El documento presenta un análisis del proceso de diseño de mecanismos. Brevemente describe: 1) La historia y conceptos fundamentales de la cinemática y su importancia en el diseño mecánico, 2) Las etapas clave del proceso de diseño, incluyendo la identificación del problema, investigación, especificación de objetivos, generación de ideas y análisis, y 3) Ejemplos históricos de cientificos e ingenieros que contribuyeron al desarrollo de la cinemática moderna.

1. ANALISIS CINEMATICO DE
MECANISMOS
Presenta: Dr. Ing. Ángel Francisco Villalpando Reyna
Ingeniería Mecatronica
Tema 1. Antecedentes

2. Objetivo
• Conceptualizar el termino Mecanismo
• Establecer el concepto de Cinemática y su origen
• Establecer las etapas del diseño de un mecanismo

3. 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 .

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

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

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

10. Historia de la Cinemática
Las máquinas y mecanismos fueron ideados desde el amanecer de la
historia.
Los antiguos egipcios idearon máquinas primitivas para la construcción de
las pirámides y otros monumentos. Aunque los egipcios del Imperio antiguo
no conocían la rueda y la polea (montadas en un eje), utilizaron la palanca,
el plano inclinado (o cuña) y probablemente el rodador de troncos.

11. 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.

12. Historia de la Cinemática
La ingeniería Mecánica tuvo sus principios en el diseño de máquinas, a medida que las
invenciones de la Revolución Industrial requerían soluciones más complicadas en problemas
de control de movimiento.
James Watt (1736-1819) probablemente merece el título de primer cinematiciano por su
síntesis de un eslabonamiento de línea recta

13. Historia de la Cinemática
Oliver Evans (1755-1819) un inventor estadounidense, también diseñó un
eslabonamiento en línea recta para un motor de vapor.
Euler (1707-1783) fue contemporáneo de Watt. Euler presentó un
tratamiento analítico de mecanismos en su Mechanica sive Motus Scienta
Analytice Exposita (1736-1742), en la que incluyó el concepto de que el
movimiento plano consta de dos componentes independientes, a saber, la
traslación de un punto y la rotación del cuerpo en torno a dicho punto.

14. Historia de la Cinemática
Robert Willis (1800-1875) escribió el texto Principles of Mechanisms,
en 1841, mientras se desempeñaba como profesor de Filosofía
Natural en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Intentó
sistematizar la tarea de síntesis de mecanismos. Contó cinco formas
de obtener movimiento relativo entre eslabones de entrada y salida:
contacto rodante, contacto deslizante, eslabonamientos, conectores
envolventes (bandas, cadenas) y polipastos (malacates de cuerda o
cadena).

15. Historia de la Cinemática
Franz Reuleaux (1829-1905), publicó Theoretische Kinematik en 1875.
Muchas de sus ideas todavía son actuales y útiles. Reuleaux definió seis
componentes 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 en
un cojinete de rodillos o bolas) y los inferiores tienen un contacto
superficial (como en las juntas de pasador). Reuleaux en general es
considerado como el padre de la cinemática moderna

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. EL PROCESO DE DISEÑO
Éstos 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”.

20. 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”.

21. 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.

22. Etapas de la Síntesis de Mecanismos

23. Identificación de la necesidad
Este 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.”

24. Investigación preliminar
Ésta 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.

25. 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

26. Planteamiento de objetivos
Una 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.

27. 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.

28. Especificaciones de desempeño
Cuando 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.

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

30. Ideación e invención
Este paso está lleno tanto de diversión como de frustración. Esta fase es
potencialmente la más satisfactoria para la mayoría de los diseñadores, pero
también la más difícil. Se ha realizado una gran cantidad de investigación para
explorar el fenómeno de “creatividad”. Ésta es, y la mayoría está de acuerdo, una
cualidad humana.
Se puede mejorar su creatividad mediante varias técnicas.
Proceso creativo Se han desarrollado muchas técnicas para mejorar o inspirar la
solución creativa de problemas. De hecho, en tanto se han definido procesos de
diseño, se muestra el proceso creativo en la tabla 1-3. Este proceso creativo se
puede 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.

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

32. 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 sobre
su calidad se pospone para más adelante.

33. 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 antecedente
del problema.
Un periodo de reorganización.

34. Análisis
Una vez que en esta etapa se ha estructurado el problema, por lo menos
temporalmente, ahora se pueden aplicar técnicas de análisis más
complejas para examinar el desempeño del diseño en la fase de análisis
del proceso de diseño. (Algunos de estos métodos de análisis se
analizarán en detalle en los capítulos siguientes.)
Se requerirá más iteración conforme el análisis ponga de manifiesto
algunos problemas. Se deben repetir tantos pasos iniciales del proceso
de diseño como sea necesario para garantizar su éxito.

35. Selección
Cuando el análisis técnico indica que se tienen algunos diseños
potencialmente factibles, se debe seleccionar el mejor disponible para un
diseño detallado, creación de prototipo y pruebas. El proceso de selección
casi siempre implica un análisis comparativo de las soluciones de diseño
disponibles. En ocasiones una matriz de decisión ayuda a identificar la
mejor solución al forzarlo a considerar varios factores de manera
sistemática.

36. En la figura 1-2 se muestra una matriz de decisión
para la propuesta de un mejor cortador de césped.
Cada diseño ocupa una fila en la matriz. A las
columnas se les asignan categorías en las que los
diseños tienen que ser evaluados, tales como
costo, facilidad de uso, efi ciencia, desempeño,
confiabilidad y cualquier otra que considere
apropiada para el problema particular. Luego, a
cada categoría se le asigna un factor de
ponderación, el cual mide su importancia relativa.
Como ingeniero de diseño tiene que ejercer un
juicio en cuanto a la selección y ponderación de
estas categorías.

37. Diseño detallado
Este paso en general incluye la creación de un conjunto completo de dibujos
de ensamble detallados, o archivos de diseño asistido por computadora (CAD),
por cada pieza utilizada en el diseño. Cada dibujo detallado debe especificar
todas las dimensiones y las especificaciones de material necesarias
para fabricar la pieza. Con estos dibujos (o archivos CAD) se debe construir un
modelo (o modelos)de prototipos para experimentos físicos. Es muy probable
que las pruebas descubrirán más fallas, querequieran más iteración.

38. Creación de prototipos y pruebas
Modelos Por último, se puede verificar la corrección o factibilidad de cualquier
diseño hasta que esté construido y probado. Esto por lo general implica la
construcción de un modelo físico del prototipo. Un modelo matemático, si bien
es muy útil, nunca puede ser una representación completa y precisa del sistema
físico real como un modelo físico, por la necesidad de simplificar las
suposiciones.
Los prototipos a menudo son muy caros, pero pueden ser la forma más
económica de probar un diseño, sin tener que construir el dispositivo real de
tamaño natural. Pueden adoptar muchas formas, desde modelos a escala de
trabajo, hasta representaciones de tamaño natural, pero simplificadas, del
concepto.
Los modelos a escala conllevan sus propias complicaciones con respecto a la
representación a la escala apropiada de los parámetros físicos.

39. Las pruebas del modelo o prototipo pueden variar desde simplemente
accionarlo y observar su funcionamiento, hasta fijar instrumentos
suficientes para medir con precisión sus desplazamientos, velocidades,
aceleraciones, fuerzas, temperaturas y otros parámetros. Puede que se
requieran pruebas en condiciones ambientales controladas tales como
alta o baja temperatura o humedad. La microcomputadora ha hecho
posible medir muchos fenómenos con precisión y a más bajo costo de lo
que se podía hacer antes.

40. Producción
Por último, con suficiente tiempo, dinero y perseverancia, el diseño estará listo
para su producción. Ésta podría consistir en la manufactura de una versión final
simple del diseño, pero muy probablemente significará hacer miles o incluso
millones de piezas de ese artefacto.
El peligro, gasto y turbación de encontrar fallas en su diseño después de hacer
grandes cantidades de dispositivos defectuosos deberán obligarlo a tener el
mayor cuidado en los primeros pasos del proceso de diseño para garantizar
que éste sea ejecutado apropiadamente.