analisis cinematico de mecanismos unidad 1

ANALISIS CINEMATICO DE MECANISMOS

Presenta: Dr. Ing. Ángel Francisco Villalpando Reyna

Ingeniería Mecatronica

Tema 1. Antecedentes

Objetivo

• Conceptualizar el termino Mecanismo

• Establecer el concepto de Cinemática y su origen

• Establecer las etapas del diseño de un mecanismo

En principio, Física es la ciencia que tiene como objeto el estudiode los cuerpos, sus leyes y sus propiedades, en tanto no cambiesu composición química. Las 4 áreas fundamentales son laenergía, la materia, el tiempo y el espacio, así como la interacciónentre los mismos.

En Forma general. La física se puede dividir en dos ramasprincipales la física experimental y la física teórica .

La Mecánica se define como: La parte de la física que estudia elmovimiento y las fuerzas que pueden producirlo, así como elefecto que estos fenómenos generan en las maquinas.

Los estudios de Mecánica enfocados al Diseño Mecánico, para efectos de estudio en Ingeniería se puede realizar con enfoque:

Cinemática: estudio del movimiento sin considerar las fuerzas involucradas.

Cinética: estudio de las fuerzas sobre sistemas en movimiento.

Un objetivo fundamental de la Cinemática es crear (diseñar) losmovimientos deseados de las partes mecánicas y luego calcularmatemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que losmovimientos crearan en las partes.

Las decisiones básicas y tempranas en el proceso de diseño queimplican principios cinemáticos pueden ser cruciales para cualquierdiseño mecánico. Un diseño con cinemática deficiente resultaraproblemática y funcionara mal.

Diferencia entre Mecanismos y Maquinas

• Inicialmente se puede definir un Mecanismo como un dispositivo quetransforma un movimiento en un patrón deseable y por lo generaldesarrolla fuerzas muy bajas. Hunt, define como mecanismo como unmedio de transmisión, control o restricción del movimiento relativo.

• En tanto, una Maquina en general, contiene mecanismos que estándiseñados para producir y transmitir fuerzas significativas.

• La diferencia crucial para diferenciar ambos, es que en el mecanismo laenergía involucrada es despreciable en tanto en la maquina no.

Mecanismos (ejemplos)

un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj análogo, unasilla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas

Máquinas (ejemplos que poseen movimientos similares a losmecanismos)

Procesador de alimentos, la transmisión de un automóvil o un robot.

Historia de la CinemáticaLas máquinas y mecanismos fueron ideados desde el amanecer de lahistoria.

Los antiguos egipcios idearon máquinas primitivas para la construcción delas pirámides y otros monumentos. Aunque los egipcios del Imperio antiguono conocían la rueda y la polea (montadas en un eje), utilizaron la palanca,el plano inclinado (o cuña) y probablemente el rodador de troncos.

Historia de la Cinemática

La rueda y el eje definitivamente no eran conocidos. Su primera aparición quizás ocurrió en Mesopotamia alrededor de 3000 a 4000 a.C.


La ingeniería Mecánica tuvo sus principios en el diseño de máquinas, a medida que lasinvenciones de la Revolución Industrial requerían soluciones más complicadas en problemasde control de movimiento.

James Watt (1736-1819) probablemente merece el título de primer cinematiciano por susíntesis de un eslabonamiento de línea recta


Oliver Evans (1755-1819) un inventor estadounidense, también diseñó uneslabonamiento en línea recta para un motor de vapor.

Euler (1707-1783) fue contemporáneo de Watt. Euler presentó untratamiento analítico de mecanismos en su Mechanica sive Motus ScientaAnalytice Exposita (1736-1742), en la que incluyó el concepto de que elmovimiento plano consta de dos componentes independientes, a saber, latraslación de un punto y la rotación del cuerpo en torno a dicho punto.


Robert Willis (1800-1875) escribió el texto Principles of Mechanisms,en 1841, mientras se desempeñaba como profesor de FilosofíaNatural en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Intentósistematizar la tarea de síntesis de mecanismos. Contó cinco formasde obtener movimiento relativo entre eslabones de entrada y salida:contacto rodante, contacto deslizante, eslabonamientos, conectoresenvolventes (bandas, cadenas) y polipastos (malacates de cuerda ocadena).


Franz Reuleaux (1829-1905), publicó Theoretische Kinematik en 1875.Muchas de sus ideas todavía son actuales y útiles. Reuleaux definió seiscomponentes mecánicos básicos: el eslabón, la rueda, la leva, el tornillo,el trinquete y la banda. También definió los pares “superiores” e“inferiores”, los superiores tienen un contacto lineal o puntual (como enun cojinete de rodillos o bolas) y los inferiores tienen un contactosuperficial (como en las juntas de pasador). Reuleaux en general esconsiderado como el padre de la cinemática moderna

APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA

• Una de las primeras tareas al resolver cualquier problema de diseñode máquinas es determinar la configuración cinemática necesariapara producir los movimientos deseados

• En general, los análisis de fuerzas y esfuerzos no pueden serrealizados hasta que los problemas cinemáticos hayan sido resueltos.


• Virtualmente cualquier máquina o dispositivo que se mueve contieneuno o más elementos cinemáticos, tales como eslabonamientos, levas,engranes, bandas, cadenas. La bicicleta puede ser un ejemplo simplede un sistema cinemático que contiene una transmisión de cadenapara generar la multiplicación del par de torsión, y eslabonamientosoperados por cables simples para el frenado.


Equipos de construcción como tractores, grúas y retroexcavadorasutilizan extensamente eslabonamientos en su diseño. La figura muestrauna retroexcavadora cuyo eslabonamiento es propulsado por cilindroshidráulicos.

EL PROCESO DE DISEÑOÉstos son términos conocidos pero tienen diferentes significados para diferentes personas. Pueden englobar un sin número de actividades: el diseño de la ropa más moderna, la creación de obras arquitectónicas impresionantes, o la ingeniería de una máquina para la fabricación de toallas faciales.

El diseño de ingeniería, el que aquí concierne, comprende estas tres actividades (diseño, creación, aplicación) y muchas otras.

La palabra diseño se deriva del latín designare, que significa “diseñar” o “marcar”.

El diseño puede ser simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático; puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia”.

El diseño es un constituyente universal de la práctica de ingeniería.No obstante, la complejidad de la materia por lo general requiereque el estudiante disponga de un conjunto de problemasestructurados, paso a paso ideados para esclarecer un concepto oconceptos particulares relacionados con el tema particular.

Desafortunadamente, los problemas de ingeniería en la vida real casi nunca están estructurados de esa manera.

El ingeniero novel buscará en vano en sus libros de texto una guía para resolver semejante problema. Este problema no estructurado por lo general conduce a lo que comúnmente se llama “síndrome de papel en blanco”.

El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente enfrentael reto de estructurar problemas no estructurados. De manera invariable, el problema talcomo es planteado al ingeniero está mal definido e incompleto.

Antes de que se intente analizar la situación primero se debe definir con cuidado elproblema, mediante un método preliminar de ingeniería, para garantizar que cualquiersolución propuesta resolverá correctamente el problema.

Existen muchos ejemplos de excelentes soluciones de ingeniería que al final fueronrechazadas porque resolvían el problema de manera incorrecta, es decir, no resolvían elproblema que el cliente realmente tenía.

Etapas de la Síntesis de Mecanismos

Identificación de la necesidad

Este primer paso es realizado por alguien, jefe o cliente, al decir: “Loque se necesita es…” Por lo general este enunciado será breve y sindetalles. Estará muy lejos de proporcionarle un planteamientoestructurado del problema. Por ejemplo, el enunciado del problemapodría ser: “Se necesita una mejor podadora de pasto.”

Investigación preliminar

Ésta es la fase más importante del proceso, y desafortunadamente conmucha frecuencia la más ignorada.

Una investigación requerida es aquella, que reúne información de fondosobre la física, química u otros aspectos pertinentes del problema.Además, es pertinente indagar si éste, o un problema similar, ya ha sidoresuelto con anterioridad.

Si tiene suerte suficiente de encontrar en el mercado una solución yaobtenida, sin duda será más económica de adquirir que crear una soluciónpropia.

La literatura de patentes y las publicaciones técnicas en la materiason fuentes obvias de información y son vía accesible a la wide web.La U.S. Patent and Trademark Office mantiene un sitio web enwww.uspto.gov donde se pueden encontrar patentes por palabraclave, inventor, título, número de patente u otros datos.

Es muy importante dedicar tiempo y energía suficientes en esta fasede investigación y preparación del proceso para evitar la turbación deencontrar una gran solución al problema equivocado

Planteamiento de objetivos

Una vez que se entiende por completo el antecedente del problemacomo originalmente se planteó, se estará listo para replantearlo enforma de enunciado de objetivos más coherentes.

Este nuevo enunciado del problema deberá tener tres características.Deberá ser conciso, general e incoloro en cuanto a expresiones quepredigan una solución.

Deberá ser expresado en términos de visualización funcional, lo que significavisualizar su función, en lugar de cualquier incorporación particular. Por ejemplo,si el enunciado original de la necesidad fue “Diseñar una mejor podadora depasto” después de que por años se han investigado mil formas de cortar elpasto, el ingeniero docto podría replantear el objetivo como “Diseñar un mediode acortar el pasto”.

Para la mayoría de las personas, esta frase les creará una visión de algo conaspas zumbantes y un motor ruidoso. Para que la fase de ideación sea másexitosa, es necesario evitar tales imágenes y plantear el problema general demanera clara y concisa.

Especificaciones de desempeño

Cuando se entiende el antecedente y se plantea el objetivo con claridad, se estálisto para formular un conjunto de especificaciones de desempeño (tambiénllamado especificaciones de tareas). Éstas no deberán ser especificaciones dediseño. La diferencia es que las especificaciones de desempeño definen lo que elsistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño definen cómodebe hacerse.

En esta etapa del proceso de diseño no es prudente intentar especificar cómo setiene que lograr el objetivo. Esto se deja para la fase de ideación. El propósito delas especificaciones de desempeño es definir y limitar con cuidado el problemade modo que pueda ser resuelto y se puede mostrar lo que se resolvió despuésdel hecho.

En la tabla 1-2 se presenta un conjunto muestra deespecificaciones de desempeño de nuestra “podadorade césped”.

Ideación e invenciónEste paso está lleno tanto de diversión como de frustración. Esta fase espotencialmente la más satisfactoria para la mayoría de los diseñadores, perotambién la más difícil. Se ha realizado una gran cantidad de investigación paraexplorar el fenómeno de “creatividad”. Ésta es, y la mayoría está de acuerdo, unacualidad humana.

Se puede mejorar su creatividad mediante varias técnicas.

Proceso creativo Se han desarrollado muchas técnicas para mejorar o inspirar lasolución creativa de problemas. De hecho, en tanto se han definido procesos dediseño, se muestra el proceso creativo en la tabla 1-3. Este proceso creativo sepuede impartir como un subconjunto del proceso de diseño y existir dentro de él.El paso de ideación e invención, por lo tanto, se puede dividir en cuatro subpasos.

Generación de ideas es el más difícil de estos pasos. Incluso laspersonas muy creativas tienen dificultad para inventar “por pedido”.Se han sugerido muchas técnicas para mejorar la producción deideas. La técnica más importante es aquella de juicio diferido, lo quesignifica que su criticidad deberá ser temporalmente suspendida.No trate de juzgar la calidad de sus ideas en esta etapa. Eso se harámás adelante, en la fase de análisis. El objetivo aquí es obtener unagran cantidad de diseños potenciales como sea posible. Incluso lassugerencias superficialmente ridículas deberán ser bienvenidas, yaque pueden generar ideas nuevas y sugerir otras soluciones másreales y prácticas.

Lluvia de ideas es una técnica que algunos afirman es muy exitosa para generar soluciones creativas. Esta técnica requiere un grupo, de preferencia de 6 a 15 personas, e intenta superar la barrera más grande que enfrenta la creatividad: el temor al ridículo.

Las reglas de esta técnica requieren que nadie critique las ideas de cualquier persona, sin importar cual sea. Un participante actúa como “escriba” y su deber es registrar todas las sugerencias. Cuando se realiza de manera apropiada, esta técnica puede dar por resultado una alimentación de ideas que se vigorizan entre sí.

Se puede generar una gran cantidad de ideas en poco tiempo. El juicio sobresu calidad se pospone para más adelante.

En Unlocking Human Creativity Wallen describe tres requerimientos para las ideas creativas:

Fascinación por el problema.

Saturación con los hechos, ideas técnicas, datos y el antecedentedel problema.

Un periodo de reorganización.

AnálisisUna vez que en esta etapa se ha estructurado el problema, por lo menostemporalmente, ahora se pueden aplicar técnicas de análisis máscomplejas para examinar el desempeño del diseño en la fase de análisisdel proceso de diseño. (Algunos de estos métodos de análisis seanalizarán en detalle en los capítulos siguientes.)

Se requerirá más iteración conforme el análisis ponga de manifiestoalgunos problemas. Se deben repetir tantos pasos iniciales del procesode diseño como sea necesario para garantizar su éxito.

Selección

Cuando el análisis técnico indica que se tienen algunos diseñospotencialmente factibles, se debe seleccionar el mejor disponible para undiseño detallado, creación de prototipo y pruebas. El proceso de seleccióncasi siempre implica un análisis comparativo de las soluciones de diseñodisponibles. En ocasiones una matriz de decisión ayuda a identificar lamejor solución al forzarlo a considerar varios factores de manerasistemática.

En la figura 1-2 se muestra una matriz de decisiónpara la propuesta de un mejor cortador de césped.Cada diseño ocupa una fila en la matriz. A lascolumnas se les asignan categorías en las que losdiseños tienen que ser evaluados, tales comocosto, facilidad de uso, efi ciencia, desempeño,confiabilidad y cualquier otra que considereapropiada para el problema particular. Luego, acada categoría se le asigna un factor deponderación, el cual mide su importancia relativa.

Como ingeniero de diseño tiene que ejercer unjuicio en cuanto a la selección y ponderación deestas categorías.

Diseño detalladoEste paso en general incluye la creación de un conjunto completo de dibujosde ensamble detallados, o archivos de diseño asistido por computadora (CAD),por cada pieza utilizada en el diseño. Cada dibujo detallado debe especificartodas las dimensiones y las especificaciones de material necesarias

para fabricar la pieza. Con estos dibujos (o archivos CAD) se debe construir unmodelo (o modelos)de prototipos para experimentos físicos. Es muy probableque las pruebas descubrirán más fallas, querequieran más iteración.

Creación de prototipos y pruebasModelos Por último, se puede verificar la corrección o factibilidad de cualquierdiseño hasta que esté construido y probado. Esto por lo general implica laconstrucción de un modelo físico del prototipo. Un modelo matemático, si bienes muy útil, nunca puede ser una representación completa y precisa del sistemafísico real como un modelo físico, por la necesidad de simplificar lassuposiciones.

Los prototipos a menudo son muy caros, pero pueden ser la forma máseconómica de probar un diseño, sin tener que construir el dispositivo real detamaño natural. Pueden adoptar muchas formas, desde modelos a escala detrabajo, hasta representaciones de tamaño natural, pero simplificadas, delconcepto.

Los modelos a escala conllevan sus propias complicaciones con respecto a larepresentación a la escala apropiada de los parámetros físicos.

Las pruebas del modelo o prototipo pueden variar desde simplementeaccionarlo y observar su funcionamiento, hasta fijar instrumentossuficientes para medir con precisión sus desplazamientos, velocidades,aceleraciones, fuerzas, temperaturas y otros parámetros. Puede que serequieran pruebas en condiciones ambientales controladas tales comoalta o baja temperatura o humedad. La microcomputadora ha hechoposible medir muchos fenómenos con precisión y a más bajo costo de loque se podía hacer antes.

Producción

Por último, con suficiente tiempo, dinero y perseverancia, el diseño estará listopara su producción. Ésta podría consistir en la manufactura de una versión finalsimple del diseño, pero muy probablemente significará hacer miles o inclusomillones de piezas de ese artefacto.

El peligro, gasto y turbación de encontrar fallas en su diseño después de hacergrandes cantidades de dispositivos defectuosos deberán obligarlo a tener elmayor cuidado en los primeros pasos del proceso de diseño para garantizarque éste sea ejecutado apropiadamente.

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