UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANADISEO
MECANICOINVESTIGACIONSINTESIS DE DISEODOCENTE:Ing. Marco
Amayae-mail: [email protected]:Ismael Caldase-mail:
[email protected]:N.! " Ingenier#a Mec$nica
Auomori%FECHA:& de enero de '(!).Cuenca - Ecuador1. SNTESIS
GRFICA DE ESLABONAMIENTOS2.INTRODUCCINEl diseoimplica una
combinacin de sntesis y anlisis. La mayora de los cursos de
ingeniera se ocupan principalmente de tcnicas de anlisis en varias
situaciones.En tanto, no se puede analizar algo hasta que haya sido
sintetizado para que eista.!uchos problemas de diseo de mquinas
requieren la creacin de un dispositivo con caractersticas de
movimiento particular. "al vez se tenga que mover una herramienta
de la posicin # y la $ en un intervalo particular. "al vez se
necesita tratar una trayectoria particular en el espacio para
insertar una pieza en un ensamble. Las posibilidades son in%nitas,
pero a menudo un denominador com&n esla necesidad de un
eslabonamiento para generar los movimientos deseados. #s que, ahora
se eplorarn algunas tcnicas de sntesis simples que permitan crear
soluciones de diseo de eslabonamientos potenciales para algunas
aplicaciones cinemticas tpicas.3.SNTESIS3.1SNTESIS
CUALITATIVA'igni%ca la creacin de soluciones potenciales en
ausencia de un algoritmo bien de%nido que con%gure o pronostique la
solucin. (omo la mayora de los problemas de diseo reales tendrn
muchas ms variables desconocidas que ecuaciones para describir el
comportamiento del sistema, no se puede simplemente resolver las
ecuaciones para obtener una solucin. )o obstante, se debe traba*ar
en este vago conteto para crear una solucin potencial y tambin para
*uzgar su calidad, se puede analizar la solucin propuesta para
determinar su viabilidad y di+erenciar entre sntesis y anlisis,
como se describe en el proceso de diseo, hasta estar satis+echo con
el resultado.Eisten varias herramientas y tcnicas de ayuda en este
proceso. La herramienta tradicional es la mesa de dibu*o, donde se
dibu*an a escala m<iples vistas ortogr%cas del diseo, y se
investigan los movimientos dibu*ando arcos, mostrandom<iples
posiciones y usando cubiertas transparentes removibles. Los
sistemas de dibujo asistido por computadora (CAD) pueden acelerar
este proceso hasta cierto punto, pero probablemente encontrar que
la +orma ms rpida de tener una idea de la calidad del diseo de
eslabonamiento es modelarlo, a escala, en cartn y observar los
movimientos directamente.El proceso se vuelve entonces un diseo
cualitativo mediante anlisis sucesivo, el cual en realidad es una
iteracin entre sntesis y anlisis. 'e pueden eaminar una gran
cantidad de soluciones de prueba en muy poco tiempo por medio de
herramientas de ingeniera asistida por computadora ,(#E, por sus
siglas en ingls-.3.2SNTESIS DE TIPO Es el tipo apropiado de
mecanismo ms adecuado para el problema y es una +orma de sntesis
cualitativa. .sta quiz es la tarea ms di+cil para el estudiante, ya
que requiere algo de eperiencia y conocimientos de los diversos
tipos de mecanismos eistentes y de su +actibilidad desde un punto
de vista de desempeo y manu+actura. (omo e*emplo, supngase que la
tarea es disear un dispositivo para seguir el movimiento lineal de
una pieza sobre una banda transportadora y rociarla con un
recubrimiento qumico con+orme pasa. Esto se debe realizar a una
velocidad alta, constante, con buena precisin, repetibilidad, y
debe ser con%able.#dems, la solucin debe ser barata. # menos que
haya tenido la oportunidad de ver una amplia variedad de equipo
mecnico, podra no estar enterado de que esta tarea puede ser
realizada de un modo conceptual por cualquiera de los siguientes
dispositivos/0 1n eslabonamiento rectilneo01na leva y seguidor01n
cilindro neumtico0 1n cilindro hidrulico01n robot01n solenoide(ada
una de estas soluciones, aunque posibles, pueden no ser ptimas o
incluso prcticas. 'e tendrn que conocer ms detalles sobre el
problema para realizar ese *uicio, y los detalles surgirn de la
+ase de investigacin del proceso de diseo. El eslabonamiento
rectilneo puede resultar demasiado grande o tener aceleraciones
indeseables2 el mecanismo de leva y seguidor ser costoso, aunque
preciso y repetible. El cilindro neumtico es barato, pero ruidoso y
poco con%able. El cilindro hidrulico es ms caro, lo mismo que el
robot. El solenoide, aunque es barato, produce velocidad y cargas
de alto impacto. #s que, la eleccin del tipo de dispositivo tiene
un gran e+ecto en la calidad del diseo. 1na eleccin de%ciente en la
etapa de sntesis de tipo puede crear problemas irresolubles ms
adelante. El diseo tendra que modi%carse a un elevado costo despus
de haberse terminado. (ada tipo de solucin propuesto en este
e*emplo tiene puntos positivos y negativos. 3ara vez habr una
solucin clara, obvia, de un problema real de ingeniera. El traba*o
como ingeniero de diseo signi%ca balancear estas caractersticas
con4ictivas y encontrar una solucin que proporcione la me*or
transaccin de +uncionalidad contra costo, con%abilidad y todos los
dems +actores de inters. 3ecuerde, un ingeniero puede hacer con un
dlar lo que cualquier tonto puede hacer con diez. El costo siempre
es una limitacin importante en el diseo de ingeniera.3.3SNTESIS
CUANTITATIVA O SNTESIS ANALTICA )os da a conocer la generacin de
una o ms soluciones de un tipo particular que se considera adecuado
para el problema, y a&n ms importante, para las que no eiste un
algoritmo de sntesis de%nido. (omo el nombre sugiere, este tipo de
solucin se puede cuanti%car, si eiste un con*unto de ecuaciones que
proporcionenuna respuesta numrica. 'i tal respuesta es buena o
adecuada, esto se de*a a *uicio del diseador y requiere anlisis e
iteracin para optimizar el diseo. (on +recuenciason menos las
ecuaciones disponibles que el n&mero de variables potenciales,
en cuyo caso se deben suponer algunos valores razonables para un
n&mero su%ciente de incgnitas y as reducir el con*unto de las
incgnitas restantes al n&mero de ecuaciones disponibles.5or lo
tanto, en este caso tambin interviene algo de *uicio cualitativo en
la sntesis.Ecepto en casos muy simples, se requiere una herramienta
CAE para realizar anlisis cuantitativos. E*emplos de tales
herramientas son los programas SyMech de J Coo! y colaboradores,
que resuelven el problema de sntesis de eslabonamientos de barras
m<iples en tres posiciones, y Linca"es de A
ErdmanyColaboradores, que resuelve el problema de sntesis de
eslabonamientos de cuatro barras en cuatro posiciones. Los
programas de computadora provistos con este teto tambin permiten
realizar s#ntesis anal#tica en tres posiciones y diseo mediante
anlisis sucesivo de eslabonamientos generales. La rpida velocidad
de clculo de estos programas permite analizar el desempeo de muchos
diseos de prueba de mecanismos, y en poco tiempo genera la iteracin
rpida para una me*orsolucin.3.4SNTESIS DIMENSIONAL 6e un
eslabonamiento es la determinacin de las proporciones ,longitudes-
de los eslabones necesarios para lograr los movimientos deseados y
puede ser una +orma de sntesis cualitativa si se de%ne un algoritmo
del problema particular, pero tambin puede ser una +orma de sntesis
cualitativa si eisten ms variables que ecuaciones. Esta situacin es
ms com&n para eslabonamientos. ,La sntesis dimensional de levas
es cuantitativa.- La sntesis dimensional supone que, mediante
sntesis de tipo, ya se ha determinado que un eslabonamiento ,o una
leva- es la solucin ms apropiada al problema. 4. GENERACIN DE
FUNCIN, TRAYECTORIA Y MOVIMIENTO4.1GENERACIN DE FUNCIN Es la
correlacin de un movimiento de entrada con un movimiento de salida
en un mecanismo. 1n generador de +uncin es conceptualmente una
7ca*a negra8 que entrega alguna salida predecible en respuesta a
una entrada conocida. #ntes de que eistieran las computadoras
electrnicas, los generadores de +uncin mecnicos encontraron una
amplia aplicacin en telmetros de artillera y sistemas para apuntar
los caones a bordo de un buque y en muchas otras tareas. 6e
hecho,son computadoras anal$"icas mecnicas. El desarrollo de
microcomputadoras electrnicas digitales baratas para sistemas de
control, *unto con la disponibilidad de servomotores y motores de
paso compactos, redu*o la demanda de estos eslabonamientos
generadores de +uncin mecnica. !uchas aplicaciones como sas ahora
se pueden realizar con ms economa y e%ciencia mediante dispositivos
electromecnicos. 5or otra parte, el generador de +uncin
electromecnica controlado por computadora es programable, lo que
permite cambiar con rapidez la +uncin generada con+orme cambian las
demandas4.2GENERACIN DE TRAYECTORIA 'e de%ne como el control de un
punto en el plano, de tal suerte que siga una trayectoria
prescrita. Esto en general se logra con por lo menos cuatro barras,
donde un punto del acoplador traza la trayectoria deseada. En la
siguiente seccin se presentan e*emplos espec%cos de curvas de
acoplador. 9ay que observar que enla generacin de trayectoria no se
hace ning&n intento por controlar la orientacin del eslabn que
contiene el punto de inters.'iendo as, es com&n que se de%na la
temporizacin de arribo del punto hacia lugares particulares a lo
largo de la trayectoria. Este caso se llama generacin de
trayectoria con temporizacin prescrita y es anlogo a la generacin
de +uncin en que se especi%ca una +uncin de salida particular.
4.3GENERACIN DE MOVIMIENTO 'e de%ne como el control de una l#nea en
el plano de modo que asuma un con*unto prescrito de posiciones
secuenciales. En este caso, la orientacin del eslabn es importante.
.ste es un problema ms amplio que la generacin de trayectoria, y,
de hecho, la generacin de trayectoria es un subcon*unto de la
generacin de movimiento. 1n e*emplo de un problema de generacin de
movimiento es el control del 7cucharn8 de una retroecavadora. El
cucharn debe asumir un con*unto de posiciones para cavar, recoger y
vaciar la tierra ecavada. (onceptualmente, se debe hacer que el
movimiento de una lnea pintada en un costado del cucharn asuma las
posiciones deseadas. 1n eslabonamiento es la solucin usual. %i"
& 'ala( retroe)cavadora5. MECANISMOS PLANOS CONTRA MECANISMOS
ESPACIALES La discusin anterior de movimiento controlado supuso que
los movimientos deseados son planos ,:6-. )o obstante, se vive en
un mundo tridimensional, y los mecanismos deben +uncionar en ese
mundo. Los mecanismos espaciales son dispositivos tridimensionales.
'u diseo y anlisis son mucho ms comple*os que losde mecanismos
planos, los cuales son dispositivos bidimensionales. El estudio de
mecanismos espaciales queda +uera del mbito de este teto
introductorio. #lgunas re+erencias para su estudio ms amplio se
encuentran en la bibliogra+a de este captulo. 'in embargo, el
estudio de mecanismos planos no est limitado en la prctica como
puede parecer ya que muchos dispositivos en tres dimensiones se
construyen de m<iples con*untos de dispositivos
bidimensionales acoplados. 1n e*emplo es cualquier silla plegable.
"endr alguna clase de eslabonamiento en elplano lateral izquierdo
que permita plegarla. 9abr un eslabonamiento idntico en el lado
derecho de la silla. Estos dos eslabonamientos planos *+ estarn
conectados por medio de alguna estructura en la direccin ,, la que
su*eta a los doseslabonamientos planos en un ensamble
tridimensional. %i"- Silla 'le"able !uchos mecanismos reales estn
acomodados de esta manera, como e!"#$%"&'e%($ )!"%$ *+)!',"*$,
desplazados en la direccin - en planos paralelos y rgidamente
conectados. (uando se abre el co+re de un automvil, se observa su
mecanismo de bisagra en cada lado del automvil. El co+re y la
carrocera su*etan los dos eslabonamientos planos en un ensamble
tridimensional. 'e pueden encontrar muchos e*emplos como se de
ensambles de eslabonamientosplanos en con%guraciones
tridimensionales. 6e este modo, se demostrar tambin que las tcnicas
bidimensionales de sntesis y anlisis aqu presentados son de valor
prctico al disear en tres dimensiones...CONDICIONES DE LMITELas
tcnicas de sntesis manual, gr%ca y dimensional presentadas en este
captulo,y las de sntesis analtica computarizadas presentadas con
anterioridad son medios razonablemente rpidos de obtener una
solucin de prueba a un problema de control de movimiento. 1na vez
que se encuentre una solucin potencial, se debe evaluar su calidad.
Eisten muchos criterios que se pueden aplicar.En captulos
posteriores se eplorar a detalle el anlisis de estos mecanismos.
'in embargo, no se emplear mucho tiempo en analizar con gran
detalle un diseo que puede resultar inadecuado seg&n algunas
evaluaciones simples y rpidas...1POSICIONES DE AGARROTAMIENTO 1na
prueba importante se puede aplicar dentro de los procedimientos de
sntesis descritos a continuacin. Es necesario veri%car que el
eslabonamiento en realidad puede alcanzar todas las posiciones de
diseo especi%cadas sin que encuentre una posicin lmite. Los
procedimientos de sntesis de eslabonamientos a menudo slo permiten
obtener las posiciones particulares especi%cadas. )o indican nada
acerca del comportamiento del eslabonamiento entre esas posiciones.
La ."ura /muestra un eslabonamiento de cuatro barras de no ;rasho+
en sus lmites de movimiento llamados )$','$%e *e
"/"00$("&'e%($.%i" /Eslabonamiento de cuatro barrasLas
posiciones de agarrotamiento se determinan por la colinealidad de
dos de los eslabones mviles. C&D& y C-D- ,lneas slidas- son
las posiciones de agarrotamiento que se alcanzan desde el eslab$n
-. C/D/ y C0D0 ,lneas punteadas- son las posiciones de
agarrotamiento que se alcanzan desde el eslab$n 0 1n mecanismo de
triple balancn y cuatro barras tendr cuatro, y un ;rasho+ de doble
balancn dos, de estas posiciones de agarrotamiento en las que el
eslabonamiento asume una con%guracin triangular. En una posicin
triangular ,de agarrotamiento-, no ser posible otro movimiento en
ninguna direccin desde uno de estos eslabones de balancn ,ya sea
del eslabn : desde las posiciones C1D1 y C2D2 o el eslab$n 0 desde
las posiciones C/D/ y C0D0-. Entonces ser necesario impulsar un
eslabn di+erente para salir del eslabonamiento..2POSICIONES
ESTACIONARIAS 1n eslabonamiento de manivela0balancn de cuatro
barras de ;rasho+ tambin asumir dos posiciones de agarrotamiento
como se muestra en la ."ura 0, cuando el eslabn ms corto (manivela
1-C2 es colineal con el acoplador (6 (eslab$n /23colineal etendido
(1-C-D-) o colineal traslapante (1-C&D&-. )o puede ser
impulsado hacia atrs desde el balancn 10D (eslab$n 02 a travs
deestas posiciones colineales ,las cules act&an como
agarrotamientos-, pero cuando se impulsa la manivela 1-C (eslab$n
-23 sta pasar por ambas posiciones estacionarias porque es de
;rasho+. 9ay que observar que estas posiciones de agarrotamiento
tambin de%nen los lmites de movimiento del balancn impulsado
1e!"#2% 43, en los cuales su velocidad angular pasar por cero. %i"
0Eslabonamiento de manivela 4 balanc#n6espus de sintetizar una
solucin de doble o triple balanc#n para un problema de
m<iples posiciones ,generacin de movimiento-, debe revisarse
para ver si eisten posiciones de agarrotamiento entre sus
posiciones de diseo. 1na manera sencilla de hacerlo es mediante un
modelo del eslabonamiento. 1na herramienta CAE tal como %ourbar o
5or!in" Model tambin sirve para este problema. Es importante
comprender que una condicin de agarrotamiento slo es indeseable si
evita que el eslabonamiento pase de una posicin deseada a otra. En
otras circunstancias, el agarrotamiento es muy &til. 5uede
crear una +uncin autotrabante cuando el eslabonamiento se mueve
ligeramente ms all de la posicin de agarrotamiento contra un tope
%*o. (ualquier intento de invertir el movimiento del eslabonamiento
provoca entonces que simplemente se trabe ms contra el tope.9abr
que tirar manualmente de l 7sobre el centro8 para sacarlo del
agarrotamiento, antes de que el eslabonamiento se mueva.
'eguramente se pueden hallar muchos e*emplos de esta aplicacin,
como en los eslabonamientos deuna mesa para *ugar cartas, en las
patas de un burro de planchar y tambin en los eslabonamientos de la
puerta trasera de un camin de reparto o de una vagoneta..3NGULO DE
TRANSMISIN
