MECANISMOSPresenta: Dr. Ing. Ángel Francisco Villalpando Reyna

Ingeniería Mecatronica

Tema 1. Antecedentes

En principio, Física es la ciencia que tiene como objeto el estudio de los cuerpos, sus leyes y sus propiedades, en tanto no cambie su composición química. Las 4 áreas fundamentales son la energía, la materia, el tiempo y el espacio, así como la interacción entre los mismos.

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

La Mecánica se define como: La parte de la física que estudia el movimiento y las fuerzas que pueden producirlo, así como el efecto 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) los movimientos deseados de las partes mecánicas y luego calcular matemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que los movimientos crearan en las partes.

Las decisiones básicas y tempranas en el proceso de diseño que implican principios cinemáticos pueden ser cruciales para cualquier diseño mecánico. Un diseño con cinemática deficiente resultara problemática y funcionara mal.

Diferencia entre Mecanismos y Maquinas

• Inicialmente se puede definir un Mecanismo como un dispositivo que transforma un movimiento en un patrón deseable y por lo general desarrolla fuerzas muy bajas. Hunt, define como mecanismo como un medio de transmisión, control o restricción del movimiento relativo.

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

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

Mecanismos (ejemplos)un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj análogo, una silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas

Máquinas (ejemplos que poseen movimientos similares a los mecanismos)Procesador de alimentos, la transmisión de un automóvil o un robot.

APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA • Una de las primeras tareas al resolver cualquier problema de

diseño de máquinas es determinar la configuración cinemática necesaria para producir los movimientos deseados

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

APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA • Virtualmente cualquier máquina o dispositivo que se mueve

contiene uno o más elementos cinemáticos, tales como eslabonamientos, levas, engranes, bandas, cadenas. La bicicleta puede ser un ejemplo simple de un sistema cinemático que contiene una transmisión de cadena para generar la multiplicación del par de torsión, y eslabonamientos operados por cables simples para el frenado.

APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA

Equipos de construcción como tractores, grúas y retroexcavadoras utilizan extensamente eslabonamientos en su diseño. La figura muestra una retroexcavadora cuyo eslabonamiento es propulsado por cilindros hidráulicos.

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 requiere que el estudiante disponga de un conjunto de problemas estructurados, paso a paso ideados para esclarecer un concepto o conceptos 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 enfrenta el reto de estructurar problemas no estructurados. De manera invariable, el problema tal como es planteado al ingeniero está mal definido e incompleto.

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

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

Etapas de la Síntesis de Mecanismos

Identificación de la necesidadEste primer paso es realizado por alguien, jefe o cliente, al decir: “Lo que se necesita es…” Por lo general este enunciado será breve y sin detalles. Estará muy lejos de proporcionarle un planteamiento estructurado del problema. Por ejemplo, el enunciado del problema podría ser: “Se necesita una mejor podadora de pasto.”

Investigación preliminarÉsta es la fase más importante del proceso, y desafortunadamente con mucha frecuencia la más ignorada.

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

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

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

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

Planteamiento de objetivosUna vez que se entiende por completo el antecedente del problema como originalmente se planteó, se estará listo para replantearlo en forma 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 que predigan una solución.

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

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

Especificaciones de desempeñoCuando se entiende el antecedente y se plantea el objetivo con claridad, se está listo para formular un conjunto de especificaciones de desempeño (también llamado especificaciones de tareas). Éstas no deberán ser especificaciones de diseño. La diferencia es que las especificaciones de desempeño definen lo que el sistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño definen cómo debe hacerse.

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

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