Les societats modernes plantegen nous reptes que demanden noves maneres de tractar els projectes d'enginyeria. Els enginyers han d'afrontar aquests reptes i desenvolupar solucions òptimes i eficients pels problemes clàssics i nous. Els diferents avenços produïts en la tecnologia hi poden ajudar, però una nova manera de tractar els problemes enginyerils és també necessària, no considerant únicament les diferent especialitats de l'enginyeria aïlladament. En aquest context, podem parlar de la creació d'una nova filosofia de fer enginyeria: la Mecatrònica. La Mecatrònica s'ha definit com l'aplicació de decisions complexes a l'operació de sistemes físics. La Mecatrònica ha estat també definida com la integració o sinergia de diferents disciplines de l'enginyeria. Aquestes disciplines inclouen l'enginyeria mecànica, l'enginyeria elèctrica, l'enginyeria electrònica, l'enginyeria de control, les comunicacions industrials i l'enginyeria de software. No obstant, la importància del concepte no està únicament en la definició sinó a la filosofia que hi ha al fons. És important de veure, que la Mecatrònica no és només la suma dels resultats de diferents disciplines, sinó la filosofia enginyeril per afrontar els problemes com un de sol, fent servir les eines que subministren les diferents disciplines. La present tesi es divideix en dos parts que tracten problemes de diferent natura. La primera part es titula Regles de disseny i modelat d'actuadors per l'optimització de sistemes mecatrònics i es centra en proporcionar un anàlisis detallat de diferents actuadors utilitzant un procediment general, orientat a millorar el disseny de l'actuador. S'introdueix una nova metodologia per analitzar actuadors lineals electromagnètics i hidràulics modelitzant la seves magnituds mecàniques (força, treball i desplaçament) com a funcions de la geometria i les propietats del material, estudiant l'escalabilitat (en el sentit de produir la mateixa distribució de tensions i deformacions per diferents mides). La motivació de realitzar aquest treball neix de la necessitat d'estructures i sistemes lleugers i de volum reduït, que han de ser integrats en el procediment de disseny el més aviat possible. Per tant, s'estudien les relacions geomètriques, les proporcions i les propietats dels materials que maximitzen les magnituds mecàniques de sortida dels actuadors per un volum i pes limitat, així com l'escabilitat per la seva posterior integració en estructures. Els resultats són validats mitjançant anàlisi dimensional de les expressions obtingudes i comparant els resultats numèrics amb dades d'actuadors industrials. Es considera el comportament estàtic de diferents classes d'actuadors, incloent actuadors hidràulics i electromagnètics lineals. La segona part es titula Identificació i Control d'Actuadors Piezoelèctrics. Els actuadors piezoelèctrics estan demostrant ser una solució fiable per moltes aplicacions, des del microposicionament (màquines eina, dispositius òptics o microscopis moderns) al control actiu d'estructures. La principal motivació de la segona part de la tesis és aprofundir en models per representar el comportament histerètic dels actuadors piezoelèctrics per posteriorment aplicar els models al desenvolupament de controladors pels sistemes histerètics. Es desenvolupa inicialment un estudi general dels actuadors piezoelèctrics per després tractar la seva modelització. Degut a l'elevat comportament no-lineal observat es necessita un model d'histèresis. El model de Bouc-Wen ha estat escollit i s'ha treballat en la identificació dels paràmetres del model i la seva validació. Un cop el sistema ha estat modelat, s'olinebreak ha dissenyat un nou controlador lineal i s'ha implementat en una plataforma experimental utilitzant un DSP (Processador digital de senyal). Encara que les dues parts estan clarament diferenciades, la unitat de la tesis pot ser trobada a les arrels de la Mecatrònica. La tesis tracta la resposta a una sola pregunta: Com podem millorar un sistema mecatrònic? No obstant, la resposta és doble: Dissenyant i modelant actuadors òptims considerant el sistema o estructura complet i controlant el sistema adequadament fent servir els models desenvolupats. / Fast changing societies come up with new challenges that require new engineering approaches. Engineers have to face such challenges and provide novel and more efficient solutions to classical and new problems. This can be done by using different relevant advances produced in technology. Furthermore, a new way of addressing the engineering problems has to be applied, not considering only isolated engineering specialties. In this frame, we can talk about the creation of a new engineering philosophy: Mechatronics. Mechatronics has been defined as the application of complex decision making to the operation of physical systems. Mechatronics has been also defined as the integration or synergy of different engineering disciplines. Such disciplines may include Mechanical Engineering, Electrical Engineering, Electronics Engineering, Control Engineering, Industrial Communications and Software Engineering. Nevertheless, the importance of the concept does not lie only in the definition but in the philosophy behind it. It is very important to note that Mechatronics is not only the sum of the results of the different disciplines, but the engineering philosophy to face engineering problems as a whole, employing the tools provided by the different disciplines. The present thesis has been divided in two parts that deal with problems of different nature. The first part is titled Design Rules and Actuator Modeling for the Optimization of Mechatronic Systems and focuses on providing the detailed analysis of different actuators using a general procedure and oriented towards improving the actuator design. It introduces a new methodology to analyze linear electromagnetical and hydraulic actuators by modeling their maximum output mechanical quantities (force, work and stroke) as functions of the geometry and material properties and discusses the scalability (in the sense of producing the same stress and strain distribution for different sizes). The motivation to undertake such a work stems from the need for light and volume reduced structures and systems, which are to be integrated in the design procedure as early as possible. Hence, the geometric relationships, aspect ratios and material properties that maximize the actuator output quantities with a certain limited volume or weight, along with their scalability for the integration in structures are studied. A validation of the results is done by performing dimensional analysis of the expressions obtained and comparing numerical results with industrial actuator data. The static behavior of different classes of actuators is considered. Such actuators include linear hydraulic and electromagnetic actuators. The second part is titled Identification and Control of Piezoelectric Actuators}. Piezoelectric actuators are proving to be a reliable solution for many engineering applications, ranging from micro-positioning (machine tools, optic devices or modern microscopes) to active control of structures. The main motivation of this thesis part is to delve into models to represent the hystereticbehavior of piezoelectric actuators in order to apply them to the conception of controllers for such hysteretic systems. A general study of piezoelectric actuators is performed to later deal with the modeling of such actuators. Due to the high non-linear behavior observed, the problem of identifying and modeling the actuator requires a hysteresis model. The Bouc-Wen model has been chosen and investigations to identify its parameters and to validate the model have been undertaken. Once the system has been identified, a linear controller has been designed and implemented in a real platform, employing a DSP (Digital Signal Processor). Although the two parts are clearly differentiated, the thesis unity can be found in the roots of Mechatronics. The thesis deals with the response to one single question: How can we improve a mechatronic system? However, the answer is twofold: By designing and modeling optimum actuators taking into account the whole system or structure and by controlling the system appropriately using developed models.

L'òxid de zinc és un compost àmpliament utilitzat en la indústria del cautxú a causa de les excel•lents propietats que mostra com activador per a la vulcanització amb sofre. Malgrat les seves característiques superiors, hi ha una creixent preocupació sobre els seus efectes mediambientals i nombrosos estudis s’han portat a terme per tal de reduir els nivells de ZnO als compostos de cautxú o per a substituir-lo. Entre totes les alternatives propostes per reduir la quantitat d'òxid de zinc, l'ús de nanopartícules de ZnO amb una alta superfície específica sembla prometedor. Una altra proposta per reduir els nivells de ZnO que ha estat estudiada per nombrosos autors és l'ús d'altres òxids metàl•lics, com el CaO, MgO, CdO, CuO, PbO i NiO. En aquest treball, nous activadors amb un reduït contingut de zinc han estat desenvolupats per tal de reduir l'impacte ambiental de la indústria del cautxú. Nanopartícules d'òxids metàl•lics mixtes de zinc i altres metalls s’han sintetitzat per tal de beneficiar-se de la seva grandària i aprofitar-se del comportament tant del ZnO com del MgO a la vulcanització amb sofre. Un altre gran problema mediambiental relacionat amb la indústria del cautxú és la gestió dels compostos de cautxú que han arribat al final de la seva vida útil, especialment de pneumàtics. L'impacte mediambiental dels pneumàtics, juntament amb els problemes econòmics relacionats amb la seva gestió i eliminació, ha donat lloc a una gran varietat d'estudis per desenvolupar tecnologies per a reutilitzar i reciclar els pneumàtics fora d'ús. L'ús de cautxú recuperat o regenerat en mescles amb cautxú verge s’ha investigat per diferents autors. No obstant això, la migració de les substàncies químiques entre el cautxú triturat i la matriu verge no ha estat considerada com un avantatge per tal d'utilitzar el cautxú de pneumàtics fora d'ús com un activador i, per tant, reduir els nivells de zinc emprats en els compostos de cautxú i introduir noves aplicacions per als pneumàtics fora d'ús. Aquest enfocament ha estat investigat en aquesta tesi. / El óxido de zinc es un compuesto ampliamente utilizado en la industria del caucho debido a las excelentes propiedades que muestra como activador para la vulcanización con azufre. A pesar de sus características superiores, existe una creciente preocupación acerca de sus efectos medioambientales y numerosos estudios han sido realizados con el fin de reducir los niveles de ZnO en los compuestos de caucho o para sustituirlo. Entre todas las alternativas propuestas para reducir la cantidad de óxido de zinc, el empleo de nanopartículas de ZnO con una alta superficie específica parece ser prometedor. Otro propuesta para reducir los niveles de ZnO que ha sido estudiado por numerosos autores es el uso de otros óxidos metálicos, como el CaO, MgO, CdO, CuO, PbO y NiO. En este trabajo, nuevos activadores con un reducido contenido de zinc han sido desarrollados con el fin de reducir el impacto ambiental de la industria del caucho. Nanopartículas de óxidos metálicos mixtos de zinc y otros metales han sido sintetizados con el fin de beneficiarse de su tamaño y aprovecharse del comportamiento tanto del ZnO como del MgO en la vulcanización con azufre. Otro gran problema medioambiental relacionado con la industria del caucho es la gestión de los compuestos de caucho que han alcanzado el final de su vida útil, especialmente de neumáticos. El impacto medioambiental de los neumáticos, junto con los problemas económicos relacionados con su gestión y eliminación, ha dado lugar a una gran variedad de estudios para desarrollar tecnologías para reutilizar y reciclar los neumáticos fuera de uso. El uso de caucho recuperado o regenerado en mezclas con caucho virgen ha sido investigado por diferentes autores. Sin embargo, la migración de las sustancias químicas entre el caucho triturado y la matriz virgen no ha sido considerada como una ventaja con el fin de utilizar el caucho de neumáticos fuera de uso como un activador y, por lo tanto, reducir los niveles de zinc empleadas en los compuestos de caucho e introducir nuevas aplicaciones para los neumáticos fuera de uso. Este enfoque ha sido investigado en esta tesis. / Zinc oxide is a widely used compound in rubber industry due to the excellent properties that shows as activator for sulphur vulcanisation. Despite its superior characteristics, there is an increased concern about its environmental effects and several research studies have been carried out in order to reduce the ZnO levels in rubber compounds or substitute it. Between all the alternatives proposed to reduce the ZnO levels, the use of nano-sized ZnO particles with high surface area seems to be promising. Another approach to reduce the ZnO levels that has been studied by many authors is the use of alternative metal oxides, such us CaO, MgO, CdO, CuO, PbO and NiO. In this work, novel activators with reduced zinc content have been developed in order to reduce the environmental impact of the rubber industry. Mixed metal oxides nanoparticles of zinc and other metal have been synthesised with the aim of profiting from its size and to take advantage of the behaviour of both ZnO and MgO in sulphur vulcanisation. Another environmental problem related to the rubber industry is the management of end of life and waste rubber, especially tyres. The environmental impact of waste tyres, together with the economic problems related with the management and disposal, has led to a great variety of studies to develop technologies to re-use and recycle waste tyres. The use of reclaimed or regenerated rubber in blends with virgin rubber has been investigated by different authors. However, the migration of chemicals between the crumb and the matrix has not been considered as an advantage in order to use tyre crumb as an activator and, therefore, reduce the zinc levels employed in rubber compounds and introducing new applications for the waste rubber from end of life tyres. This approach has been investigated in this thesis.