El Laboratorio de Fabricación (perteneciente al Departamento de Ingeniería Mecánica de la ETSII) es un espacio en el que el alumno puede interactuar con máquinas, equipamiento e instrumentos utilizados en la industria. Con este objetivo, se propone un proyecto de innovación educativa, en el que los alumnos aprenderán a configurar una línea automática de montaje utilizando tecnologías similares a las que se emplean en líneas de montaje industriales.  La finalidad es que los alumnos adquieran conocimientos del ámbito de la fabricación enfrentándose a un problema real, aunque a una escala reducida. Para cumplir con el objetivo y finalidad planteados, se va a diseñar  un conjunto de prácticas relativas a una línea automática de montaje, cada práctica estará adaptada a los objetivos docentes de una o varias asignaturas, pertenecientes al grado GITI (05TI), máster MII (05AZ) y máster MIM (05AT), para de esta forma, hacer llegar el conocimiento a un mayor número de alumnos. La línea automática de montaje, a la que se hace referencia en este proyecto, dispone de seis puestos y se ha venido diseñando e implantando desde hace varios años en el Laboratorio de Fabricación con fondos del laboratorio. Teniendo en cuenta su estado actual de implantación, consideramos que es el momento adecuado para solicitar este proyecto y abordar su finalización, prueba y puesta en marcha completa. Con este proyecto se busca poder financiar:

• En primer lugar, dos alumnos que ayuden en la finalización de la implantación y prueba de la línea, y en la prueba y validación de las prácticas definidas.
• En segundo lugar, la adquisición de material fungible para finalizar la implantación y mantener la operación de la línea.

Destacar que se ha planteado el diseño de la línea teniendo en cuenta diferentes tecnologías para la manipulación de los distintos elementos. De esta manera el alumno podrá conocer e investigar con distintos métodos reales que se están aplicando a nivel industrial. Para conseguir este objetivo, la línea está compuesta por 6 estaciones:

• Estación 0: Cinta de transporte
• Estaciones 1-4: Puestos de montaje
• Estación 5: Paletizado

El principio de funcionamiento de la línea automática se basa en realizar el montaje de distintos componentes que conforman un producto. El producto y sus componentes son una versión simplificada de productos industriales (p. ej. un motor eléctrico, una reductora de velocidad), considerando un máximo de cuatro componentes. De esta forma, hay cuatro estaciones de montaje (1-4) en las que se monta un componente distinto. Por su parte, la estación 0 es la encargada del funcionamiento de la propia línea y permite el desplazamiento del soporte sobre el que se sitúa un utillaje que permite el montaje del componente base de cada producto en la estación 1. El soporte se va desplazando de un puesto a otro una vez finalizado el montaje correspondiente en cada puesto. Finalmente, la estación 5 es la encargada de depositar en una bandeja con separaciones cada uno de los productos correctamente montados.

La línea se ha diseñado de forma que el modo en el que se manipulan los componentes individuales es distinto en cada estación de montaje, consiguiendo así la versatilidad buscada de cara a mostrar al alumno distintas alternativas existentes en las líneas industriales. Esta aproximación permite que los alumnos conozcan, experimenten e investiguen con distintas tecnologías.

Para tener un máximo aprovechamiento de la línea de cara a la docencia, y considerando situaciones industriales similares, se han diseñado dos tipos de familias de productos. Una familia con un componente contenedor cilíndrico (F1) y una familia con un componente contenedor básicamente prismático (F2). Esto condiciona, en última instancia, el posicionamiento del componente de tipo contenedor sobre un utillaje universal diseñado al efecto. El utillaje va fijado sobre un soporte base que se desplaza por la línea de montaje. A su vez, cada familia agrupa a diferentes tipos de productos simplificados. Por ejemplo, actualmente, la familia F1 tiene un motor eléctrico y un captador con placa de circuito; la familia F2 tiene un reductor de velocidad con ejes verticales y un reductor de velocidad con ejes horizontales. Cada familia de productos está compuesta por cuatro componentes simplificados que tienen formas y dimensiones diversas, y serán manipulados en las estaciones de montaje. Emulando situaciones industriales, la línea está diseñada con un grado de flexibilidad que permite manipular los distintos componentes. Esto implica que hay que configurar o preparar la línea cada vez que se desea montar un tipo de producto, similarmente a lo que sucede en una instalación industrial. Con este concepto, se busca que:

• El alumno sea consciente del tiempo y las operaciones de preparación.
• El alumno analice el montaje de cada producto, sus componentes y su secuencia.
• El alumno defina el funcionamiento (tareas básicas) de cada estación para conseguir que cada puesto funcione correctamente y pueda realizarse con éxito el montaje de cada componente.
• El alumno identifique y ajuste físicamente ciertos parámetros en cada estación de la línea de montaje (p. ej. posición de fines de carrera o topes para limitar recorridos de movimiento, orientación de pinzas para coger y depositar un componente, posición de sensores inductivos de presencia).
• El alumno programe cada uno de los autómatas programables (PLCs) que controlan el funcionamiento de cada estación.
• El alumno entienda y experimente el impacto que cada una de las estaciones tiene sobre el conjunto de la línea de montaje.

El desarrollo de este Proyecto de Innovación Educativa persigue concluir la implantación de una línea automática de montaje para desarrollar prácticas que hagan uso de la misma. El objetivo es proporcionar a los alumnos un recurso físico que les permita experimentar, investigar y realizar pruebas cercanas al mundo industrial, y de esta forma mejorar sus capacidades de empleabilidad.

Para alcanzar este objetivo principal se plantean una serie de subobjetivos secundarios:

• Concluir el montaje de las estaciones 2 y 4. Dichas estaciones están diseñadas a nivel mecánico y están montadas, pero aún falta instrumentarlas para dotarlas de sensores que permitan seguir la evolución del proceso a realizar. También es necesario, implementar la programación de sus autómatas programables para poder accionar cada uno de los elementos neumáticos que actúan sobre los accionamientos para la manipulación de los componentes.
• Realizar el diseño mecánico de la estación 3, en base a unas especificaciones ya definidas, para mantener la premisa de que cada puesto utilice una tecnología diferente para la selección y manipulación de piezas.
• Instrumentar y programar la estación 3 para integrarla en el conjunto de la línea.
• Integrar todas las estaciones, verificar y validar el funcionamiento de la línea completa.
• Definir y validar un conjunto de prácticas que añadan valor y capacidades de empleabilidad al aprendizaje de los alumnos.

Adicionalmente, se plantea también como objetivo una propuesta innovadora de continuidad futura, cuya finalidad será la creación de un gemelo digital de la línea física. Esta propuesta futura será planteada en un PIE para el año académico 2023-2024, e implica varias tareas principales:

• Implementar un subsistema de comunicaciones que permita capturar datos de los sensores y controles de la línea durante la ejecución física de las tareas de montaje.
• Desarrollar un modelo digital de la línea completa. Parte de la información necesaria, modelos geométricos 3D, se completará durante el desarrollo del presente proyecto.
• Conectar e integrar el subsistema de comunicaciones con el modelo digital de la línea.

El objetivo futuro es realizar prácticas donde los alumnos puedan:

• Monitorizar, mediante un cuadro de mando, en tiempo real, el funcionamiento de la línea.
• Comandar la línea desde el sistema de monitorización y control.
• Utilizar datos de la línea física real para realizar simulaciones.

El aspecto innovador de esta propuesta futura es que los alumnos experimenten e investiguen tecnologías relacionadas con el gemelo digital y la industria 4.0 o industria conectada y de esta forma incrementar la empleabilidad de los alumnos.

Una de las carencias más remarcadas por los alumnos es la falta de prácticas que les permitan tener un acercamiento y experimentar con soluciones utilizadas en la industria. La línea automática de montaje que se plantea en este proyecto contribuirá a reducir esas carencias y a incrementar el conocimiento de los alumnos en varias asignaturas para aumentar su futura empleabilidad. La flexibilidad y versatilidad de la línea de montaje, se utilizará para definir y realizar prácticas en distintas asignaturas. Se considera que este aspecto práctico de planta es un elemento que enlaza con los contenidos teóricos y ejercicios actualmente impartidos, y contribuye a la mejora de la calidad docente.

La contribución a la mejora de la calidad se puede ampliar mediante la propuesta de continuidad futura, que persigue implementar un sistema de gemelos físico y digital para que los alumnos experimenten con tecnologías actuales de la industria 4.0 o industria conectada. De esta forma, se definirían nuevas prácticas orientadas a los nuevos desafíos presentes en la industria de fabricación actual. Así, el alumno experimentará tanto el aspecto físico como el virtual, entenderá la necesidad de trabajar en los dos ámbitos y la manera en que los dos ámbitos, físico y virtual, se interrelacionan.

1. Diseño y programación de la estación 3:
   1. Diseñar, fabricar, montar y verificar el correcto funcionamiento mecánico de la estación 3.
   2. Instrumentar la estación añadiendo los sensores y actuadores necesarios.
   3. Implementar la programación del puesto acorde a la funcionalidad del mismo.
   4. Verificar el funcionamiento de la estación 3.
2. Instrumentación y programación de las estaciones 2 y 4:
   1. Añadir los sensores y actuadores necesarios para instrumentar la estación 2.
   2. Programar la estación 2 acorde a su funcionalidad.
   3. Verificar el funcionamiento de la estación 2.
   4. Añadir los sensores y actuadores necesarios para instrumentar la estación 4.
   5. Programar la estación 4 acorde a su funcionalidad.
   6. Verificar el funcionamiento de la estación 4.
3. Prueba y validación de la línea de montaje completa:
   1. Verificar la correcta integración de cada una de las estaciones en la línea de montaje.
   2. Verificar el sistema completo de la línea con todos los puestos en funcionamiento.
   3. Realizar pruebas de validación de la línea completa.
4. Diseño y redacción de prácticas:
   1. Clasificar las prácticas posibles y definir su correspondencia con los objetivos docentes de las asignaturas donde se impartirán. Analizar cuáles son los aspectos relevantes que puede aportar cada una de las prácticas de acuerdo con el temario de las asignaturas donde van a desarrollarse.
   2. Definir los guiones de prácticas para cada una de las asignaturas.
   3. Verificar y validar los guiones de prácticas comprobando que las tareas a desarrollar en cada una de las prácticas son factibles y que se adaptan, en tiempo y forma, a lo previamente diseñado.
5. Realización de prácticas con estudiantes y estudio del impacto docente.
   1. Realización de las prácticas por un grupo piloto de estudiantes formado por la totalidad de los alumnos de la asignatura de Mecatrónica (Máster en Ingeniería Industrial – 05AZ).
   2. Verificar y analizar los resultados docentes de las prácticas y la realimentación de los alumnos. Comprobar que los resultados obtenidos tras la realización de las prácticas permiten que el alumno adquiera los conocimientos para los cuales han sido elaboradas y que se adaptan, en tiempo y forma, a lo previamente diseñado.
   3. Mejorar las prácticas según conclusiones del análisis de resultados. En caso de que sea necesario, mejorar las prácticas teniendo en cuenta las conclusiones extraídas tras la prueba llevada a cabo con el grupo piloto de alumnos.
6. Creación de contenidos de diseminación y divulgación.
   1. Creación de material divulgativo: contenido textual y gráfico para la página web del Grupo de Fabricación (http://fabricacion.industriales.upm.es/) y para la página del laboratorio en la comunidad researchgate.net. Vídeos ilustrativos del funcionamiento de la línea. Los vídeos estarán disponibles en la página web del Grupo de Fabricación. Se utilizarán también como material introductorio para los alumnos que realicen prácticas en la línea de montaje.
   2. Preparación de artículo para revista. Se han identificado las siguientes categorías en el JCR: Education, Scientific Disciplines; Engineering, Mechanical; Engieering, Multidisciplinary; Education & Educational Research. De entre dichas categorías, se han identificado las siguientes revistas posibles: Intl. J. of Mechanical Engineering Education, Intl. J. of Engineering Education, European J. of Engineering Education y J. of Engineering Education.

En la figura siguiente se recoge el cronograma propuesto para el proyecto:

Cronograma del proyecto

El seguimiento se aplicará a los resultados, indicados en el apartado siguiente, y tomando como referencia las fechas de finalización de las tareas indicadas en el cronograma del apartado anterior. En la tabla siguiente se resume el seguimiento que se aplicará en el proyecto y los participantes en cada tarea.

Tabla de seguimiento y control

Al tratarse de un proyecto en el que participan diferentes personas, se utilizará un equipo en Teams para mantener los registros de reuniones telemáticas, fijar en el calendario los hitos de los entregables y almacenar la documentación generada a lo largo del proyecto: actas de reuniones, documentos de trabajo, entregables.

La evaluación del proyecto tiene varios aspectos:

1. Evaluación del diseño e implementación de la línea de montaje. Comprende la evaluación física de los diseños mecánico, control y programación. Dicha evaluación física se realizará tomando como referencia el correcto montaje de los productos que se han considerado para la línea.
2. Evaluación de las prácticas definidas por parte del equipo del proyecto. Los alumnos becarios del proyecto ejecutarán las prácticas definidas, lo que permitirá validar la corrección del guión de prácticas y su duración, así como anticipar y corregir problemas que pudieran surgir durante su ejecución.
3. Evaluación de las prácticas definidas para la asignatura de Mecatrónica por parte de los alumnos. Esta asignatura se imparte en el primer semestre del curso 2023-2024. La ejecución de las prácticas, por parte de los alumnos, permitirá realizar una validación final de las mismas, así como evaluar si se alcanzan los objetivos docentes que se persiguen.
4. Evaluación y seguimiento de los contenidos de diseminación y divulgación.

El resto de las asignaturas en las que se realizarán prácticas utilizando la línea de montaje se encuentran en el segundo semestre del curso académico 2023-2024. Esto permite disponer de tiempo para readaptar el resto de los guiones de prácticas, si fuera necesario, como consecuencia de los resultados de la experiencia piloto en la asignatura de Mecatrónica.

Durante la realización de este proyecto se generarán varios productos tangibles de distinta índole:

1. Prácticas innovadoras para el uso de una la línea de montaje como recurso industrial de aprendizaje.
2. Línea automática de montaje operativa y lista para ser utilizada por los alumnos en la realización de las prácticas.
3. Documentos técnicos orientados a la documentación de la línea de montaje:
   1. Planos de los diseños mecánicos de cada una de las estaciones.
   2. Esquemas eléctricos de conexionado.
   3. Códigos de programación de los autómatas programables.
   4. Repositorio con los componentes comerciales utilizados en la implementación de la línea.
4. Guías de usuario que definan aspectos funcionales y de conexionado para la puesta en marcha de la línea.
5. Actas de reunión para el correcto seguimiento del proyecto.
6. Otros documentos (informes de evaluación de prácticas, informes de seguimiento...).
7. Un artículo relacionado con la innovación docente de la línea y los resultados docentes obtenidos tras la realización de la primera tanda de prácticas por parte de un grupo piloto de alumnos.

El material divulgativo que se elaborará en el proyecto será:

1. Contenido textual y gráfico sobre el proyecto y sus resultados para la página web del Grupo de Fabricación (http://fabricacion.industriales.upm.es/) y en la página del grupo en la comunidad researchgate.net.
2. Vídeos ilustrativos del funcionamiento de la línea. Los vídeos estarán disponibles en la página web del Grupo de Fabricación, y se utilizarán también como material introductorio para los alumnos que realicen prácticas en la línea de montaje.
3. Artículo para revista del ámbito de la educación en ingeniería listada en el JCR. Se han identificado las siguientes revistas posibles: Intl. J. of Mechanical Engineering Education, Intl. J. of Engineering Education, European J. of Engineering Education y J. of Engineering Education.