Microfábrica Reconfigurável Didática

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123-2¡ 
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS 
SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO 
ESCUELA DE INGENIERÍA, DISEÑO V ARQUITECTURA 
TESIS 
MICROFÁBRICA RECONFIGURABLE DIDÁCTICA BASADA 
EN UNA METODOLOGÍA DE DISEÑO Y DESARROLLO DE 
PRODUCTO MECATRÓNICO 
MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA 
ASESOR: DR. ARTURO MOLINA GUTIÉRREZ 
CO-ASESOR: MTRO. MIGUEL DE JESUS RAMÍREZ CADENA 
AUTOR: JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 
NOVIEMBRE DEL 2013 
, 
TECNOLO(aco 
DE :\IK}NTERH.EY 
Biblioteca 
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CONTENIDO 
CONTENIDO 
RESUMEN 1 
ABSTRACT 2 
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN 3 
1.1. MOTIVACIÓN 3 
1.2. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 4 
1.3. OBJETIVOS 5 
1.4. ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN 6 
1.5 ORGANIZACIÓN DE TESIS 6 
CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE LA LITERATURA 8 
2.1. MODELO INTEGRAL DE DESARROLLO DE PRODUCTOS 8 
2.1.1. PRODUCTOS MECATRÓNICOS 9 
2.1.2. METODOLOGÍA DE DISEÑO, DESARROLLO Y FABRICACIÓN DE PRODUCTOS 
MECATRÓNICOS 10 
2.2. MECATRÓNICA EN EL CAMPO DE LA MANUFACTURA 15 
2.2.1. DEFINICIÓN DE SISTEMAS DE MANUFACTURA 15 
2.3. SISTEMAS DE FABRICACIÓN RECONFIGURABLES (SFR) 16 
2.3.1 CARACTERÍSTICAS BASICAS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE 
FARICACIÓN RECONFIFURABES 17 
2.3.2. MÁQUINAS RECONFIGURABLES 20 
2.4. SISTEMAS DE MANUFACTURA MINIATURA 22 
2.4.1. VENTAJAS DE UN SISTEMA MINIATURA 23 
CAPÍTULO 3. ESTADO DEL ARTE 24 
3.1. INTRODUCCIÓN 24 
3.2. CURVA-S DE SISTEMAS DE MICRO MANUFACTURA 25 
3.3. DESARROLLOS DE MICROFÁBRICAS Y FÁBRICAS DE ESCRITORIO 27 
3.3.1. CONCEPTOS DE MICROFÁBRICAS, INVESTIGACIONES ACADÉMICAS 28 
3.3.1.1. MICROFÁBRICAS DE MANUFACTURA 28 
3.3.1.2. MÁQUINAS-HERRAMIENTA MINIATURIZADAS 31 
3.3.1.3. MICRO MÁQUINAS-HERRAMIENTA RECONFIGURABLES 33 
3.3.1.4. OTRAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA RELACIONADAS 35 
CAPITULO 4. METODOLOGÍA DE DISEÑO Y DESARROLLO DE PRODUCTO MECATRÓNICO: 
MICROFÁBRICA RECONFIGURABLE DIDÁCTICA 36 
4.1. INTRODUCCIÓN 36 
4.2. IMPLEMENTACIÓN DE LA METODOLOGÍA EN EL PROCESO DE DISEÑO DEL PRODUCTO 37 
MECATRÓNICO 36 
4.2.1. IDEACIÓN 37 
4.2.1.1 FASE 1: IDEACIÓN 37 
4.2.1.1.1 PLANEACIÓN DEL PRODUCTO 38 
4.2.1.1.2. CAMPO DE APLICACIÓN 39 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 
4.2.1.1.3. EQUIPO DE DESARROLLO 
4.2.1.1.4. OPORTUNIDAD DE MERCADO 
4.2.1.1.5. ALTERNATIVAS DE PRODUCTOS 
4.2.1.1.6. SELECCIÓN DEL PRODUCTO 
4.2.1.1.7. RESULTADOS: FASE I DE IDEACIÓN 
4.2.1.2. FASE 11: IDEACIÓN 
4.2.1.2.1. REQUERIMIENTOS DEL MERCADO 
4.2.1.2.2. ANÁLISIS COMPETITIVO 
4.2.1.2.3. BENCHMARKING 
4.2.1.2.4. ANÁLISIS DE PROPIEDAD INTELECTUAL 
4.2.1.2.5. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 
4.2.1.2.6. QFD 
4.2.1.2.7. ANÁLISIS PARAMÉTRICO 
4.2.1.2.8. FINANCIAMIENTO DE l+D 
4.2.1.2.9. RESULTADOS: FASE II DE IDEACIÓN 
4.2.2. ETAPA 2: DESARROLLO BÁSICO 
4.2.2.1. FUNCIÓN DEL PRODUCTO 
4.2.2.2. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 
4.2.2.3. GENERACION DE CONCEPTO 
4.2.2.4. MATRIZ MORFOLÓGICA 
4.2.2.5. RESULTADOS: DESARROLLO BÁSICO 
4.2.3. ETAPA 3: DESARROLLO AVANZADO 
4.2.3.1. DESARROLLO MECÁNICO 
4.2.3.2. DISEÑO BÁSICO ELECTRÓNICA 
4.2.3.3. DESARROLLO BÁSICO DE SOFTWARE 
4.2.4. ETAPA 4: DESARROLLO DE PROTOTIPO 
4.2.4.1. RESULTADOS: PROTOTIPO 
4.2.5. ETAPA 5: PROPIEDAD INTELECTUAL, PATENTE 
4.2.5.1. RESULTADOS: PROPIEDAD INTELECTUAL 
CAPITULO S. CASO DE IMPLEMENTACIÓN 
5.1. INTRODUCIÓN 
5.2. JUSTIFICACIÓN 
5.3. OBJETIVO 
5.4. METODOLOGÍA 
S.S. ANÁLISIS DE ASIGNATURAS 
5.5.1. MANUFACTURA AVANZADA 
5.5.2. MANUFACTURA AUTOMATIZADA 
5.6. SELECCIÓN DE MUESTRA 
5.7. VALIDACIÓN Y CONFIABILIDAD 
5.8. DISEÑO DE TALLER DE MANUFACTURA MODERNA 
5.9. IMPLEMENTACIÓN 
5.9.1. CONFIGURACIÓN DE MICROFÁBRICA RECONFIGURABLE DIDÁCTICA 
5.9.2. PROCESO DE MANUFACTURA QUE SE ESTUDIA 
5.9.3. PARAMETROS DE CORTE 
5.9.4. GRUPOS TECNOLÓGICOS 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 
CONTENIDO 
39 
40 
45 
46 
47 
48 
48 
49 
49 
52 
54 
55 
57 
58 
59 
60 
63 
64 
67 
70 
73 
74 
75 
100 
109 
115 
127 
128 
134 
135 
135 
136 
137 
137 
138 
138 
139 
140 
142 
142 
144 
144 
145 
146 
147 
11 
5.9.5. IMPLEMENTACIÓN NIVEL SUPERIOR 
5.9.5.1. INGENIERÍA MECATRÓNICA 
5.9.5.2. INGENIERÍA INDUSTRIAL 
5.9.5.3. RESULTADOS ENCUESTA NIVEL SUPERIOR 
5.9.6. IMPLEMENTACIÓN EN NIVEL MEDIO SUPERIOR 
5.9.6.1. RESULTADOS ENCUESTAS NIVEL MEDIO SUPERIOR 
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO 
6.1. CONCLUSIONES 
6.2. TRABAJO FUTURO 
ANEXO 
REFERENCIAS 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 
CONTENIDO 
148 
149 
150 
151 
152 
154 
156 
155 
160 
162 
163 
111 
REFERENCIA DE SIGLAS 
REFERENCIA DE SIGLAS 
~FRD 
~MHR 
AC 
AIST 
CAD 
CAE 
CAM 
CIM 
CNC 
CNR 
CNU 
CONALEP 
DC 
DeSeCo 
DF 
DFA 
DFM 
DFR 
DOE 
E/E 
ERC/RMS 
FMEA 
GNU 
HDI 
HSS 
IEEE 
IEESIA 
IMPI 
INEGI 
ITESM 
ITSCH 
JAD 
KIMM 
LCD 
MEMS 
MMC 
OCDE 
PC 
PID 
PTB 
PWM 
QFD 
RPM 
SFD 
SFF 
Micro Fábrica Reconfigurable Didáctica 
Micro Máquina-Herramienta Reconfigurable 
Corriente Alterna 
Instituto Nacional de Ciencia Industrial y Tecnología Avanzada 
Diseño Asistido por Computadora 
Ingeniería Asistida por Computadora 
Manufactura Asistida por Computadora 
Manufactura Integrada por Computadora 
Control Numérico por Computadora 
Control Numérico Reconfigurable 
Control Numérico Universal 
Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica 
Corriente Directa 
Definición y Selección de Competencias 
Descomposición Funcional 
Diseño para Ensamble 
Diseño para Fabricación 
Diseño para Fiabilidad 
Diseño por fiabilidad Diseño de Experimentos 
Electrónica/Eléctrica 
Centro de Investigación para Sistemas de Manufactura 
Reconfigurables 
Análisis de Modos de Fallas y Efectos 
GNU No es Unix 
Dispositivo de Interfaz Humana 
Aceros de Alta Velocidad 
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos 
Instituto de Estudios Educativos y Sindicales de América 
Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial 
Instituto Nacional de Estadística y Geografía 
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey 
Instituto Tecnológico Superior de Ciudad Hidalgo 
Joint Application Design 
Instituto de Maquinaría y Materiales de Corea 
Pantalla de Cristal Líquido 
Sistemas Microelectromecánicos 
Centro de Micro Maquinado 
Organización para la Cooperación y el Desarrollo 
Computadora Personal 
Control Proporcional Integral Derivativo 
Profesional Técnico Bachiller 
Modulación por Ancho de Banda 
Despliegue de la Función de Calidad 
Revoluciones por Minuto 
Sistema de Fabricación Dedicado 
Sistema de Fabricación Flexible 
JHONAITAN MIRANDA MENDOZA IV 
REFERENCIA DE SIGLAS 
SFR 
SIM 
TRIZ 
UF 
UML 
UNAM 
USB 
ve 
VDI 
VOA 
Sistemas de Fabricación Reconfigurables 
Sistema Integrado de Manufactura 
Teoría para Resolver Problemas de Inventiva 
Unidad Funcional 
Lenguaje Unificado de Modelado 
Universidad Nacional Autónoma de México 
Bus Universal en Serie 
Velocidad de Corte 
Asociación Alemana de Ingenieros 
Análisis de Oportunidad de Valor 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA V 
Lisr A DE FIGURAS 
LISTA DE FIGURAS 
Capítulo 1 
Capítulo 2 
Figura 2.1. Disciplinas que integran un sistema mecatrónico 
Figura 2.2. Modelo de referencia para el diseño, desarrollo, y fabricación rápida de productos 
mecatrónicos [Farías P., 2003], [Riba C., & Malina A, 2006] 
Figura 2.3. Intercambio de módulos para la reconfiguración de la máquina mostrada 
Figura 2.4. Reconfiguración de una máquina mediante funciones de reconfiguración integradas 
Figura 2.5. Ejemplo de un sistema de micro fabricación (microfábrica o fábrica de escritorio) 
Capítulo 3 
Figura 3.1. Distribución geográfica actual de las investigaciones relacionadas con sistemas de micro 
fabricación 
Figura 3.2. Curva-S de sistemas en micro manufactura (Nurmi, A, 2012] 
Figura 3.3. Microfábrica por MMC [Ataka, 1999], Microfábrica Portátil [Tanaka, 2001 ], Microfábrica TOMI 
[Tuokko, 2000], Microfábrica Autónoma de lllinois [Honegger et al., 2006ª, 2006b], Microfábrica Mosaico 
[Park et al., 2007] 
Figura 3.4. Micro Torno [Kitahara et al., 1998], Máquina-Herramienta de escritorio Multifuncional [Kurita, 
T., et al., 2001], Micro Torno CN [Okasaki y Kitahara, 2000],Fresadora CN [Okazaki et al., 2001]; 
Fresadora CN 11 [Okasaki, 2004] Micro Máquina-Herramienta Mexicana de primera generación (Ruiz-
Huerta et al., 2004)] 
Figura 3.5. Micro Máquina-Herramienta Reconfigurable [Sung-Hyun Jang et al., 2008], Sistema de 
Microfabricación KIMM [Jong-Kwron et al., 2010], Máquina-Herramienta Reconfigurable [The Cool Tool®] 
Capítulo 4 
Figura 4.1. Modelo de referencia para el diseño, desarrollo, y fabricación rápida de productos 
mecatrónicos [Farías P., 2003], [Riba C., & Malina A, 2006] 
Figura 4.2. Etapas de la metodología de diseño y desarrollo de productos mecatrónicos que se 
desarrollaran para esta aplicación 
Figura 4.3. Etapa de ideación, modelo de diseño y desarrollo de productos mecatrónicos 
Figura 4.4. Contenido de las materias de manufactura automatiza (ingeniería industrial) [Manual 
normativo, manufactura automatizada, 2005] 
Figura 4.5. Contenido de las materias de manufactura avanzada (ingeniería mecatrónica) (Manual 
normativo, manufactura avanzada, 2005] 
Figura 4.6. Principales necesidades identificadas en el sector educativo nivel superior 
Figura 4.7. Técnica QFD para la µFRD 
Figura 4.8. Correlación tamaño-precio 
Figura 4.9. Correlación tamaño-desempeño 
Figura 4.10. Elementos del costo para desarrollo de productos [Polimeni, R., 1994] 
Figura 4.11. Etapa de desarrollo básico, metodología de diseño y desarrollo de productos mecatrónicos 
Figura 4.12. Interacción entre disciplinas en el diseño de productos mecatrónicos 
Figura 4.13. Modelado funcional de una máquina-herramienta 
Figura 4.14. Descomposición funcional del sistema microfábrica reconfigurable 
Figura 4.15. Descomposición funcional manipulador robótica 
Figura 4.16. Descomposición funcional de micro máquinas-herramienta reconfigurables 
Figura 4.17. Descomposición funcional almacén automático 
Figura 4.18. Relación de resultados DF y MF de la micro máquina-herramienta reconfigurable 
Figura 4.19. Etapa de desarrollo avanzado, modelo de diseño, desarrollo y fabricación de productos 
mecatrónicos 
Figura 4.20. Etapa de desarrollo avanzado, propuesta de modelo de diseño y desarrollo de productos 
mecatrónicos 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA VI 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 4.21. Etapa de desarrollo avanzado, enfoque del modelo de diseño, desarrollo y fabricación de 
productos mecatrónicos propuesto 
Figura 4.22. Modelo de referencia para el desarrollo mecánico 
Figura 4.23. Dibujos a escala (restricciones espaciales) de los sistemas µFRD 
Figura 4.24. Gabinete eléctrico, se deben considerar sus restricciones espaciales 
Figura 4.25. Dibujo preliminar de micro máquina-herramienta reconfigurable [Pérez, R., 2010) 
Figura 4.26. Dibujo preliminar de manipulador robótica [Miranda, J., 201 O] 
Figura 4.27. Aplicación de algunos principios del DFA en el diseño de los componentes de la µFRD. 
Figura 4.28. Ensamble de piezas para la µMHR 
Figura 4.29. Ejemplo, análisis CAE para dos de las piezas de la µMHR 
Figura 4.30. Proceso de diseño de la µMHR, [Pérez, R., 2012) 
Figura 4.31. Configuraciones posibles de la micro máquina-herramienta reconfigurable, µTorno, 
µFresadorafTaladro (horizontal vertical) 
Figura 4.32. Diseño CAD µMHR, configuración torno 
Figura 4.33. Modelo CAD µMHR, taladro/fresadora configuración horizontal 
Figura 4.34. Modelo CAD µMHR, taladro/fresadora configuración vertical 
Figura 4.35. Modelo cinemático del manipulador robótica 
Figura 4.36. Modelo CAD, manipulador robótica con base reconfigurable 
Figura 4.37. Modelo CAD, almacén automático con base reconfigurable 
Figura 4.38. Modelo de referencia para el desarrollo electrónico 
Figura 4.39. Subsistemas que integran a la µMHR 
Figura 4.40. Subsistemas que integran al Manipulador Robótica 
Figura 4.41. Subsistemas que integran al Almacén Automático 
Figura 4.42. Primera configuración de Microfábrica Reconfigurable Didáctica 
Figura 4.43. Construcción virtual de los módulos tipo esclavo para cada motor DC de la µFRD 
Figura 4.44. Construcción virtual de la interfaz de comunicación serial de la microfábrica con ISIS 
Figura 4.45. Gabinete electrónico que incluye la integración de los circuitos de la µFRD 
Figura 4.46. Modelo de referencia para el desarrollo de software de control 
Figura 4.47. Arquitectura de referencia y sistema de control numérico (CNC) (Modelo de interacción) 
Figura 4.48. Modelo conceptual del software propuesto 
Figura 4.49. Modelo interacción Software Alterno 
Figura 4.50. Etapa de prototipo, modelo de diseño y desarrollo de productos mecatrónicos 
Figura 4.51. Fases de desarrollo de prototipo analítico de µMHR 
Figura 4.52. Evolución de mejora del prototipo analítico de la µMHR en sus tres configuraciones 
Figura 4.53. Ensamble a detalle de los actuadores eléctricos (ejes) del manipulador robótica 
Figura 4.54. Sistema físico µMHR, (a) Torno, Taladro/fresadora (b1) configuración vertical y (b2) 
horizontal 
Figura 4.55. Sistema físico Manipulador Robótica 
Figura 4.56. Tarjetas electrónicas desarrolladas (esclavos-maestro), y acondicionamiento 
Figura 4.57. Prototipo funcional, figura de izquierda se observa la primer configuración de µFRD y la 
figura de la derecha muestra el modulo controlador de la µFRD 
Figura 4.58. Proceso de manufactura de primer familia de piezas estudiadas dentro de la µFRD 
Figura 4.59. Prototipo de Software, Interfaz Gráfica de Usuario. 
Figura 4.60. Encuesta realizada a los clientes potenciales para conocer la aceptación e impacto de 
usabilidad que tiene el producto 
Figura 4.61. Modelo de referencia, Propiedad Intelectual 
Capítulo 5 
Figura 5.1. Contenido de las Materias de Manufactura Automatiza (Ingeniería Industrial) y Manufactura 
Avanzada (Ingeniería Mecatrónica) [Manual Normativo, Manufactura Avanzada y Manufactura 
Automatizada, 2005) 
Figura 5.2. Relación de población total y rezago educativo que tiene el estado de Michoacán. [IEESA, 
2012) 
Figura 5.3. Estructura del Taller de Manufactura Moderna 
Figura 5.4. Microfábrica Reconfigurable, y manufactura de dos de las piezas que forman parte del grupo 
tecnológico 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA VII 
Ltsr A DE FIGURAS 
Figura 5.5. Familia de piezas seleccionada (Taladro-Fresadora) 
Figura 5.6. Realización de las prácticas durante el taller de manufactura moderna de los alumnos de la 
carrera de lng. Mecatrónica del ITSCH, Cd. Hidalgo, Michoacán 
Figura 5.7. Resultado obtenido de la evaluación diagnostico realizada a los alumnos de lng. Mecatrónica 
Figura 5.8. Realización de las prácticas durante el taller de manufactura moderna de los alumnos de la 
carrera de lng. Industrial del ITSCH, Cd. Hidalgo, Michoacán 
Figura 5.9. Resultado obtenido de la evaluación diagnostico realizada a los alumnos de lng. Industrial 
Figura 5.10. Resultados obtenidos de la encuesta aplicado a los alumnos de nivel superior del ITSCH 
Figura 5.11. Realización de las prácticas durante el taller de manufactura moderna de los alumnos de la 
carrera de Técnica en electromecánica Industrial del CONALEP Plantel Zitácuaro 
Figura 5.12. Resultado obtenido de la evaluación diagnostico realizada a los alumnos del CONALEP 
Figura 5.13. Resultados obtenidos de la encuesta aplicado a los alumnos de nivel medio superior del 
CONALEP Plantel Zitácuaro 
Capítulo 6 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA VIII 
LISTA DE TABLAS 
LISTA DE TABLAS 
Capítulo 1 
Capítulo 2 
Tabla 2.1. Métodos y técnicas contenidos en la caja de herramientas 
Tabla 2.2. Diferencias entre máquinas dedicadas, flexibles y reconfigurables 
Tabla 2.3. Ventajas de los sistemas de mecanizado miniatura según varios autores 
Tabla 3.1. Microfábricas desarrolladas como sistemas pequeños de producción 
Tabla 3.2. Microfábricas desarrolladas como unidades miniaturizadas de maquinado 
Capítulo 3 
Tabla 3.3. Microfábricas desarrolladas como unidades miniaturizadas de maquinado 
Tabla 3.4. Principales conceptos de máquinas-herramienta relacionadas 
Capítulo 4 
Tabla 4.1. Integrantes de equipo desarrollador 
Tabla 4.2. Competencias de conocimiento requeridas para el diseño y desarrollo del productoTabla 4.3. Definición de oportunidad de mercado 
Tabla 4.4. Clientes primarios contexto de manufactura moderna, sector educativo nivel superior 
Tabla 4.5. Clientes secundarios contexto manufactura moderna, sector educativo nivel medio superior 
Tabla 4.6. Definición de alternativas de producto 
Tabla 4.7. Selección del producto (herramienta, matriz de selección Pugh) 
Tabla 4.8. Definición general del producto 
Tabla 4.9. Concentrado de resultados de requerimientos de cliente 
Tabla 4.10. Parámetros más relevantes del producto 
Tabla 4.11. Productos análogos de microfábricas reconfigurables 
Tabla 4.12. Productos análogos de micro máquinas-herramienta 
Tabla 4.13. Matriz de productos análogos de microfábricas reconfigurables 
Tabla 4.14. Matriz de productos análogos para micro máquina-herramienta reconfigurable 
Tabla 4.15. Análisis de resultados Benchmarking 
Tabla 4.16. Análisis de patentes análogas de celdas de manufactura reconfigurables 
Tabla 4.17. Análisis de patentes análogas de celdas de manufactura reconfigurables 
Tabla 4.18. Resultados análisis de patentes 
Tabla 4.19. Especificaciones técnicas generales identificadas 
Tabla 4.20. Resultados de la etapa de Ideación del producto 
Tabla 4.21. Ideas generadas para el diseño de la micro máquina-herramienta reconfigurable 
Tabla 4.22. Idea de la micro máquina-herramienta reconfigurable 
Tabla 4.23. Ideas generadas para el diseño del manipulador robótica [Miranda, J., 2010] 
Tabla 4.24. Idea seleccionada para el diseño del manipulador robótica [Miranda, J., 2010] 
Tabla 4.25. Ideas generadas para el diseño del almacén automático 
Tabla 4.26. Matriz morfológica para micro máquina-herramienta reconfigurable 
Tabla 4.27. Matriz morfológica para manipulador robótica 
Tabla 4.28. Matriz morfológica para el almacén automático 
Tabla 4.29. Alternativas para gabinete eléctrico/electrónico de la µFRD 
Tabla 4.30. Etapa de desarrollo avanzado, análisis de intercomunicación entre disciplina 
Tabla 4.31. Actividades llevadas en la etapa de desarrollo avanzado 
Tabla 4.32. Requerimientos principales para la µFRD 
Tabla 4.33. Checklist de los aspectos tomados en cuenta para el diseño del producto 
Tabla 4.34. Restricciones espaciales de los elementos que componen la µFRD 
Tabla 4.35. Principios de DFM utilizados en el diseño de los sistemas que integran la µFRD 
Tabla 4.36. µMHR especificaciones técnicas 
Tabla 4.37. Características del microcontrolador PIC18F4550 
Tabla 4.38. Identificación de dispositivos programables con los que cuenta la µFRD 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA IX 
LISTA DE TABLAS 
Tabla 4.39. Componentes que integran al software de control 
Tabla 4.40. Tipos de prototipos para diferentes propósitos, en la parte sombreada se muestran las 
características del prototipo seleccionado para este producto 
Tabla 4.41. Funciones de configuración previas al maquinado de una pieza 
Tabla 4.42. Funciones que realiza durante el maquinado de una pieza 
Tabla 4.43. Áreas de la interfaz de usuario 
Tabla 4.44. Resumen de la evaluación física y funcionalidad de la µFRD 
Tabla 4.45. Evaluación de objetivos del diseño del prototipo µFRD 
Tabla 4.46. Resultados de la fase de prototipo 
Tabla 4.47. Identificación de reivindicaciones de la Micro Máquina-Herramienta Reconfigurable 
Tabla 4.48. Resultados análisis de patentes 
Tabla 4.49. Bases de datos utilizadas para la búsqueda del estado del estado de la técnica del producto 
Tabla 4.50. Resumen de invención presentada ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial 
Tabla 4.51. Proceso de otorgamiento de patente de acuerdo a la ley de propiedad industrial en México 
Tabla 4.52. Resultados de la fase de propiedad intelectual 
Capítulo 5 
Tabla 5.1. Análisis de asignatura Manufactura Avanzada MTS-0525 
Tabla 5.2. Análisis de asignatura Manufactura Automatizada CSF-0803 
Tabla 5.3. Análisis de proceso de maquinado a utilizar 
Tabla 5.4. Análisis de selección de velocidad de corte 
Tabla 5.5. Rangos de Velocidad de Corte 
Tabla 5.6. Organización de implementación de prototipo en el ITSCH 
Tabla 5.7. Métodos y técnicas utilizados en el ITSCH para la generación de competencias en temas de 
manufactura moderna 
Tabla 5.8. Organización de implementación de prototipo en el CONALEP Plantel Zitácuaro 
Capítulo 6 
Tabla 6.1. Propuesta para el mejoramiento del prototipo físico 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA X 
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 
RESUMEN 
La innovación tecnológica en la educación hoy en día es uno de los temas más 
relevantes en investigación y desarrollo debido a la gran necesidad que se tiene de 
poder ofrecer a través de herramientas tecnológicas la formación necesaria, justa y 
adecuada para los estudiantes en diferentes áreas, de esta manera se ataca la falta de 
material costoso e inaccesible para muchos de los estudiantes e incluso para las 
mismas instituciones educativas. 
La herramienta didáctica que se propone, pertenece a un sistema mecatrónico 
enfocado al área de manufactura moderna dirigido al sector educativo. Para el 
desarrollo de este producto se hace uso de un modelo integral de desarrollo y 
fabricación de productos en el campo de la ingeniería concurrente. La miniaturización, 
reconfigurabilidad, metodologías de diseño emergentes y el uso de elementos a bajo 
costo son aspectos innovadores que traen ventajas sobre los existentes en el mercado 
y facilitan la adquisición de este sistema de fabricación reconfigurable a las 
instituciones educativas de nivel superior y medio superior. 
En el siguiente trabajo se podrá observar el proceso de diseño, desarrollo e 
implementación de la Microfábrica Reconfigurable desglosando las tres grandes 
disciplinas que engloba la Ingeniería Mecatrónica: Mecánica, Electrónica y Sistemas de 
Control. 
JHONATrAN MIRANDA MENDOZA 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
ABSTRACT 
Educational technology innovation today is one of the most important issues in research 
and development due to the great necessity of offer through technological tools the 
necessary and appropriate training for students in different areas, thus attacking the 
lack of expensive material and inaccessible to many of them and even educational 
institutes. 
The proposed teaching tool belongs to a mechatronic system focused on modern 
manufacturing area to the education sector. For the development of this product makes 
use of an integrated model of product development and manufacturing in the field of 
concurrent engineering. Miniaturization, reconfigurability, emerging design 
methodologies, and the use of low-cost elements are innovative features that bring 
advantages over existing in the market and facilitate the acquisition of the 
reconfigurable manufacturing system to higher educational institutions. 
In the following thesis may observe the process of design, development and 
implementation of the Reconfigurable Microfactory analyzing the three major disciplines 
covered Mechatronics Engineering: Mechanical, Electronic and Control Systems. 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA 2 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN 
1.1. MOTIVACIÓN 
Estadísticas de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación la Ciencia y 
la Cultura (UNESCO) en su compendio mundial de educación 2012 y de la 
Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) en su informe 
panorama de la educación 2012 reflejan que actualmente el sector educativo en países 
en vías de desarrollo y subdesarrollo cuentan todavía con un amplio rezago educativo 
comparado con los países desarrollados; indicadores como la falta de inversión física 
(infraestructura, equipamiento, personal calificado, etcétera) que impactan 
negativamente en el estudiante en su proceso de formación profesional (preparación, 
experiencia, visión) ya que no se cuenta con los recursos necesarios para poder ser 
competitivos y aportar logros a la sociedad [UNESCO, 2012] [OCDE, 2012]. A pesar de 
que México es uno de los países que más invierten en educación en sus diferentesniveles un análisis realizado en 2011 destaca que 97.2% de las erogaciones en materia 
educativa es gasto corriente destinado a sueldos de docentes y personal 
administrativo; y el remanente para inversión física, está sujeto a procesos 
desarticulados y a una deficiente coordinación entre las distintas dependencias que lo 
ejercen lo que conlleva a un déficit en inversión en infraestructura [México Evalúa, 
2012]. 
Expertos en el tema plantean que es necesario desarrollar estrategias que ayuden a 
resolver las problemáticas que se tienen actualmente en el sector educativo, proponen 
enfocar esfuerzos en inversión física en las instituciones de México, definiendo áreas y 
temas prioritarios, congruentes con las prioridades del desarrollo nacional; en ese 
sentido la educación superior juega un papel central en la transición hacia una nueva 
economía, más próspera; también en la construcción de un nuevo orden social basado 
en el mejoramiento permanente del nivel educativo y cultural de la mayoría de la 
población. 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA 3 
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 
El ser capaces de generar desarrollos e innovaciones tecnológicas permitirá la creación 
de líneas de crecimiento en diferentes sectores, ofrecer una mejor preparación y 
capacitación, formación de recursos humanos e investigación que son claves para el 
desarrollo del país y de esta manera ayudar a elevar su competitividad. 
La motivación del desarrollo de este proyecto es poder impactar en ese sector clave 
para el fortalecimiento del desarrollo nacional: Tecnología e Innovación Educativa 
dentro del campo de la Ingeniería Mecatrónica y la Automatización, el poder ofrecer 
una herramienta que ayude a fortalecer el desarrollo profesional del estudiante en la 
educación superior de México y de los países en vías de desarrollo, y al mismos tiempo 
aportar al fortalecimiento de una cultura en el desarrollo de investigación e innovación 
tecnológica. Para esto es necesario hacer uso de metodologías de diseño de productos 
específicas que ayuden a la toma de decisiones correctas durante el proceso de 
desarrollo de fabricación del producto, también implementar conceptos que nos brinden 
el uso eficiente de los recursos como lo es el concepto de "Reconfigurabilidad de 
Sistemas", el tamaño del producto a una escala micro/meso que permita su transporte 
fácilmente (sistema portátil) y que no requiera de una infraestructura especial para su 
implementación, y evidentemente el obtener un producto a bajo costo con altas 
prestaciones e impacto social directo en el sector educativo. 
1.2. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 
En la actualidad muchos planteles educativos en los niveles superior y medio superior 
de México, no cuentan con los recursos suficientes para adquirir sistemas modernos de 
manufactura (infraestructura, economía, personal), por tanto se tiene la necesidad de 
desarrollar sistemas de manufactura moderna de calidad a bajo costo que faciliten la 
adquisición o sustitución de los sistemas manuales y obsoletos usados actualmente. 
Con este proyecto se busca generar nuevas herramientas de aprendizaje accesibles en 
costo para así facilitar su adquisición en los institutos de enseñanza, las cuales son 
fundamentales como complemento en la formación profesional de los estudiantes 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA 4 
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 
permitiéndoles desarrollar habilidades y experiencias técnicas, proponiendo tecnologías 
de automatización a bajo costo por medio del diseño y creación de sistemas de control 
y reconfiguración de dispositivos aplicados a través de una microfábrica reconfigurable 
integrada por micro máquinas-herramienta reconfigurables como elemento núcleo, 
manipuladores robóticas y almacenes; adaptando el proyecto a una línea característica 
de automatización a bajo costo, que sea portátil y reconfigurable en sus elementos. 
1.3. OBJETIVOS 
• Desarrollar un prototipo de producto didáctico basado en un modelo de 
referencia para el diseño, desarrollo y fabricación de productos mecatrónicos 
que se pueda implementar de manera efectiva dentro del sistema educativo en 
el área de manufactura. 
• Proponer un producto mecatrónico reducido en costo y con sistemas 
innovadores de reconfigurabilidad. 
• Demostrar el impacto positivo en el sector educativo a través de un caso de 
estudio implementado en institutos públicos de nivel medio superior y superior 
(facilitar al estudiante las herramientas para conocimientos fundamentales en 
sistemas de manufactura, manejo de máquinas-herramienta, robótica industrial, 
programación de control numérico y ensamble mecánico). 
• Realizar una aportación de mejora al modelo de referencia de diseño, desarrollo 
y fabricación de producto mecatrónico. 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 5 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
1.4. ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN 
De acuerdo a las fases planteadas del modelo de referencia de diseño, desarrollo y 
fabricación de productos mecatrónicos se logrará ubicar el desarrollo e investigación de 
tesis de la siguiente manera: 
• Diseño y desarrollo de prototipo de una configuración de Microfábrica 
Reconfigurable 
• Aportación de mejora al modelo de referencia que se sigue 
• Acondicionamiento del sistema (Mecánica, Electrónica, Sistemas de Control) 
• Evaluación e implementación del prototipo 
1.5 ORGANIZACIÓN DE TESIS 
La investigación que se presenta se encuentra organizada de la siguiente manera: 
Capítulo 1, muestra una introducción al desarrollo del tema de tesis. En este capítulo 
se pueden apreciar también las problemáticas identificadas a resolver, objetivos y 
alcances a los que se llegaran. 
Capítulo 2, se hace una revisión de la literatura. Aquí se trata de ubicar el campo de 
estudio de la investigación realizada y relacionarla con las disciplinas que la integran. 
Se describen conceptos generales relacionados con el desarrollo del tema tesis. 
Capítulo 3, presenta el estado del arte de productos análogos al producto propuesto en 
esta investigación. Dichos productos análogos se presentan de acuerdo a las 
características del producto que se desarrolla (estaciones de trabajo, celdas de 
manufactura, miniaturización y reconfigurabilidad). 
JHONATIAN MIRANDA MENDOZA 6 
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 
Capítulo 4, aquí se presenta la implementación del modelo de referencia que se sigue. 
Se muestra el desarrollo de cada una de las etapas, fases y actividades realizadas para 
llevar a cabo la fabricación del producto mecatrónico que se propone. Se hace especial 
énfasis en las disciplinas que incluOye un producto mecatrónico (mecánica, electrónica 
y eléctrica, y software de control). 
Capítulo 5, muestra un caso de implementación del producto mecatrónico que se 
obtuvo (microfábrica reconfigurable). En este capítulo se describe el cómo fue realizada 
la implementación del producto en instituciones educativas del país en los niveles 
medio superior y superior. 
Capítulo 6, aquí se presentan las conclusiones del trabajo de desarrollo e 
investigación, además se proporcionan las recomendaciones y trabajo futuro que se 
debe realizar. 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 7 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE LA LITERATURA 
El objetivo de la revisión literaria es ubicar el campo de estudio de la investigación 
realizada y relacionarla con las disciplinas que la integran. 
2.1. MODELO INTEGRAL DE DESARROLLO DE PRODUCTOS 
El diseño de un producto es un proceso cuya extensión temporal varía dependiendo de 
la complejidad del producto, sin embargo, al seguir una metodología, este proceso 
puede ser acortado en tiempo, dado que la información puede recolectarse y 
gestionarse de una manera más organizada sin sacrificar el cumplimiento de los 
requerimientos del cliente. 
El desarrollo de productos puede ser visto como un proceso de transformación de 
información, donde se parte de información importante recolectada, y se obtienen 
algunas conclusioneso definiciones a partir de dicha información. En este proceso, el 
diseñador tiene la responsabilidad de definir correcta y claramente los parámetros, 
características, atributos y toda la información que será útil en la definición del 
producto. Esto se da en las primeras actividades del proceso de desarrollo del 
producto, para obtener todas las especificaciones del producto a ser diseñado, las 
cuales deben estar claramente establecidas y entendidas por todos los miembros del 
equipo de diseño. Posteriormente, actividades creativas se desarrollan en el proceso, 
para proponer una geometría detallada acorde con las restricciones, con el material 
adecuado, y con ciertos aspectos que resultan relevantes para el proceso de 
producción. En el apartado 2.1.2. se detalla el modelo de referencia implementado para 
el desarrollo de la µFRD. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 8 
CAPÍTULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
2.1.1. PRODUCTOS MECATRÓNICOS 
Un consenso común es describir a la mecatrónica como una disciplina integradora de 
las áreas de mecánica, electrónica y sistemas de control cuyo objetivo es proporcionar 
mejores productos, procesos, y sistemas (ver Figura 2.1 ). En la actualidad la 
mecatrónica es una de las disciplinas con mayor aplicación en empresas de la industria 
automotriz, manufacturera, petroquímica, metal-mecánica, alimentos y 
electromecánica, causando gran impacto en beneficio de la sociedad. 
Con base en lo anterior, se puede hacer referencia a la definición propuesta por J. A. 
Rietdijk [Rietdijk, J., 1989]: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería 
mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para 
el diseño de productos y procesos", la cual busca crear maquinaria más compleja para 
facilitar las actividades del ser humano a través de procesos electrónicos en la industria 
mecánica principalmente. Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero 
ésta claramente enfatiza que la mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño. 
Figura 2.1. Disciplinas que integran un sistema mecatrónico 
Por otro lado, más allá de las cuestiones técnicas, la mecatrónica también se ha 
adoptado como una disciplina científica aplicada, en la cual se hace modelado, análisis, 
síntesis y control de sistemas de naturaleza multidominio y se ha tratado de 
homogeneizar la ciencia para este tipo de sistemas. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 9 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
2.1.2. METODOLOGÍA DE DISEÑO, DESARROLLO Y FABRICACIÓN DE 
PRODUCTOS MECATRÓNICOS 
En el contexto de Ingeniería Concurrente se ha desarrollado un modelo de referencia 
de desarrollo de productos con actividades definidas para cada una de las cuatro fases 
(Ideación, Desarrollo Conceptual y Básico, Desarrollo Avanzado y Prototipo), el cual, 
incluye algunos métodos que son considerados fundamentales para el diseño del 
producto mecatrónico. 
La metodología que propone P. Farías [Farías P., 2003] tiene una estructura bi-axial 
(información-transformación); en el eje 1 aparecen las actividades del proceso de 
desarrollo (que va de la ideación del producto hasta la obtención del prototipo) y en el 
eje 2 se refiere a las fases en el desarrollo del producto. El producto mecatrónico se 
clasifica en tres categorías: mecánica, eléctrica/electrónica, y software de control. En 
este modelo pueden identificarse las fases (eje 2) según sean de análisis, síntesis y 
evaluación, lo que permite dirigir el razonamiento de los diseñadores con base en las 
actividades del ciclo básico de diseño (ver Figura 2.2). 
Este modelo especialmente para la etapa de Desarrollo Conceptual y Básico posee 
actividades con objetivos idénticos pero con resultados ligeramente diferentes de 
acuerdo con el tipo de producto que se esté desarrollando. Mientras que en las etapas 
de Desarrollo Avanzado y Prototipo los métodos y herramientas son necesariamente 
diferentes debido a lo complejo que resulta el sintetizar y evaluar productos con 
características tan distintas. Por lo tanto, a medida que los productos se vuelven más 
complejos se requiere profundizar en el conocimiento de ciertas áreas especializadas y 
desarrollar herramientas potentes pero con una reducida área de aplicación. 
Sería imposible definir un modelo con métodos y herramientas que pudiera satisfacer el 
proceso de desarrollo para todos los productos, a menos que este incluyera todas las 
herramientas posibles, dentro de las cuales algunas pueden tener objetivos que 
pueden ir en contravía; por esta razón, un modelo de referencia debe indicar las 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 10 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
actividades que deben realizarse, mencionando sólo los métodos básicos en el 
Proceso de Desarrollo, pero a la vez permitiendo la selección e integración de métodos 
especializados que nos apoyen a lograr el objetivo de cada fase de diseño. 
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Q 
1 
1 
Análisis Síntesis Evaluación 
ideación Altttnativas d" Producto ( Evaluación/~lección ckl Producto O 
! Definición del Producto ,) 
R"qUttimiffllos d<I Mttcado ! Planeación del Producto ,) 
Análisis Comp,etítivo 
QFD 
Análbl1 d" Pat.,nt"s y Copyri¡ht 
Requerimientos Técnicos 
Revisión ck Requerimi«,ntos 
1 Técnicos 
Evaluación Comp,etitiva u 
Jundón del Producto u-- Dl!SComposición Juncional 
~ 
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Dia1ramu y Matriz Mortolóllica 
-
Altemativas de Conceptos tíl Selección d" Conceptos 
Solucionar Contradiccionn 
Conceptos 
Productos Mednlcos 
Productos Electrónicos 
Productos de Software 
PRODUCTOS MECATRÓNICOS 
( Actividad.,, O I Resultados J 
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Figura 2.2. Modelo de referencia para el diseño, desarrollo, y fabricación rápida de productos mecatrónicos 
[Farías P., 2003], [Riba C., & Molina A., 2006] 
A continuación se describe cada una de las cuatro etapas que integra la metodología. 
Ideación. En esta etapa se define la idea del producto a desarrollar, aquí se analizan 
los recursos técnicos y económicos con los que se cuenta para determinar la viabilidad 
del producto. También se realiza un plan detallado de trabajo que permite identificar el 
campo de aplicación y el plan de proyecto. En esta etapa también se incluye la 
recopilación de información técnica y requerimientos de cliente los cuales son 
fundamentales para el diseño del producto. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 1 1 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
Desarrollo Conceptual y Básico. En la fase de diseño conceptual se desarrollan las 
alternativas de solución sobre el producto funcional. Para lograr esto, se realizan 
actividades de análisis que permiten comparar productos análogos o principios básicos 
que pueden ser de utilidad en el desarrollo del concepto; actividades de síntesis, que 
integraran los principios o ideas para generar las alternativas conceptuales; y 
actividades de simulación y evaluación para estimar el comportamiento de las 
alternativas generadas y seleccionar las mejores. Según Pahl y Beitz así como de 
acuerdo con la guía alemana VOi 2221, en la etapa de Diseño Básico o de 
Materialización (Embodiment Design) se determina la estructura constructiva del 
producto o sistema, lo que significa definir la composición y organización de los 
módulos (o subensables) y sus especificaciones para que a partir de ello se pueda 
proceder al diseño de detalle de las piezas o componentes [Pahl & Beitz, 2007], 
[Jansch, J. & Birkhofer, H. 2006]. 
Desarrollo Avanzado. En esta fase se obtiene el diseño a detalle del producto 
mecatrónico, aquí se involucran todas las actividades que ofrecen como resultado de 
documentos de ingeniería detallados que son la base para la fabricación del producto; 
es importante anotar, que en muchos de los modelos clásicos esta etapa se denomina 
Diseño de Detalle. 
Prototipo. En esta fasese fabrican prototipos para evaluar el diseño e inclusive, se 
diseña el proceso de producción y se comienza con la manufactura del producto. 
Estas actividades que se dan en todas las fases del proceso de diseño de productos, y 
que constituyen el ciclo básico de diseño, pueden clasificarse en tres grandes grupos: 
1. Actividades de Análisis: representan la descomposición de algo complejo en sus 
elementos, el estudio de estos elementos y sus interrelaciones. Las acciones 
que lo definen son: identificación, definición, estructuración y ordenamiento. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 12 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
2. Actividades de Síntesis: representan la unión de elementos para producir nuevos 
efectos y demostrar que tales efectos crean un nuevo orden. Involucran la 
investigación y el descubrimiento, la composición y la combinación. Una 
característica esencial de todo diseño es la combinación de descubrimientos 
individuales o subsoluciones en un sistema funcional completo, es decir, la 
asociación de componentes para formar un todo. Aquí también debe procesarse 
la información recolectada durante las actividades de análisis. 
3. Actividades de Evaluación: representan la fase de definición en el problema o 
proceso de diseño que se está resolviendo. Las combinaciones o composiciones 
definidas en las actividades previas deben ser evaluadas para elegir aquella que 
satisfaga de mejor manera el patrón de desempeño deseado en la solución y 
definido por los requerimientos; así como estas permiten definir las acciones 
correctivas a través del uso de algunas técnicas y métodos. Los insumos para 
las actividades de evaluación pueden ser obtenidos a partir de actividades 
previas de simulación. 
Para llevar a cabo estas actividades existe un gran número de métodos y herramientas 
que aportan valor agregado; estos métodos deben ser seleccionados y adaptados a las 
necesidades del diseñador dependiendo del tipo de producto y de los resultados 
deseados. Durante la implementación del modelo de referencia se hacen mención de 
los métodos y herramientas utilizados para la realización de estas actividades [Molina, 
A. & Riba, C., 2006]. 
Para llevar a cabo la implementación de la metodología es necesario conocer las 
herramientas que propone P. Farías [Farías P., 2003] para el desarrollo de la misma. 
La metodología requiere de un conjunto de métodos, técnicas y herramientas que han 
sido seleccionadas y aplicadas para mejorar los resultados para cada actividad. La 
selección de estas herramientas será de acuerdo al tipo del producto a desarrollar, ya 
que dependerá de la complejidad y características especiales del sistema mecatrónico. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 13 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
En el siguiente cuadro se detalla información acerca de las herramientas que se 
pueden utilizar durante la implementación de esta metodología (Ver Tabla 2.1). 
Se puede observar que en las primeras dos fases de desarrollo, la mayoría de los 
métodos y técnicas son catalogadas como actividades de análisis, y para la fase de 
desarrollo avanzado como actividades de evaluación. 
Tabla 2.1. Métodos y técnicas contenidos en la caja de herramientas 
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o c. 
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o ... o ... 
CL. 
Análisis 
• Curva S del producto, 
• Análisis competitivo, 
• Entrevista al cliente, 
• Focus Group, 
• Cuestionamientos técnicos, 
• Cuestionamientos 
contextuales, 
• Investigación de contexto, 
• Etnografía del producto 
• Análisis de usuario líder, 
• Técnica Delphi, 
• JAD (Joint Application 
Des ion) 
• Lluvias de ideas, 
• Investigación de contexto, 
• TRIZ, 
• Modelo de KANO, 
• Diagramas de afinidad, 
• Sesiones de creatividad, 
• Descomposición funcional, 
• Diagramas de análisis, 
• Diagramas de clase (UML). 
• Prototipos rápidos 
• Lluvia de ideas, 
• TRIZ, 
• Análisis de costo, 
• Análisis de tolerancia. 
• Prototipado rápido 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 
Síntesis 
• Lluvias de ideas, 
• Perfiles de usuario, 
• Sesiones de creatividad, 
• Modelo Klein 
• Lluvia de ideas, 
• Checklist tipo Osborn, 
• Whiteboard, 
• Taller de dibujo (sketching), 
• QFD, 
• Matrices morfológicas, 
• Matriz de síntesis, 
• Diagramas de robustez 
• Casos de uso 
• Diagramas de flujo de datos 
• Lluvia de ideas, 
• Diagramas de restricciones 
espaciales, 
• Matriz morfológica, 
• Modelados sólidos, 
• Checklist, 
• TRIZ. 
• Modularidad, 
• DOE (Diseño de 
experimentos) 
• Diagramas de secuencia 
• Diagramas de colaboración 
• Modelo matemático. 
• Lenguaje UML, 
• Principios de diseño Pahl 
and Beitz, 
• Modelos conceptuales. 
Evaluación 
• Evaluación de riesgos, 
• Tablas de Pugh, 
• VOA (Análisis de 
Oportunidad de Valor), 
• Inteligencia competitiva 
• Evaluación de concepto 
(exploración, valoración, 
validación, comparativos), 
• Ponderación y calificación, 
• Idea inicial (log), 
• Estudios Trade-Off, 
• Selección de concepto, 
• Convergencia controlada 
(Selección Pugh), 
• VOA (Value Opportunity 
Analvsis), 
• Checklist, 
• Análisis de valor de la 
ingeniería, 
• Diseño axiomático, 
• FMEA, 
• DFA, 
• DFM, 
• Modelo matemático, 
• Análisis de tolerancia, 
• DFR (Diseño por fiabilidad) 
• CAE, 
• Códigos de análisis, 
• Tablas Pugh, 
• DOE (Diseño de 
Experimentos), 
14 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
2.2. MECATRÓNICA EN EL CAMPO DE LA MANUFACTURA 
La ingeniería mecatrónica nos permite desarrollar, evaluar, seleccionar e integrar 
dispositivos y máquinas mecatrónicas, tales como robots, máquinas-herramienta de 
control numérico, controladores lógicos programables, computadoras industriales, entre 
otros, para el mejoramiento de procesos industriales de manufactura. Por su naturaleza 
la ingeniería mecatrónica es una disciplina ideal para la creación de nuevos productos 
en el campo de la manufactura moderna. 
2.2.1. DEFINICIÓN DE SISTEMAS DE MANUFACTURA 
La manufactura se define como una fase de la producción económica de los bienes. 
Consiste en la transformación de materias primas en productos manufacturados, 
productos elaborados o productos terminados para su distribución y consumo. También 
involucra procesos de elaboración de productos semi-manufacturados o productos 
semi-elaborados. 
Un sistema de manufactura es el conjunto de medios (máquinas, administración de 
procesos y logística de producción) para llevar a cabo el proceso de manufactura de un 
producto. Existen diferentes tipos de sistemas de manufactura que van desde la 
utilización de herramientas y máquinas manuales, máquinas semi-automáticas, hasta 
máquinas automatizadas. Además existen diferentes filosofías para el diseño de los 
sistemas de manufactura, estos serán mencionados más adelante. Un sistema de 
manufactura puede estar conformado por una o varias estaciones de trabajo que se 
define y diseña en función del proceso y/o producto. 
A continuación se presentan algunas definiciones generales que engloban la definición 
de los sistemas de manufactura [Mikell P. Groover, 2000]. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 15 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
Tecnología de grupos es un enfoque para manufactura en el cual se identifican y 
agrupan piezas similares para aprovechar sus similitudes en el diseño y la producción. 
Las similitudes entre las piezas permiten clasificarlas en familias. 
Celda de manufactura puede ser definida como un grupo de máquinas funcionalmente 
diferentes, dedicadas a la fabricación de una familia de partes similares. 
Estación de trabajo suele contener una máquina (celda de una máquina) o varias 
máquinas (celda de grupos de máquinas). 
Fabricación celular es una aplicación de conceptos de tecnologías de grupos. La 
tecnología de grupo es un concepto industrial que usa las similitudes de partes 
producidas para aumentar la eficacia de la producción. 
2.3. SISTEMAS DE FABRICACIÓNRECONFIGURABLES (SFR) 
Los sistemas de fabricación reconfigurables (SFR) surgieron tratando de recoger lo 
mejor de los sistemas de fabricación dedicados (SFD) y de los sistemas de fabricación 
flexibles (SFF). Los SFF tienen la flexibilidad necesaria para producir una amplia gama 
de componentes y productos, pero no son tan eficientes en coste como los SFD, los 
cuales son muy productivos pero carecen de flexibilidad. Los SFR disponen de 
flexibilidad productiva, y son más eficientes en coste que los sistemas flexibles. 
Además disponen de una estructura susceptible de cambiar (a nivel de sistema y a 
nivel de máquinas), para afrontar cambios inesperados en el mercado. El diseño de un 
sistema dedicado se basa en los componentes a producir. Si los componentes no están 
definidos, no se puede diseñar un SFD. Por el contrario, los sistemas flexibles se basan 
más en las características de las máquinas que en los componentes a fabricar, ya que 
con las máquinas adecuadas se puede producir cualquier componente dentro de una 
amplia gama. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 16 
CAPÍTULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
Los SFR se diseñan para fabricar familias de componentes, de forma que el sistema 
realice variaciones mínimas en el esquema de producción para fabricar dos 
componentes de la familia. Esta aproximación permite que el sistema sea más 
productivo que un sistema flexible, ya que no se "desperdicia" flexibilidad y por tanto no 
se incurre en costes tecnológicos innecesarios [Koren, Y., 1999]. 
Las tecnologías facilitadoras de los sistemas reconfigurables, según el Engineering 
Research Center far Reconfigurable Manufacturing Systems (ERC/RMS), son: 
• Las máquinas modulares, que permiten al usuario diferentes opciones en cuanto 
al uso de la máquina. 
• El software de control de arquitectura abierta, que permite la reconfiguración en 
el control de máquinas. 
Ambas tecnologías son necesarias pero no suficientes para diseñar un SFR que sea 
eficiente en costes. El diseño del sistema debe tener en cuenta las previsibles 
reconfiguraciones que podrían ser necesarias en el futuro. De alguna forma se deben 
contemplar las necesidades actuales pero con perspectiva de futuro, incluyendo 
posibles reconfiguraciones de las máquinas, de los sistemas de manipulación 
automatizada y de los controladores de arquitectura abierta. Los SFR deben ser 
diseñados desde el principio como tales, o nunca lo serán. 
2.3.1 CARACTERÍSTICAS BASICAS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS 
SISTEMAS DE FARICACIÓN RECONFIFURABES 
Las características esenciales del sistema son las siguientes [Koren, Y., 2005]: 
Modularidad. Un sistema reconfigurable necesita una estructura modular. A nivel de 
sistema, cada máquina es un módulo, y muchos de los elementos de manipulación de 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 17 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
materiales se construyen con una estructura modular para facilitar futuras 
reconfiguraciones. A nivel de máquina y de software, sus componentes (p.ej. elementos 
estructurales, ejes, controles, etc.) podrían ser modulares. A cualquier nivel, los 
elementos modulares pueden ser remplazados o actualizados para ajustarse a nuevas 
aplicaciones o nuevas demandas del mercado. 
lntegrabilidad. A nivel de sistema, las máquinas son los módulos que pueden 
integrarse mediante los adecuados sistemas de transporte para constituir un sistema 
reconfigurable. A nivel máquina, sus módulos (ejes, etc.) pueden integrarse para formar 
nuevas máquinas. Los controladores de las máquinas pueden ser integrados en el 
sistema de control de la planta. Las máquinas y los módulos de control deben ser 
diseñados con interfaces adecuados para la integración de sus componentes. 
Personalización. Esta característica tiene dos aspectos: flexibilidad personalizada y 
control personalizado. La flexibilidad personalizada implica que las máquinas son 
diseñadas para fabricar una familia de componentes, de forma que la configuración del 
sistema debe contemplar todas las características dominantes de la familia de 
componentes completa. La personalización de los controladores se consigue mediante 
la integración de módulos de control mediante la tecnología de arquitectura abierta, 
suministrando exactamente las funciones de control necesarias. 
Convertibilidad. Es la capacidad del sistema para cambiar rápidamente su 
funcionalidad para producir todos los componentes de una familia. Este cambio puede 
suponer el cambio de herramientas, disposición de los módulos de una máquina, 
elementos de sujeción, componentes de software, etc. A nivel de sistema, la 
convertibilidad incluye la integración de nuevas máquinas, extendiendo la funcionalidad 
para producir nuevos componentes. 
Escalabilidad. Es la posibilidad de cambiar el volumen de producción máximo de 
forma rápida. A nivel de máquina podría requerir la adición de nuevos ejes para 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 18 
CAPÍTULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
aumentar su productividad, y a nivel de sistema podría necesitar la adición de 
máquinas o el cambio de las rutas de producción de los componentes. 
Diagnosticabilidad. Tiene dos objetivos en un SFR: la detección de fallos de calidad 
en las piezas, y la detección de problemas en las máquinas. El primer problema es 
crítico en un sistema reconfigurable, ya que se debe minimizar el tiempo de puesta a 
punto del sistema tras su reconfiguración (ramp-up time). 
A partir de estas características esenciales, se definen los principios de diseño de los 
SFR: 
1. Los SFR deben proveer recursos de producción ajustables para responder a los 
cambios de mercado impredecibles y las incidencias intrínsecas del sistema: 
• Su capacidad puede ser escalable rápidamente en pequeños incrementos 
• Su funcionalidad puede ser rápidamente adaptable a nuevos productos 
• Las capacidades intrínsecas de ajuste deben facilitar una respuesta rápida a los 
fallos inesperados de los equipos 
2. Un SFR se diseña para una familia de componentes o de productos, con la 
flexibilidad adecuada y personalizada para fabricar dicha familia. 
3. Las características esenciales de un SFR deben estar integradas tanto en el sistema 
completo, como en sus componentes (mecánicos, de comunicación y de control). 
Un aspecto clave que permite considerar, a nivel general, la viabilidad de un SFR para 
su aplicación práctica, es el orden de magnitud del tiempo de reconfiguración y del 
periodo de ajuste tras la reconfiguración (ramp-up time). Como se ha definido 
anteriormente, un sistema reconfigurable se diseña para fabricar una familia 
determinada de productos (componentes). Conceptualmente, el diseño del sistema 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 19 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
debe partir de un conjunto de productos que se desea fabricar (portafolio de productos), 
que se deben agrupar en familias de productos o familias de componentes. 
Mediante los métodos adecuados de optimización se establece la secuencia en la que 
se fabricará cada familia, lo cual implica que al finalizar la producción de una familia, el 
sistema debe reconfigurarse para fabricar la siguiente. Esta reconfiguración implica, 
como se ha descrito, cambios a nivel de sistema y de componentes (máquinas, 
sistemas de control, etc.). 
2.3.2. MÁQUINAS RECONFIGURABLES 
Una máquina reconfigurable es aquella cuya estructura puede ser alterada para 
proporcionar funcionalidades alternativas o incrementos de producción, para cubrir 
variaciones en la demanda. La máquina puede retornar a su estado inicial, o ser 
modificada para alcanzar nuevas funcionalidades o niveles de producción. De forma 
resumida, la diferencia entre las máquinas dedicadas, las reconfigurables y las flexibles 
es la siguiente (ver Tabla 2.2): 
Tabla 2.2. Diferencias entre máquinas dedicadas, flexibles y reconfigurables 
• Muy rápida 
• No flexible 
• Cualquier geometría 
de pieza 
• Lenta 
• Totalmente flexible 
;. Geometríaadecuada para una 
familia de producto 
• Rápida 
• Es flexible para una familia de 
reducto 
En las Figuras 2.3 y 2.4 se muestran dos máquinas reconfigurables simuladas (no 
corresponden a ninguna máquina real). En la figura 2.3 la reconfigurabilidad se 
consigue cambiando algunos módulos de las máquinas, y en la figura 2.4 se consigue 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 20 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
utilizando funciones de reconfiguración integradas en la propia máquina [Moon Y., 
2006]. 
La dirección futura en el desarrollo de las máquinas reconfigurables apunta en las 
siguientes direcciones: 
• Desarrollo de módulos mecatrónicos específicos para máquinas reconfigurables. 
• Sistemas de enlace entre módulos que faciliten el cambio frecuente mediante 
elementos rápidos y precisos. Estos enlaces deben ser a nivel de conexión 
mecánica, transmisión de potencia y transmisión de señales. 
• Desarrollo de metodologías rápidas y precisas para evaluar la configuración: 
rigidez estática, dinámica y análisis de la precisión, basadas en la modularidad. 
• Sistemas reconfigurables de manipulación de materiales. 
a) Configuración 1 b) Configuración 2 
Figura 2.3. Intercambio de módulos para la reconfiguración de la máquina mostrada 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 21 
CAPITULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
a) Configuración 1 bl Configuración 2 
Figura 2.4. Reconfiguración de una máquina mediante funciones de reconfiguración integradas 
2.4. SISTEMAS DE MANUFACTURA MINIATURA 
En general, el termino microfábrica es una filosofía global para reducir al mínimo los 
sistemas de producción para cumplir con la fabricación de los productos que 
correspondan a dimensiones miniaturas [Heikkila, R.H. et al. 2007). Microfábricas y 
fábricas de escritorio son términos normalmente utilizados para describir los sistemas 
de fabricación altamente miniaturizados y equipos (ver Figura 2.5). 
Microtaclory - Desktop Syslem 
____ /Parce Supptr Unll 
Figura 2.5. Ejemplo de un sistema de micro fabricación (microfábrica o fábrica de escritorio) 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 22 
CAPÍTULO 2 REVISIÓN DE LA LITERATURA 
2.4.1. VENTAJAS DE UN SISTEMA MINIATURA 
Con base en la literatura, multiples ventajas se han relacionado con los sistemas de 
produccion miniatura. De acuerdo con Okazaki [Okazaki, Y., 2010], las ventajas se 
pueden clasificar en cuatro grupos: ventajas ecológicas, ventajas economicas, ventajas 
técnicas y las ventajas en el aspecto humano. La siguiente tabla enumera las ventajas 
y las relaciona con algunas evidencias empíricas identificadas (ver Tabla 2.3). 
Tabla 2.3. Ventajas de los sistemas de mecanizado miniatura según varios autores 
Ventaja Evidencia Empírica 
1. Ecológica Ashida et al. 2010 
A. Energía y ahorro de recursos Kaneko et al. 201 O 
B. Reducción de calor, vibración, ruido y desperdicios Endo,2010 
c. Control local del medio ambiente Escribano Gime no, 201 O 
2. Económica Ashida et al. 201 O 
A. Costo reducido de funcionamiento Kaneko et al. 2010 
B. Uso eficiente de espacio Barkley, 2009 
C. Mejora la portabilidad del equipo 
D. Reconfigurabilidad y escalabilidad 
E. Rápido tiempo de ajuste (ramp-up) 
3. Aspecto Técnico e Ingenieril Ashida et al. 2010 
A. Rápida velocidad de reconfiguración Barkley, 2009 
B. Precisión debido a la poca manipulación que tiene Ogawa, 2010 
C. Productividad (diseño paralelo) Endo,2010 
D. Procesamiento pieza por pieza 
E. Integración de proceso 
4. Aspecto Humano 
A. Más fácil uso 
B. Aplicaciones en educación 
C. Armonía hombre-máquina 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 23 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
CAPÍTULO 3. ESTADO DEL ARTE 
3.1. INTRODUCCIÓN 
Los sistemas de manufactura miniatura son relativamente nuevos; países pioneros en 
estudios, investigaciones y desarrollos como Japón, Corea, Estados Unidos y algunos 
países de la Unión Europea han realizados diferentes aportaciones y propuestas durante 
las últimas dos décadas; el reto es abordar equipos capaces de construir piezas 
miniatura partiendo de una idea central que es la de construir sistemas de producción 
que coincidan con las dimensiones del producto deseado, además de facilitar la 
flexibilidad, reconfigurabilidad y portabilidad (características deseables en una celda de 
manufactura convencional) dejando atrás la producción de este tipo de piezas con 
máquinas-herramienta convencionales. El desarrollo de este tipo de sistema de 
manufactura conlleva a beneficios inevitables: el desarrollo de sistemas a bajo costo, el 
ahorro de recursos (material-espacio-energía), la ergonomía de productos, y el 
compromiso de responsabilidad social hacia el medio ambiente, son algunos por 
mencionar. 
En la actualidad el acelerado incremento y avance tecnológico demanda a mayor medida 
el uso de partes mecánicas miniatura a escalas micro e incluso nano. Cada vez son más 
los sectores industriales que necesitan de la producción de estas partes; industrias como 
la electrónica, biomédica, aeronáutica y de sistemas de defensa son algunos de los 
potenciales usuarios. En el sector educativo se demanda la participación de este tipo de 
sistemas para su enseñanza debido a su viabilidad en costos, flexibilidad, 
reconfigurabilidad, y portabilidad. 
En los últimos años instituciones de diferentes países han venido haciendo esfuerzos en 
investigación sobre microfábricas y micro máquinas-herramienta con elementos 
reconfigurables; se han logrado importantes avances a través de los diferentes sectores 
y enfoques diversificados dirigidos a las aplicaciones prácticas de fabricación; términos 
como "máquinas-herramienta de escritorio", "máquinas-herramienta de bolsillo", 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 24 
CAPÍTULO 3 ESTADO DEL ARTE 
"máquinas-herramienta portátiles", así como "micro máquinas-herramienta hibridas" y 
"micro máquinas-herramienta reconfigurables" han surgido como respuesta a estos 
esfuerzos, logrando resultados destacados como la reducción del tamaño, y ahorros de 
energía, espacio de trabajo y recursos materiales, además de aportar al cuidado del 
medio ambiente; gracias a estas investigaciones y a su viabilidad de integrar un sistema 
de manufactura surgió el término de "micro fabricación", a continuación se muestra la 
distribución geográfica actual de los trabajos, desarrollos e investigaciones académicas 
realizados al momento en tópicos relacionados a sistemas de micro fabricación (ver 
Figura 3.1 ). 
Figura 3.1. Distribución geográfica actual de las investigaciones 
relacionadas con sistemas de micro fabricación 
Las referencias literarias están basadas principalmente de artículos en conferencias, 
journals, revistas y libros. 
3.2. CURVA-S DE SISTEMAS DE MICRO MANUFACTURA 
Anssi Nurmi [Nurmi, A., 2012] hace un análisis acerca de la Curva-S de los micro 
sistemas de manufactura donde muestra que existen investigaciones de introducción y 
avances de esta nueva tecnología de producción; sin embargo aún estos desarrollos 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 25 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
tecnológicos aparecen al inicio de la Curva-S y su desarrollo es sistemático; de acuerdo 
a la demanda de esta tecnología la producción de estos sistemas son relativamente 
lentos debido a que aún es una área poco explorada para el contexto de manufactura 
moderna. 
Entonces se puede determinar que actualmente nos encontramos en un proceso de 
aprendizaje (curva muy plana) lo cual demorará un par de años el inicio de esta 
tecnología, a medida de que se observe el límite de la tecnología, y de esta forma una 
vez determinado el aprendizaje (curva plana) se obtendrán mayores resultados 
significativos (ver Figura 3.2). 
El ciclo de vida consta de tres fases principales (fases 1-111). 
Fase I, después de la invención se necesita algún tiempo para 
que las nuevas tecnologías lleguen al mercado, ya que los 
clientes y los desarrolladores son conscientes de sus 
beneficios. Múltiples tecnologías competidoras pueden existir 
en el mercado.Fase 11, una vez establecida la tecnología, se inicia la fase de 
desarrollo incremental. Cada vez son más los desarrolladores 
trabajan en la tecnología y se desarrolla, de manera 
exponencial. 
Fase 111, en esta fase la tecnología alcanza su limitación. El 
desarrollo disminuye y se satura. 
Figura 3.2. Curva-S de sistemas en micro manufactura [Nurmi, A., 2012) 
Hasta ahora, los sistemas de micro manufactura han alcanzado el interés de sólo un 
cierto grupo de académicos y compañías. De acuerdo con investigaciones, los 
principales factores que impiden la investigación y desarrollo de estos sistemas es que 
se carece de los subsistemas miniatura que incluyen estos, por ejemplo: cámaras, pinzas 
(grippers), mecanismos, sistemas de control, etc. En consecuencia, emergen pocos 
sistemas de micro manufactura. Para las academias y las compañías, el costo, la calidad 
y la robustez son algunas de las mayores preocupaciones y retos que tienen para la 
creación de estos sistemas. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 26 
CAPÍTULO 3 ESTADO DEL ARTE 
3.3. DESARROLLOS DE MICROFÁBRICAS Y FÁBRICAS DE ESCRITORIO 
La idea original del concepto de "Microfábrica" nació de una investigación realizada en 
Japón en los 90's a partir del cual fue creado el Centro de Micro Maquinado (MMC) en el 
año de 1998 [Okazaki, Y., et al., 2004]. Entre los años 1991 y 2000, universidades, 
centros de investigación y corporaciones han venido investigando y desarrollando en 
términos de "tecnologías para micro maquinado" donde han tenido como principales 
metas el ahorro de consumo de energía y recursos económicos. Gracias a esos 
esfuerzos nacieron los conceptos de "máquinas de escritorio", "máquinas palm-top" y 
"fábricas móviles". Posteriormente, se han introducido diferentes conceptos como lo son 
los sistemas de producción altamente miniaturizados y unidades de mecanizado. 
Después, temas tales como sistemas modulares [Okazaki, Y., et al., 2004], modelos 
virtuales [Rizzi, A.A., et al., 2001], salas limpias [Verettas, l., et al., 2005] y manufactura 
de alta precisión [Clévy, C., et al., 2008] han sido incluidos en las investigaciones acerca 
de microfábricas. 
Los términos "microfábrica" y "fábricas de escritorio" son normalmente usados para 
describir a los sistemas de manufactura y equipos miniaturizados para fabricación. En 
ese contexto los conceptos "minifábrica" y "fábrica portátil" son algunos de los más 
conocidos, estos términos podrían referirse también a impresoras 30 [DTF, 2011] o 
infraestructura de software [Rosenthal, M., 2008]. 
Dentro de las investigaciones en sistemas de manufactura, el prefijo "micro" se refiere al 
tamaño miniaturizado del equipo o sistema de manufactura. El término "fábrica de 
escritorio" actualmente es una marca registrada (Desktop Factory®) por NIDEK de la 
compañía japonesa Sankio que durante los últimos años se ha dedicado a realizar 
investigaciones relacionadas a sistemas de manufactura miniatura. 
En investigaciones académicas, se han desarrollado propuestas bajo los términos 
microfábrica y fábrica de escritorio. En la industria el avance en manufactura 
miniaturizada sigue siendo imperceptible. Actualmente en el mercado existen sistemas 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 27 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
de micro fabricación, robots autónomos miniatura para celdas de manufactura, así como 
unidades de maquinado e impresoras 30. A continuación se hace un resumen de las 
investigaciones académicas y sistemas comerciales que se encuentran en la actualidad 
así como un análisis de la brecha que existe entre ellos. 
3.3.1. CONCEPTOS DE MICROFÁBRICAS, INVESTIGACIONES ACADÉMICAS 
Bajo los términos "microfábrica" y "fábrica de escritorio" se tienen identificados diferentes 
conceptos que han sido desarrollados: 
1. Microfábrica de Manufactura 
2. Máquinas-Herramienta Miniaturizadas 
3. Máquinas-Herramienta Reconfigurables 
3.3.1.1. MICROFÁBRICAS DE MANUFACTURA 
En la siguiente tabla se puede apreciar los cinco conceptos que se tienen identificados 
en el contexto de microfábricas de manufactura (ver Tabla 3.1 y Figura 3.3). 
Tabla 3.1. Microfábricas desarrolladas como sistemas pequeños de producción 
AÑO PAÍS CONCEPTO INSTITUTO AUTORES 
1994 Jp. Micrófábrica Experimental MMC 
-Ata ka 
-Ogawa 
1998 Jp. Microfábrica portátil AIST (MEL) 
-Kitahara et al. 
-Tanaka 
2002 Fin. Microfábrica TOMI TUT -Tuokko et al. 
-Tuokko 
2006 E.U. Microfábrica Autónoma de lllinois UIUC -Honegger et al. -Honeqqer et al. 
2007 Kr. Microfábrica Mosaico KIMM -Park et al. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 28 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
Figura 3.3. Microfábrica por MMC [Ataka, 1999], Microfábrica Portátil [Tanaka, 2001], Microfábrica TOMI [Tuokko, 
2000], Microfábrica Autónoma de lllinois [Honegger et al., 2006ª, 2006b], Microfábrica Mosaico [Park et al., 2007] 
El Centro de Micro Maquinado (MMC) fue propuesto en 1988 [Ataka, 1999]. Entre 1991 
y 2000, universidades nacionales, centros de investigación, y organizaciones trabajaron 
en el proyecto "Tecnología en Micro Máquinas". Las investigaciones fueron basadas en 
la idea de que una máquina-herramienta miniatura podría ser necesitada cada vez más 
para producir micro piezas y máquinas. El ahorro de energía y economía fueron variables 
motivadoras para el desarrollo de esta propuesta. Las dimensiones de este sistema son 
600mmX650mmX750mm. El sistema cuenta con una unidad de transporte, una unidad 
de procesamiento (que incluye un dispositivo de mecanizado electroquímico, micro 
bombas y un dispositivo de reconocimiento) y una unidad de ensamble (que incluye dos 
micro-manipuladores robóticas, etapa de precisión y varias herramientas de trabajo). 
La microfábrica portátil fue diseñada para ser empacada dentro de una maleta y de esta 
forma poder demostrar su portabilidad [Tanaka, 2001]. Las dimensiones externas que 
tiene la microfábrica portátil son: 625mm de longitud, 490mm de anchura, 380mm de 
altura y 34 Kg de peso, requiere de una sola alimentación de voltaje de 100 V. AC y el 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 29 
CAPÍTULO 3 ESTADO DEL ARTE 
consumo de energía es de 60 W durante su funcionamiento; cuenta con tres cámaras 
miniatura que están montadas en cada máquina herramienta las cuales permiten 
monitorear al operario el mecanizado de las piezas a través de una pantalla LCD, el 
operario también cuenta con dos palancas de mando Uoysticks) y un botón de presión 
que son usados para operar el equipo. 
Uno de los primeros conceptos propuestos de microfábrica fuera de Japón fue realizado 
por el instituto TUT en Finlandia en el año 2000 [Tuokko, 2000]. La microfábrica de mini 
y micro ensamble denominada TOMI (Towars Mini and Macro Assembly Factories), fue 
el proyecto piloto para TUT en investigación de microfábricas. La meta de este proyecto 
es poder desarrollar un sistema de ensamble integrado para productos miniaturizados. 
Las dimensiones del sistema son de 1800mmX500mm y todas las fases de ensamble 
fueron puestas en un solo módulo. 
En 2006 Honegger et al. [Honegger et al., 2006ª, 2006b], de la Universidad de lllinois 
presentaron un prototipo que incluye diferentes sistemas de micro-fabricación que se 
caracteriza por ser flexible, modular, automático, portátil, y con grandes índices de 
precisión. La micro máquina-herramienta que incluye proporciona una plataforma flexible 
en la cual el husillo se acopla fácilmente para convertir su proceso de manufactura en 
torneado, mecanizado laser, entre otros. La convertibilidad de la máquina también se ve 
facilitada debido a la alta aceleración, rigidez, y precisión en los movimientos. El sistema 
cuenta con un manipulador robótica configuración cartesiana que tiene 1 mX 1 mX0.4m de 
volumen de área de trabajo; es el encargado de transferir la materia prima, piezas 
procesadas, y sensores de máquina a máquina. 
El Instituto de Maquinaría y Materiales de Corea (KIMM) desarrollo su primer microfábrica 
en el año 2006 [Park,J., et al., 2007]. El sistema que proponen está compuesto por una 
micro-máquina fresadora, una máquina de descarga eléctrica, un manipulador robótica, 
y una estación de ensamble; el conjunto de estas estaciones de trabajo se le denominó 
MOSAICO. Las estaciones cuentan con bases especiales para ser soportadas en el 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 30 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
suelo. El caso de estudio de funcionamiento de la microfábrica fue para la fabricación de 
un módulo de micro-bomba. 
3.3.1.2. MÁQUINAS-HERRAMIENTA MINIATURIZADAS 
En la siguiente tabla se puede apreciar los seis conceptos de máquinas-herramienta 
miniaturizadas que se tienen identificadas (ver Tabla 3.2 y Figura 3.4). 
Tabla 3.2. Microfábricas desarrolladas como unidades miniaturizadas de maquinado 
1998 JP. Micro-torno MEL -Kitahara et al. 
2001 JP. Má uina de escritorio multifuncional AIST -Kurita et al. 
2 00 JP. Micro-torno CN AIST -Okazaki Kitahara 
2001 JP. Fresadora CN de escritorio 200kr m AIST -Okasaki et al. 
2004 JP . Fresadora CN de escritorio 300kr m AIST -Okazaki 
2004 MEX. Micro má uina-herramienta 1 ra Generación UNAM -Ruiz-Huerta et al. 
Figura 3.4. Micro Torno [Kitahara et al., 1998], Máquina-Herramienta de escritorio Multifuncional [Kurita, T., et al., 
2001], Micro Torno CN [Okasaki y Kitahara, 2000], Fresadora CN [Okazaki et al., 2001]; Fresadora CN 11 [Okasaki, 
2004] Micro Máquina-Herramienta Mexicana de primera generación [Ruiz-Huerta et al., 2004)] 
JHONAlTAN MIRANDA MENDOZA 31 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
En 1996 se realizó el primer prototipo de micro torno con una dimensión de tan solo 
32mmX25mmX30.5mm, el cual fue considerado con gran capacidad de corte en metales, 
y con sustanciales efectos en ahorros energéticos; en el año el prototipo evolucionó al 
implementarle un control numérico convencional. Dado el pequeño tamaño de las 
máquinas se comprobó la flexibilidad para reconfiguración de sus componentes de 
acuerdo a las especificaciones de producción y control [Kitahara et al., 1998). 
La reducción de tamaño de máquinas-herramienta también dio lugar al desarrollo de 
unidades de mecanizado multifuncionales. En el año 1999, un prototipo de unidad de 
mecanizado multifuncional fue desarrollado por el Instituto Nacional de Ciencia Industrial 
y Tecnología Avanzada (AIST). La máquina-herramienta cuenta con cinco unidades 
intercambiables: alta, media, y baja velocidad de husillo, unidad de láser, unidad de 
irradiación, y la unidad de actuador piezoeléctrico; cuenta con una dimensión de 
557mmX604mmX655mm y un peso de 80 kg. Como resultado de esta investigación 
múltiples variantes de mecanizado han surgido: fresado, taladro, pulido y mecanizado 
láser [Kurita, T., et al., 2001). 
Del 2001 al 2004 la AIST continuó con el desarrollo de máquinas fresadoras miniatura 
realizando avances en el tamaño y en la velocidad del husillo. Las dimensiones de la 
máquina-herramienta tuvieron como resultado una medida de 450mmX300mmX380mm, 
con un peso de 42 kg y una velocidad máxima es de hasta 200,000 rpm en su primera 
generación y de hasta 300,000 rpm en su segunda generación, el sistema incluyó un 
control numérico por computadora con una resolución de 0.1 µm. El consumo de energía 
va de los 120 W a los 400 W [Okazaki, Y., 2004). 
En México en el año 2000 Ruiz-Huerta et al. [Ruiz-Huerta, L., et al., 2004), de la 
Universidad Autónoma de México (UNAM) realizaron las primeras investigaciones 
referentes a sistemas de micro-fabricación con elementos reconfigurables; proponen una 
micro máquina-herramienta de primera generación para la creación de micro celdas de 
manufactura. Las máquinas-herramienta tienen una dimensión de 
130mmX160mmX85mm, incluye tres ejes de movimiento (X, Y, y Z), son controladas vía 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 32 
CAPfTULO 3 ESTADO DEL ARTE 
computadora y cuanta con una resolución de corte de 1.8µm; proponen una micro-celda 
de manufactura compuesta al menos de dos micro máquinas-herramienta y por al menos 
un manipulador robótica. En su investigación destacan que la base característica de su 
propuesta es la flexibilidad en la producción y su bajo costo. En 2006 el mismo grupo de 
la UNAM propuso el uso de diversos tipos de tecnologías convencionales mecánicas 
para producir dispositivos micro mecánicos, además de fundamentar los sistemas a 
través de generaciones de dispositivos; concluyendo que cada nueva generación debe 
ser producida con generaciones anteriores hasta lograr producir generaciones de micro 
máquinas-herramienta con tamaño miniatura. 
3.3.1.3. MICRO MÁQUINAS-HERRAMIENTA RECONFIGURABLES 
En la siguiente tabla se puede apreciar los tres conceptos de micro máquinas-
herramienta reconfigurables que se tienen identificadas (ver Tabla 3.3 y Figura 3.5). 
Tabla 3.3. Microfábricas desarrolladas como unidades miniaturizadas de maquinado 
AÑO PAÍS CONCEPTO INSTITUTO AUTORES 
Micro Máquina-Herramienta Reconfigurable Chagwon 
2008 Corea 
para Microfábricas 
National -Sung-Hyun Jang et al. 
University 
2010 Corea Sistema de Microfábrica KIMM KIMM -Jonq-Kweon et al. 
2008 Austria Máquina-Herramienta Reconfigurable UNIMAT The Cool Tool -The Cool Tool® 
Figura 3.5. Micro Máquina-Herramienta Reconfigurable [Sung-Hyun Jang et al., 2008], Sistema de Microfabricación 
KIMM [Jong-Kwron et al., 2010], Máquina-Herramienta Reconfigurable [The Cool Tool®J 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 33 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
Sung-Hyun Jang et al., en 2008 [Sung-Hyun Jang, et al., 2008) propusieron una micro 
máquina-herramienta reconfigurable que puede ser reconfigurada de una fresadora a 
torno y viceversa. El diseño estructural de la máquina-herramienta se basó en un método 
teórico para la realización de máquinas-herramienta modulares y reconfigurables en su 
etapa de diseño preliminar. La fresadora y el torno cuentan con la suficiente rigidez para 
lograr un buen funcionamiento. La fresadora cuenta con tres ejes de movimiento y su 
tamaño tiene una dimensión de 300mmX200mmX320mm con un volumen de área de 
maquinado de 10x10x10mm3. 
Una de las últimas máquinas-herramientas reconfigurables identificadas fue propuesta 
nuevamente por el Instituto de Maquinaría y Materiales de Corea en el año 201 O [Jong-
Kwron, et al., 2010]; en esta máquina-herramienta reconfigurable fueron utilizados 
componentes como: actuadores neumáticos para los ejes de movimiento que son de 
tamaño miniatura (movimientos lineales), un husillo miniatura de alta velocidad que utiliza 
cojinetes neumáticos y magnéticos, dispositivos de sujeción específicos para micro-
herramientas y piezas de trabajo, sensores ópticos para el control de los ejes y husillo, y 
un sistema de control numérico que incluye algoritmos de control flexibles. 
La comparna austriaca The Cool Tool® desarrolló y comercializó una máquina-
herramienta reconfigurable llamada UNIMAT, la cual cuenta con un mandril metálico de 
tres mordazas para la fijación de la pieza de metal, sujetadores para el exacto 
posicionamiento del HSS-herramienta de torno, y tres guías para ajuste de trayecto o 
recorrido del trabajo a realizar, en cualquier posición así como en ángulo. UNIMAT ha 
ido evolucionando a nuevas generaciones permitiendo mayor robustez en su estructura 
así como la incorporación de nuevas funcionalidades. UNIMAT permite principalmente 
configuraciones de fresadora (vertical y horizontal), taladro y torno. 
JHONATTAN MIRANDA MENDOZA 34 
CAPITULO 3 ESTADO DEL ARTE 
3.3.1.4. OTRAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA RELACIONADAS 
La evolución de las metodologías para el diseño y la conceptualización de micro 
máquinas-herramienta no han evolucionado a la misma velocidad que lo ha hecho el 
desarrollo de prototipos y micro máquinas-herramienta de carácter comercial. Los 
autores en este campo de investigación han trabajado desarrollando varios tipos de micro 
máquinas-herramienta, basado en las reglas típicas de las máquinas-herramienta 
convencionales o de la escala