objetivos?, ¿De qué recursos se dispone y cuales hay que incorporar?, ¿Cómo debemos medir, evaluar y difundir los resultados obtenidos?, ¿Qué conclusiones se pueden extraer de los resultados? Para dar respuesta a estas y otras preguntas se abordan los puntos que se exponen a continuación. Los principales apartados del presente proyecto son la INTRODUCCIÓN, PLANIFICACIÓN y RESULTADOS OBTENIDOS. En primer lugar, durante la INTRODUCCIÓN se realiza una descripción del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), resumiendo cuáles son los objetivos estratégicos del mismo, y la conexión existente con la enseñanza de la Ingeniería Mecánica. Posteriormente se aborda un breve estudio de las metodologías docentes tradicionales empleadas en la enseñanza para inmediatamente después introducir las bases del aprendizaje activo. Se analizan las necesidades que han llevado a plantear los cambios en las metodologías docentes. Para esto se analizan varios estudios enfocados a concretar las características que se requieren en los recién egresados de titulaciones técnicas. Como consecuencia de las necesidades descritas surge la iniciativa CDIO, marco a la que se acogen las asignaturas “Ingenia” y que se estudiará en profundidad. Por último y tras introducir el contexto del proyecto, se describen los objetivos del mismo así como la planificación de las actividades. Con el apartado PLANIFICACIÓN se pretende describir las actividades realizadas del proceso de diseño de la asignatura abarcando la programación de actividades, gestión y empleo de recursos, metodologías docentes empleadas, plan de evaluación, entre otras actividades. En el apartado RESULTADOS OBTENIDOS se describen los prototipos fabricados, los resultados de aprendizaje, la valoración de la asignatura y problemas encontrados. Todo ello será de especial interés para extraer lecciones aprendidas y proponer acciones correctoras y/o de mejora.

La experiencia docente del laboratorio de diseño avanzado y monitorizado de máquinas

En este artículo se presentan los trabajos realizados en el Laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorizado de Máquinas (DISAMM), de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Este Laboratorio pone a disposición de estudiantes, profesores y ciudadanos de la UPM y de otras universidades nacionales e internacionales herramientas y recursos docentes aplicables al diseño avanzado de máquinas y mecanismos. Estas herramientas docentes están disponibles a través de la web mediante el acceso remoto, aprovechando la potencia de las nuevas tecnologías de la información y comunicación, y alcanza ratios de utilización muy elevados con unos recursos humanos y materiales muy reducidos. Una característica destacable de las actividades de laboratorio es la modularidad, concepto similar al de "plataforma modular", que ya se emplea en la industria. Las prácticas y actividades de laboratorio son modulables y escalables en función de a quienes van destinadas: estudiantes de grado, máster o doctorado. A través de las actividades y recursos docentes puestos en marcha, los estudiantes y usuarios pueden adquirir conocimientos, capacidades, habilidades y competencias específicas de diseño de máquinas eficaz, seguro y eficiente, así como competencias transversales relacionadas con la eficiencia, sostenibilidad y respeto al medio ambiente.