Capitulo 1. El Proc de diseño y construc de Máquinas.ppt

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVAFACULTAD DE INGENIERA DE ALIMENTOSD.A.C.T.I.AREA DE INGENIERA DE LOS ALIMENTOSCtedra de:DISEO Y CONSTRUCCIN DE MAQUINAS Y EQUIPOS AGRINDUSTRIALESEl Proceso de diseo y construccin de una mquina*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*

Alfredo Abelardo Carmona Ruiz

Introduccin1.1. Qu es diseo de Mquinas?Viene del latn designare que significa designar, marcar se traduce como delinear, trazar, planear una accin, concebir, inventar.

Diseo de ingeniera se define como "el proceso de aplicar las diversas tcnicas y principios cientficos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realizacin".*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*


El diseo de ingeniera abarca varios campos, entre ellos el diseo de mquinas, objeto de este curso.

Una mquina se define como un aparato formado de unidades interrelacionadas (elementos de mquina), que estn dispuestas con el objeto de transformar movimientos y fuerzas.

Esta relacin entre fuerzas y movimiento distingue el diseo de mquinas (anlisis de las cargas dinmicas asociadas al movimiento, masa y geometra de cada elemento) del de estructuras (se consideran fuerzas estticas).

De aqu la importancia de los prerrequisitos de la materia.*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*


1.2. Usos del diseo mecnicoPara la manufactura: procesos para la creacin de mquinas o partes de mquinas.

Para el ensamble de piezas comerciales con o sin piezas manufacturadas.

Rediseo ergonmico: mejoramiento de piezas dirigido a la comodidad.

Programas de mantenimiento: procedimientos, frecuencias, parmetros, reemplazos.

Para el reciclaje y reutilizacin: separacin, procesamiento y remanufactura de piezas.*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*


2. PROCESO DE DISEOEs una secuencia lgica de pasos que sigue el diseador a partir de ciertos datos de entrada, para obtener la solucin de ingeniera ms prctica y funcional que satisfaga un problema particular.

El proceso es en esencia un ejercicio de creatividad y aplicacin de conocimientos, pero requiere de un mtodo estricto y organizado que facilita, pero no garantiza, la obtencin de resultados.*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*


Al hablar de una secuencia de pasos se quiere sealar un orden lgico, pero esto no implica una progresin lineal de tareas.

De hecho gran parte del proceso es iterativo, es decir, se parten de suposiciones vlidas que se prueban, se comparan, se corrigen y se vuelven a probar a travs de un ciclo de operaciones, hasta satisfacer las condiciones y requerimientos del problema.

Esto se discutir ms adelante.*Alfredo Abelardo Carmona Ruiz*


En general, el proceso de diseo puede verse como un conjunto de bloques operacionales que requieren datos de entrada tanto al inicio como durante el proceso, y generan resultados, que son a su vez entradas del siguiente paso.

Desde el punto de vista del proyecto de ingeniera, el proceso consume una gran variedad de recursos (tangibles e intangibles) y se espera obtener de l bienes, servicios y conocimientos con valor agregado.

En este punto cabe sealar que el alcance de este texto no incluye la discusin de la metodologa de proyectos de ingeniera, los cuales son mucho ms complejos e incluyen al proceso de diseo como una sola de sus etapas; se dejar ese tratamiento para cursos como "Proyectos de Ingeniera" y "Evaluacin Financiera de Proyectos" de manera que en este curso de "Diseo de Mquinas" se centrar la atencin en el aspecto tcnico de diseo mecnico.


Figura 1.1. Proceso de Diseo (Caja Negra) con sus Requerimientos y resultados esperados


2.1. RequerimientosLos requerimientos bsicos y esenciales para iniciar un proyecto de diseo se pueden agrupar en cinco aspectos:

2.1.1. NecesidadEl primer paso consiste, como se ver ms adelante, en identificar una necesidad bsica que requiera solucin por medio del diseo mecnico; luego se debe complementar este planteamiento inicial con ms informacin sobre las restricciones y requerimientos particulares del problema.

2.1.2. MotivacinComo en toda empresa humana, debe existir una razn que justifique el esfuerzo de emprender la solucin de un problema; generalmente esa motivacin es econmica (explotacin comercial de productos, innovacin, mejoramiento, productividad, eficiencia, etc.), pero tambin se debera tener pasin por el diseo, para que el ingeniero guste de su qu hacer y no se deje abrumar por las dificultades que pueda encontrar.


2.1.3. CreatividadUna importante componente, relegada en las aulas de clase, ignorada en los cursos tcnicos, pero necesaria para hallar soluciones alternativas e innovadoras a viejos y nuevos problemas; no debe olvidarse que ingeniera viene de ingenio, capacidad de crear.

2.1.4. ConocimientoEn este aspecto se agrupan los saberes cientficos (tericos), ingenieriles (aplicados) y tcnicos (prcticos y operativos) necesarios para abordar el problema particular; no es indispensable (y a veces es imposible) saber todo lo necesario desde un comienzo, por lo cual se debe tener acceso constante a fuentes de informacin, tanto cientfica y tcnica como comercial; igualmente es necesario que el ingeniero cuente con destrezas en el uso de herramientas de clculo, computacin y modelacin, que durante el transcurso del proceso de diseo puede ir mejorando.


2.1.5. RecursosMateriales (materias primas, insumos, locaciones, mquinas herramientas, procesos, servicios industriales, etc.), humanos (equipo interdisciplinario de ingenieros y tcnicos, operarios, profesionales de apoyo, etc), tiempo (cronograma) y dinero con qu financiar todo lo anterior.

En proyectos de ingeniera se ver la complejidad de la planeacin, organizacin, ejecucin y control de los recursos, lo cual supera usualmente la dificultad del problema de diseo en s mismo.Resumiendo lo anterior, se puede decir que para solucionar todo problema de ingeniera es necesario saber hacerlo, querer hacerlo y tener con qu hacerlo.


2.2. Resultados EsperadosComo productos del proceso de diseo se espera obtener:

2.2.1. SolucinConsiste en el diseo final aprobado de un elemento de mquina, producto, mquina o proceso productivo; incluye planos, prototipo virtual, construccin y prueba de al menos un prototipo real y especificaciones del proceso de manufactura para su produccin en serie.2.2.2. Satisfaccin O DecepcinEn funcin del xito o fracaso de la solucin, se convierte en la motivacin (positiva o negativa) para continuar con los ciclos posteriores de diseo para mejorar la solucin.


2.2.3. Conocimiento NuevoEl proceso de diseo deja informacin que antes no se tena a nivel cientfico, ingenieril, tcnico y comercial, a lo cual se le llama experiencia y know how, y que a pesar de ser un bien intangible tiene un enorme valor. Este conocimiento se respalda mediante documentacin: memorias de clculo, manuales de instalacin, operacin y mantenimiento, bibliografa, informacin comercial, etc.


2.2.4. Recursos RemanentesDel proceso de diseo pueden quedar algunos materiales e insumos sin usar, pero tambin activos como mquinas y herramientas, y el mismo prototipo; a nivel econmico, un proceso de diseo no se concibe para que genere ganancias como tal, sino como una inversin que conduce a un proceso productivo posterior del que s se puede esperar ganancias como fruto de la comercializacin (registro comercial y patentes).

Es muy importante que el diseador, a lo largo del proceso, tenga siempre en cuenta la meta principal que es el logro de una solucin factible y viable; pero tambin es importante que sepa valorar y aprovechar adecuadamente los dems resultados obtenidos.


2.3. Pasos Del Proceso De Diseo

Diseo Preliminar- Planteamiento inicial de la necesidad.- Revisin del estado del arte del problema.- Recoleccin de datos cuantitativos y cualitativos.Definicin del problema.

Diseo Bsico- Divisin en subsistemas.- Planteamiento de alternativas de solucin de subsistemas.- Seleccin de alternativas de solucin.Integracin de subsistemas.

Diseo De Detalle- Seleccin de elementos comerciales.- Sntesis y anlisis de piezas manufacturadas.- Integracin de elementos y subsistemas.- Planos de ensamble y de taller.


Prototipos y Pruebas- Prototipos: virtuales (CAD 3D, CAE, CAM) y reales.- Pruebas estticas y dinmicas.Retroalimentacin.

Diseo Definitivo- Planos definitivos: detalle, taller, ensamble y explosin.- Diseo de detalles estticos y especificacin de acabados.Construccin de la pieza en serie.

Comunicacin- Bitcora de diseo.- Memorias de clculo y planos.- Manuales de instalacin, operacin y mantenimiento.- Patente y registro comercial.- Catlogos comerciales.


Figura 1.2. Etapas Del Proceso De Diseo


DISEO PRELIMINAR

3.1. Planteamiento inicial de la necesidadSurge del reconocimiento de una necesidad en cualquier campo de la actividad humana. La amplia variedad de problemas puede abarcar desde lo cotidiano hasta lo altamente tcnico, desde el mejoramiento de soluciones actuales hasta la invencin de algo absolutamente nuevo.

Generalmente, la necesidad est enunciada en trminos vagos y corrientes, pues muchas veces quien la plantea no tiene conocimientos tcnicos (un ama de casa, un publicista, un gerente, un funcionario pblico, etc.) y es tarea del ingeniero traducir este planteamiento a un enunciado objetivo, concreto y en trminos tcnicos. Tambin con frecuencia, esta persona no sabe definir bien su inquietud y/o ni siquiera tiene idea de lo que quiere; aclarar lo que se est buscando es la base de partida de la solucin. Ante esto el diseador, ojala en conjunto con el cliente, debe ampliar su conocimiento sobre el tema.


Supngase que Usted trabaja para una empresa dedicada a un campo muy especfico de la industria, por ejemplo ascensores de carga y pasajeros. Normalmente todos los clientes lo consultan sobre esta materia y Usted ya cuenta con la capacitacin y experiencia suficientes como para saber todo lo que necesita para abordar directamente el problema y asesorar al cliente mediante catlogos. Eso es lo ideal.3.2. Revisin del estado del Arte del ProblemaEn todo proyecto de diseo de una mquina industrial, es indispensable recolectar toda la informacin posible antes de empezar a tomar decisiones; por ello, a la etapa de diseo bsico (conceptual) se antepone esta etapa de diseo preliminar donde se plantean dos interrogantes: qu informacin es relevante conocer para enfrentar el diseo y dnde se le puede hallar. Esta etapa se resume esencialmente en la bsqueda externa de informacin sobre soluciones existentes a la necesidad planteada.


Ahora suponga que trabaja para una firma de diseo, asesora y auditoria en ingeniera, donde se abordan toda clase de retos en temas diversos.

Es imposible ser un especialista en todos los campos y aplicaciones, por lo que ante un proyecto en particular, el segundo paso es hacer una bsqueda bibliogrfica sobre el tema:

Libros sobre fundamentos (mecnica de fluidos, resistencia de materiales, etc.).

Textos sobre la aplicacin especfica (hidrulica, estructuras colgantes, etc.).

Cdigos y normas.

Planos y catlogos de productos comerciales (si los hay).


Tecnologa de punta (internet es una excelente fuente).

Visitas a empresas.

Asesora de expertos, por lo cual es indispensable entrevistarse con el personal tcnico del cliente, y si la aplicacin as lo exige, formar un grupo multidisciplinario (qumicos, elctricos-electrnicos, tecnlogos, etc.).

Como fruto de estas consultas, el ingeniero de diseo debe adquirir un nivel mnimo de especializacin en el tema, que le permita solventar todas las inquietudes que puedan surgirle tanto al cliente como a l mismo. Tras esta etapa se puede decidir que una solucin comercial existente es lo que necesita el cliente y que no se justifica entrar en un proceso de diseo que resulte ms costoso y no garantice su adecuacin a todos los requerimientos y restricciones particulares del problema.


Tambin es factible que solo se requiera integrar subsistemas comerciales y adaptarlos a las especificaciones. Pero en el caso ms general, se deber abordar un diseo propio, muchas veces creativo, original e innovador, sobre todo cuando se encuentre que el problema no ha sido tratado anteriormente, o por lo menos las soluciones existentes no son satisfactorias o excesivamente costosas.

La revisin del estado del arte contina durante todo el proceso de diseo, pues con cada decisin y logro surgen nuevas inquietudes y dificultades. Sin embargo, entre ms exhaustiva sea la bsqueda de informacin inicial, se ahorrar posteriormente mucho tiempo y se evitarn decisiones de diseo equivocadas que impliquen sobrecostos.


3.3. Recoleccin de datos cuantitativos y CualitativosEsta etapa se debe llevarse en paralelo con la anterior, pues busca recoger internamente informacin sobre la necesidad; conviene entonces que cliente(s) y diseador (quien cuenta ya con mayor entendimiento sobre el problema), discutan ampliamente sobre el tema y que este ltimo formule preguntas concretas que se encaminen hacia datos particulares del problema, tanto cualitativos como cuantitativos, y que sean relevantes para la bsqueda de soluciones.

Estos datos deben obtenerse directamente del cliente, pero como ya se ha explicado, ste no tiene necesariamente una formacin ingenieril y/o dominio sobre todos los aspectos tcnicos del proceso, por lo que el diseador debe utilizar los conocimientos y criterios adquiridos para responder las inquietudes no resueltas por el cliente.


La siguiente lista de verificacin, donde aparecen la mayor parte de las variables y aspectos ms comunes en el diseo de una mquina industrial, constituye una gua para el diseador que le ayuda a no dejar de lado informacin vital para su tarea. Recuerde que esta lista es slo una gua general, de manera que en un problema particular no todos los tems aplican de igual manera e incluso pueden necesitarse datos adicionales.

3.3.1. Estudio Del ProcesoEsta primera parte de la lista de verificacin sirve para que el diseador conozca el proceso, familiarizndose con los aspectos ms generales para luego profundizar en los detalles tcnicos especficos que determinarn el diseo de la mquina. El objetivo es que el diseador se convierta si le es posible en un "experto" conocedor del proceso, de manera que adquiera los conocimientos y criterios necesarios para tomar decisiones de diseo acertadas.


3.3.1.1. Objetivos del ProcesoEnunciado general y concreto de la razn de ser del proceso.

3.3.1.2. Descripcin General del ProcesoExplicacin global del proceso: principios fsicos y qumicos aplicados, secuencia de operaciones y sus variantes, maquinaria utilizada en cada etapa, variables del proceso, etc.

3.3.1.3. Variables del ProcesoResumen de los diferentes requerimientos y restricciones, o bien, necesidades y factores limitantes del proceso entendido como un todo.

3.3.1.3.1 Variables Cualitativas Tipo de proceso: continuo o por lotes. Tipos y caractersticas cualitativas de las materias primas e insumos; condiciones que implican reprocesamiento.


Tipos y caractersticas cualitativas del producto terminado.Mquinas empleadas en cada etapa del proceso; identificacin de etapas crticas (cuellos de botella).Fuentes primarias tpicas de energa disponibles: elctrica, qumica, trmica, hidrulica.Servicios pblicos disponibles y requeridos: electricidad, agua, alcantarillado.Servicios industriales disponibles y requeridos: aire comprimido, vapor, iluminacin, ventilacin, transporte de materiales en planta; procesamiento y disposicin de desechos en aire, agua y suelos.Localizacin del proceso: zona rural o urbana, bajo techo o a intemperie, tipo de instalaciones civiles disponibles y requeridas.Requerimientos y restricciones para la operacin y el mantenimiento; capacitacin de operarios.Requerimientos de control y automatizacin.Normatividad tcnica.Normatividad legal (licencias ambientales, seguridad laboral, etc.).


3.3.1.3.2. Variables CuantitativasRatas tpicas de produccin: para procesos continuos se puede expresar en masa o volumen por unidad de tiempo; para procesos por lotes especificar capacidad o cantidad por lote, y nmero de lotes por unidad de tiempo.Caractersticas cuantitativas del producto: peso, volumen, dimensiones bsicas, composicin, densidad, etc.Cantidades de materias primas e insumos consumidos por unidad de produccin.Cantidades de subproductos y desechos generados por unidad de produccin.Flujos de material entre etapas.Demanda energtica por unidad de produccin.Consumos de servicios pblicos e industriales totales y por etapas.reas disponibles y requeridas: para instalacin de procesos, trnsito de materiales y operarios, almacenamiento, etc.Condiciones ambientales: temperatura, presin, humedad, velocidad del aire, etc.Nmero de operarios.


3.3.2. Estudio de la mquinaEn esta parte se pretende profundizar y particularizar la informacin recogida en el punto anterior, pero ahora enfocada en la mquina especfica que se quiera disear.

En ciertos casos una mquina hace todo el proceso, por lo que la mayor parte del cuestionario siguiente sera redundante.

En otros casos, un proceso comprende varias etapas, en cada una de las cuales se utiliza una o ms mquinas, y el diseo se debe adelantar individualmente para cada una de ellas.

3.3.2.1. Objetivo de la mquinaEnunciado de la funcin de la mquina dentro del proceso.


3.3.2.2. Descripcin general de su funcionamientoExplicacin de la secuencia de pasos que realiza la mquina desde la entrada de materia prima hasta la salida de producto procesado o terminado. Puede ser necesario tener en cuenta las condiciones o restricciones que imponen las etapas previas y posteriores.

3.3.2.3. Variables de DiseoLas variables de proceso identificadas previamente, ahora deben concretarse para la mquina especfica. A parte de las ya nombradas, deben tenerse en cuenta las siguientes.

3.3.2.3.1 Variables CualitativasTipos de mquinas existentes: explicar sus diferencias, ventajas y desventajas comparativas.Funciones o grados de libertad requeridos.Mtodos de alimentacin y descarga.Fuentes tpicas de potencia.Elementos de transmisin tpicos.Mecanismos funcionales.Materiales de construccin.Disposicin estructural de la mquina: horizontal, vertical.


Necesidad de control y automatizacin.Necesidad de elementos de proteccin estructural, funcional, elctrica, etc.Requerimientos de ensamble, instalacin, operacin y mantenimiento.

3.3.2.3.2. Variables CuantitativasPotencias y capacidades tpicas o estndares (consultar catlogos de mquinas comerciales).Velocidades, fuerzas y torques tpicos de operacin.Dimensiones bsicas: rea en planta (teniendo en cuenta no slo el rea neta que ocupa la mquina, sino tambin necesidades de trnsito y mantenimiento), altura mxima, elevacin desde el piso; longitud de bancada mnima, distancias entre ejes, dimetros de volteo, amplitudes de giro, etc.Rangos tpicos de variables de proceso: presin, temperatura, flujo, nivel, densidad, humedad, etc.


Ratas especficas de produccin.Caractersticas especficas de materias primas y/o productos terminados.Consumos especficos de servicios pblicos e industriales: electricidad, agua, alcantarillado, aire comprimido, ventilacin, etc.Nmero de operarios.Vida til y frecuencia de utilizacin, tiempos de operacin (por ejemplo: 10 aos, 300 das/ao, 2 turnos diarios de 8 horas/da de lunes a sbado).

Se reitera que este listado de variables es solamente una gua, pues cada mquina es diferente y tiene condiciones particulares que otra mquina no tiene; y es all precisamente donde la revisin del estado del arte cobra importancia para que el diseador pueda identificar todas las caractersticas relevantes del diseo.


Finalmente se recomienda preparar un cuestionario en forma de tabla antes de cada entrevista con el cliente con el fin de no divagar y aprovechar el tiempo y que no se olvide ninguna variable; tambin resulta til para ir dejando registro escrito de la informacin obtenida. A continuacin se muestra un ejemplo de un formato de tabla para la recoleccin de datos cualitativos y cuantitativos:


Tabla 1.1. Recoleccin de datos cualitativos y cuantitativos

#VARIABLESDESCRIPCIN CUALITATIVAVALORES CUANTITATIVOSUNIDADV .minVmaxVnom12345


3.4. Definicin del Problema

El planteamiento de la necesidad es diferente a la definicin del problema.Como se mencion, la necesidad usualmente se plantea en trminos vagos y generales, pero una vez reunida toda la informacin descrita anteriormente, el diseador puede entonces retomar ese planteamiento inicial y definir un problema de ingeniera estructurado, enunciado de forma concreta, objetiva y en trminos tcnicos.Puesto que un problema puede tener diferentes soluciones, la definicin del problema exige tomar las primeras decisiones de diseo, al hacer explcito el tipo de mquina solucin que probablemente se vaya a utilizar, los requerimientos que debe cumplir y las restricciones que se deben observar; de este enfoque que imponga el diseador depender el rumbo que tome el proceso de diseo.


Resulta til que parte de este enfoque de la solucin (que por ahora slo son ideas) se empiece a concretar en forma de bocetosa mano alzada, fruto del conocimiento adquirido en los pasos anteriores. Estos bocetos tambin ayudan al diseador a comunicar sus ideas al cliente para que este plantee sus conceptos al respecto y las apruebe.

En este punto el diseador solo tiene ideas y puede ignorar todava muchas cosas. Respuestas a las preguntas cmo, cundo, dnde y a qu costo, pueden darse slo con el desarrollo del proceso y es posible e inevitable que deba volver atrs para seguir investigando y replantear objetivos. Es mucho mejor arrancar con mucha informacin y pocas dudas, pues el costo en tiempo y dinero que implica devolverse y corregir es mucho mayor conforme se avance en el proceso de diseo.

De hecho, para la aprobacin de proyectos de ingeniera es indispensable tener definidos el presupuesto y el cronograma de trabajo, lo que implica casi siempre abordar las etapas de diseo preliminar, bsico y parte de detalle, antes de presentar una propuesta y saber si el proyecto se pondr en marcha o no.


4. DISEO BSICO

4.1. Consideraciones del Diseo BsicoDe los pasos anteriores, el diseador sabe si est enfrentado a un problema inexplorado o no.En caso afirmativo, se deben tener las nociones suficientes para decidir si se cuentan con los recursos necesarios para solucionar el problema y seguir adelante o no con el proceso de diseo.En cambio, si el problema ya ha sido abordado, el diseador puede adoptar una solucin existente o bien, buscar una solucin mejorada o innovadora (esto depende en parte de los requerimientos iniciales).Tomar una solucin existente es vlido, sobre todo si est disponible comercialmente.En diseo hay una premisa importante: "no invente lo que ya est inventado y probado". Una pieza comercial que se acomode a las necesidades resulta mucho ms barata y confiable que una piezamanufacturada (dependiendo entre otros factores, de la marca o modelo).


4.2. Divisin en SubsistemasSegn el planteamiento cientfico de Descartes, todo problema, bien sea grande o pequeo, se debe dividir en partes, solucionarse en forma "separada" y luego integrarse. A esto se le llama el mtodo de anlisis y sntesis, que aplicado al diseo mecnico, plantea inicialmente la necesidad de dividir la mquina en subsistemas funcionales.En principio, los subsistemas pueden verse como cajas negras, es decir, conjuntos de elementos que an no se sabe qu son o qu contienen, pero s qu funcin cumplen; entre los subsistemas existen entonces flujos (relaciones) de energa, materia y/o informacin. Cada subsistema requiere un proceso de diseo (sntesis y anlisis) independiente.La designacin de los subsistemas debe hacerse de forma tal que la solucin pueda hacerse de la manera ms independiente posible. Si hay dos cosas que dependen mucho la una de la otra deben agruparse mejor en una sola. Estas relaciones pueden visualizarse mejor mediante un cuadro esquemtico.


Figura 1.3. Divisin De Una Mquina En Subsistemas Bsicos Esenciales


Un ejemplo bsico de divisin de subsistemas es el siguiente: Chasis. Fuente de potencia mecnica (motor). Transmisin de potencia. Mecanismos y actuadores. Sistema hidrulico (neumtico). Sistema elctrico. Controles y elementos electrnicos. Elementos de seguridad. Cubiertas y elementos estticos.Es conveniente usar esquemas y bosquejos como ayuda para la definicin de los subsistemas y de los elementos que los constituyen. Por ejemplo, si se tiene una idea bsica del conjunto y sus dimensiones bsicas a partir de una mquina existente o un concepto definido de ella, puede intentarse una distribucin espacial preliminar por medio de bocetos (sketches) hechos a mano. Los esquemas conceptuales como los de la Figura 1.3, ayudan por su parte a definir las relaciones de dependencia entre los subsistemas.


Para el subsiguiente planteamiento de alternativas y seleccin de soluciones, se debe seguir un orden recomendado entre los diferentes subsistemas.Siempre debe analizarse primero los subsistemas funcionales o actuadores, porque todos los dems elementos de la mquina deben supeditarse al cumplimiento de la funcin principal de la mquina.Luego se sigue con las fuentes de potencia, los sistemas de transmisin, sistemas de proteccin y control (si existen) y por ltimo el subsistema estructural.Por ejemplo, si se elige un pistn hidrulico como actuador en uno de los subsistemas funcionales, ste implica que tanto la fuente de potencia como la transmisin usadas deben ser hidrulicas.


4.3. Planteamiento de alternativas de solucin de subsistemasMuchos diseadores con experiencia toman los subsistemas y los solucionan intuitivamente, es decir, escogen una solucin que en su criterio de ingeniera es la ms recomendable, prctica y econmica; dicho criterio se obtiene con la experiencia de trabajo en proyectos similares complementado por un conocimiento terico obtenido a partir de la bsqueda bibliogrfica.Para proyectos ms complejos o innovadores, es recomendable formar un grupo de expertos (preferiblemente interdisciplinario) que se rena para hacer una lluvia de ideas proponiendo diferentes alternativas y enfoques de solucin, lo que tambin es aplicable en la etapa de definicin del problema.Sin embargo, no es necesario plantear 5 o 10 alternativas de solucin antes de continuar con el proceso; generalmente las opciones prcticas son limitadas (2 a 4) dependiendo del elemento que se est definiendo, y estarn siempre condicionadas a factores externos como dinero, disponibilidad tecnolgica, tiempo, etc.


4.4. Seleccin de alternativas de solucinA veces ocurre que entre un nmero limitado de opciones, es fcil distinguir entre las absurdas o de imposible realizacin, de las que son viables y entre estas ltimas, la ms conveniente y ptima.En otros casos es difcil tomar una decisin cuando hay muchas opciones y son similares en su viabilidad.Para facilitar el anlisis de las diferentes alternativas y la toma de decisin, conviene hacer una tabla de ventajas y desventajas comparativas.Como criterios de calificacin se puede considerar la sencillez (entre menos piezas mviles menor probabilidad de falla), facilidad y costo de instalacin, operacin y mantenimiento, resistencia, durabilidad, peso, seguridad, esttica, etc.A cada criterio se le puede asignar un peso o porcentaje de calificacin de acuerdo con su importancia, de manera que al final se sume y se elija la alternativa con mejor calificacin total.En caso de que el diseo se lleve a cabo por un equipo de trabajo, se promedian las calificaciones de cada diseador.


Tabla 1.2. Ventajas y desventajas

SUBSISTEMAALTERNATIVAVENTAJASDESVENTAJASCALIFICACINS1A4.5B2.5C6.0S2A2.0B3.5C4.5D3.0


4.5. IntegracinAunque sea un solo diseador el que tome las decisiones de solucin de cada subsistema, y se espere que stas sean congruentes, siempre es necesario hacer una integracin conceptual con el fin de verificar si los subsistemas elegidos son compatibles desde el punto de vista funcional.Por ejemplo, que la transmisin elegida sea cualitativamente compatible con el tipo de aplicacin y las condiciones de operacin de la mquina impulsada y por otro lado, que sea compatible con la fuente de potencia mecnica seleccionada.Sin embargo, como en esta etapa an no se han realizado clculos de diseo o seleccin y la calificacin de alternativas es prcticamente cualitativa, es muy difcil saber en este punto si los sistemas podrn funcionar o no, hasta tanto no se adelante el diseo de detalle.Debido al carcter iterativo de muchos procedimientos de diseo y seleccin, es frecuente que algunas decisiones se deban cambiar, por lo que la flexibilidad es una caracterstica natural de un proceso de diseo; sin embargo, se debe tratar de minimizar estos cambios para evitar sobre costos y prdida de tiempo en la ejecucin del proyecto.


5. DISEO DE DETALLE5.1. Consideraciones Del Diseo De Detalle5.1.1. Factores De DiseoA continuacin se enuncia una corta lista de los mltiples factores que un diseador debe tener en mente a la hora de llevar a cabo un procedimiento detallado de diseo o seleccin.Mantener siempre presentes todos estos factores es algo realmente difcil y solo con el tiempo, el diseador lograr adquirir la experiencia y destrezas necesarias para combinar todos estos factores y no obviar ninguno.Resistencia; Confiabilidad; Propiedades fisicoqumicas; Corrosin; Desgaste; Friccin; Procesamiento; Utilidad; Costo; Seguridad; Peso; Duracin; Ruido; Estilizacin; Forma; Tamao; Flexibilidad; Control; Rigidez; Acabado Superficial; Lubricacin; Mantenimiento; Volumen; Normas y estndares; Factores de seguridad; Responsabilidad legal.


5.1.2. Pasos para el dimensionamiento de las piezas

Tomar la mayor cantidad de datos numricos.Calcular flujos de masa y energa en cada subsistema: potencia, torque y velocidad angular (o fuerza y velocidad lineal).Seleccionar los elementos comerciales de acuerdo con esos flujos.Levantar planos de los elementos comerciales.Dimensionar a partir de elementos comerciales.5.1.3. Determinacin de medidas, magnitudes y formasFijas por relaciones con elementos comerciales.Calculadas a partir de sntesis de mecanismos, resistencia de materiales.Libres pero sujetas a: medidas nominales de materiales, procesos de manufactura, diseo de detalle.


5.2. Seleccin de elementos comercialesLos elementos comerciales son el factor limitante del cual se debe partir para el dimensionamiento de las piezas manufacturadas.Dado que vienen en tamaos, capacidades y referencias discretas y limitadas, se deben seleccionar de un catlogo tcnico comercial de acuerdo con los flujos de masa y energa estimados.Hay que resaltar que los "rebusques" son indeseables, incluso en prototipos de prueba; por razones de produccin y mantenimiento, todas las piezas que se seleccionen deben ser normalizadas y estar disponibles comercialmente.Los catlogos tcnicos aportan la informacin bsica de la pieza: dimensiones, material, peso, capacidad, etc.Es imprescindible acceder a estos datos, incluso antes de decidir la compra del elemento, para lo cual se recomienda buscar asesores tcnicos capacitados y no simplemente representantes comerciales.


Dependiendo del tipo de pieza (rodamientos, bandas, cadenas), es necesario seguir un procedimiento de dimensionamiento o seleccin particular, que incluye el uso de frmulas y tablas que aportan los catlogos tcnicos del fabricante.

5.3. Sntesis y anlisis: ciclo iterativoSntesis se podra definir como crear, inventar, solucionar, definir, integrar; mientras que anlisis supone dividir, descomponer, evaluar, calcular, corregir, replantear.

Estos dos pasos del proceso de diseo son simbiticos, pues no se puede analizar algo que no existe, ni tampoco es factible que la primera solucin que se sintetice sea no solo correcta, sino ptima (en esto juega mucho la experiencia del diseador).


En el diseo mecnico la sntesis y el anlisis constituyen un ciclo iterativo y no un procedimiento de clculo directo, ya que en todo modelo de clculo intervienen mltiples variables incgnitas que dependen unas de otras.Esto hace necesario partir de datos disponibles y supuestos, y siguiendo una secuencia lgica de operaciones, generar resultados parciales que se comparan con las restricciones iniciales del problema (o bien factores de seguridad o estndares); finalmente se aprueba la solucin o se corrigen las suposiciones y se inicia de nuevo el ciclo.


5.3.1. Sntesis De Pieza

5.3.1.1. Datos De EntradaBarra cinemtica: relaciones de fuerzas y movimientos con otras piezas.Fuerzas: magnitud y naturaleza de las cargas (internas o externas).Restricciones y consideraciones: costo, tamao, dimensiones de piezas comerciales. Factores de servicio: confiabilidad, aplicaciones, ambientes especiales.

5.3.1.2. ResultadosForma de la pieza.Material.Dimensiones, tolerancias, ajustes y acabados (de maquinado).Proceso de manufactura: secuencia, especificaciones, ensamble, acabados superficiales.


5.3.2. Anlisis De Pieza

5.3.2.1. Datos De EntradaCargas externas: magnitud y naturaleza, pueden ser datos del problema general o resultados de la sntesis de otras piezas.Cargas internas: magnitud y naturaleza, calculadas a partir de la cinemtica y las propiedades de masa (peso, inercias, centro de masa, ejes principales) provenientes de la sntesis.Propiedades del material propuesto (teniendo en cuenta TODOS los fenmenos que se presentan).Propiedades de rea y masa de la pieza supuesta.Modelo de clculo.


5.3.2.2. Resultados

Cumple restricciones y consideraciones? (factores de seguridad, vida til, etc.).

NO:Repetir El Ciclo.

SI:Diseo de pieza "definitivo": pueden producirse cambios posteriores durante el diseo de piezas conexas (integracin).Memorias de clculo: por escrito o programa con reporte de datos de entrada y resultados.Planos de taller (combinables luego en planos de ensamble y explosin del conjunto).Programa de mantenimiento preventivo.


5.4. Integracin

Se hace la integracin de los subsistemas dependiendo de cmo hayan sido diseados.Pueden presentarse problemas diversos, tales como interferencia fsica entre elementos, inconsistencias, omisiones, incompatibilidad entre piezas manufacturadas y elementos comerciales; diferencias en sistemas mtricos, capacidades y/o tolerancias.Muchos de estos problemas surgen cuando diferentes personas o departamentos participan en el proyecto; se necesita una excelente coordinacin y la implementacin de un proceso de diseo paralelo y simultneo con retroalimentacin continua. Si el diseo es individual, an es necesaria la sincronizacin constante entre las soluciones de los diferentes subsistemas.


5.5. Planos de ensamble y de tallerDurante la realizacin de los planos de ensamble se verifican la consistencia y compatibilidad entre las diferentes piezas sintetizadas y/o las piezas comerciales seleccionadas.Los programas CAD y CAE incluyen herramientas de ensamble que identifican entre otros problemas, las interferencias dimensionales entre piezas. Igualmente, los planos de ensamble y explosin le permiten al diseador evaluar detalles de manufactura, ensamble, funcionalidad y mantenimiento que omiti o no pudo analizar durante la sntesis individual de las piezas.Los planos de taller deben especificar hasta el ltimo detalle dimensional y de manufactura de cada una de las piezas, utilizando el debido formato y simbologa.Los programas CAD generan automticamente las vistas y cotas a partir de la pieza tridimensional, permitiendo adems la adicin de anotaciones, detalles, listas de materiales, etc.; para esto algunos programas cuentan con libreras de formatos y smbolos segn diferentes normas, y libreras para el dibujo de piezas comerciales normalizadas, como por ejemplo los tornillos.


PROTOTIPOS Y PRUEBAS

6.1. Prototipos: reales y Virtuales (Cad 3d, Cae, Cam)Dependiendo del objetivo inicial y de las limitaciones de dinero y tiempo, el proceso de diseo puede concluir en una mquina definitiva; o bien, en un prototipo parcial de prueba.En el primer caso, el diseador debe utilizar unos modelos de clculo muy confiables con el fin de minimizar riesgos de falla, o en su defecto, usar factores de seguridad elevados de acuerdo con la aplicacin, pero teniendo en cuenta que se restara eficiencia a la mquina y aumentara su costo.Cuando el diseador sabe que al concluir el prototipo se harn pruebas, entonces puede ser ms audaz en la asignacin de factores de seguridad (acercndose a 1).


Pero si esto no es posible, debe ser bastante conservador y elevar el factor de seguridad, dependiendo de lo confiable del modelo de clculo, la aplicacin y las recomendaciones de las normas existentes acerca del tema.Lo ideal es la construccin de un prototipo para la realizacin de pruebas, con el fin de validar los modelos de clculo, comprobar la resistencia y durabilidad de la mquina, y detectar y corregir los defectos y omisiones.Sin embargo, los programas de CAD, CAE y CAM se usan para crear prototipos virtuales que permiten no slo detectar y corregir tempranamente errores de diseo, sino tambin realizar anlisis de esfuerzos, deformacin y fatiga mediante tcnicas avanzadas como el anlisis de elementos finitos; estos prototipos virtuales ahorran mucho dinero representado en tiempo, materiales y costos de manufactura.


6.2. Pruebas DinmicasDeben realizarse tanto a modelos definitivos como a prototipos, con el fin de validar los modelos matemticos en cuanto a suposiciones y aproximaciones.En principio, las pruebas deben cubrir todos los rangos y condiciones de operacin normales y luego, ensayar bajo condiciones crticas y extremas como por ejemplo el arranque en carga o el paro sbito.Los prototipos permiten la realizacin de ensayos destructivos donde se alcanzan los lmites de resistencia ltima, fluencia y/o fatiga.Obviamente la estricta evaluacin de las pruebas requiere de la disponibilidad de una gran cantidad de mediciones confiables, lo que implica a su vez la necesidad de incurrir en inversiones tecnolgicas, tales como instrumentacin (galgas extensomtricas, celdas de carga, etc.), bancos de prueba especialmente diseados y la contratacin o capacitacin de personal que lleve a cabo los procedimientos (preferiblemente bajo normas internacionales).


Solamente algunas empresas de mucho capital invierten en departamentos de calidad con laboratorios propios donde se hacen pruebas exhaustivas, que aunque costosas, resultan econmica y tcnicamente justificables; otra alternativa ms econmica es subcontratar las pruebas de materiales y piezas crticas con laboratorios certificados.

6.3. RetroalimentacinDe los resultados obtenidos en las pruebas se deben corregir tanto los datos numricos estimados como los modelos matemticos utilizados.Esto dar pie a cambios en geometra y materiales de piezas manufacturadas, cambios de referencias de piezas comerciales y mejoramiento de los factores de seguridad de diseo y reales.


DISEO DEFINITIVO

7.1. Diseo de detalles estticos y especificacin de AcabadosComo se dijo anteriormente, los detalles estticos son uno de los factores de diseo a tener en cuenta, pero casi siempre el ingeniero centra ms su atencin en los factores tcnicos, omitiendo o postergando la consideracin de los primeros.En muchos elementos de uso diario, la ergonoma y el confort son claves en la aceptacin y uso de los mismos tales como los automviles, las herramientas, etc.; y dado que a menudo estn asociados a tamaos, formas y materiales, deben tenerse en cuenta como restricciones iniciales del problema. En muchos casos, la bsqueda tarda de caractersticas estticas puede llevar a cambios importantes en el prototipo, e incluso, pueden originar procesos de rediseo independientes.


Los acabados, adems de fines estticos, pueden cumplir tambin requerimientos funcionales y de proteccin (acabados de mecanizado, tratamientos superficiales, pinturas, etc.) y deben incluirse como parte de los procedimientos de manufactura.

7.2. Planos Definitivos: detalle, taller, ensamble y explosinDespus de actualizar y sincronizar los cambios decididos a partir de las pruebas del prototipo, se obtienen como resultado modelos de clculos corregidos y planos definitivos de taller, ensamble y explosin de piezas que harn parte de la documentacin y comunicacin del proyecto.


7.3. Construccin de la mquina (pieza) en serieDesde el principio el diseador debe tener claro si el objetivo del proceso de diseo es la obtencin de una mquina nica y definitiva, o bien, un prototipo de fabricacin en serie.La diferencia radica en el grado de especificacin del proceso de manufactura.En el caso de un modelo nico, muchos procesos se subcontratan pues no se justifica la adquisicin de maquinaria y herramienta ni la implementacin de procedimientos, mientras que para la fabricacin en serie, los procesos son tan importantes como la pieza y deben especificarse y documentarse detalladamente.


CIERRE DEL PROYECTO & COMUNICACIN

8.1. Bitcora De DiseoLlevar un cuaderno o flder con hojas numeradas y con toda lasecuencia del diseo:Bocetos (sketches).Datos iniciales dados y supuestos.Modelo de clculo.Decisiones de correccin o cambio justificadas (para el caso de piezas de produccin).Catlogos y planos de piezas comerciales utilizadas.Datos de proveedores y precios de lista.Seguimiento del cronograma y presupuesto de trabajo.Planos definitivos completos.Especificaciones de manufactura y acabado.Manuales: instrucciones de ensamble, instalacin, operacin y seguridad.


Programa de mantenimiento.La importancia de conservar en forma organizada estadocumentacin radica en:El registro detallado de la secuencia de diseo facilita enormemente la revisin del diseo y el anlisis de fallas.Es soporte tcnico, contractual y legal en el caso de auditoria o demandas por responsabilidad civil.Resumida y complementada, se convierte en memorias de clculo del proyecto que se entregan al cliente externo, o se convierten en parte del archivo de la Empresa.Es base documental para la solicitud de patentes.Comprende en forma escrita gran parte del conocimiento y experiencia generados durante el diseo: ste es el mayor valor agregado intangible del proyecto.


8.2. Memorias de clculo, planos y manualesEs importantsima la conservacin de las hojas con borradores de clculo, bocetos de planos, programas, planos definitivos, etc.Como ya se mencion, sirven de soporte tcnico, contractual y legal en caso de reclamaciones; pero como parte del manual de instalacin, operacin y mantenimiento que se debe entregar a un cliente externo, debe incluirse una copia en limpio de las memorias de clculo y de los planos definitivos (guardando la debida reserva tcnica); si el cliente es interno, entonces las memorias harn parte del archivo tcnico de la compaa.

8.3. Patente y registro comercialSi la pieza, mquina o incluso proceso de manufactura resultante del proceso de diseo representa una innovacin tcnica significativa y/o est destinada a ser explotada comercialmente, conviene solicitar una patente para proteger la propiedad intelectual y comercial de los mismos y un registro comercial del modelo y marca.


Toda la informacin pertinente al diseo debe organizarse y compilarse para que sirva de documentacin tcnica de soporte exigida para la solicitud de estos documentos legales.

8.4. Catlogos ComercialesIgualmente se puede recopilar toda la informacin pertinente para crear un catlogo comercial con todas las especificaciones tcnicas relevantes del equipo: descripcin funcional, modelo, fotos, diagramas, potencia, capacidad, dimensiones bsicas, requerimientos de instalacin, operacin y mantenimiento, etc.

9. BIBLIOGRAFANORTON, Robert. Diseo De Mquinas. Mxico D.F.: Prentice-Hall. 1999. 1048p.OCHOA, Juan Jos. Notas De Clase Del Curso De Diseo De Mquinas. Medelln: UPB. 2002. 40p.SHIGLEY, Joseph. Diseo En Ingeniera Mecnica. 6 ed. Mxico: McGraw-Hill. 2002. 1257p.VLEZ, Jos Fabio. Notas De Clase Del Curso De Ejecucin De Proyectos De Ingeniera. Medelln: UPB. 2004. 133p.


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