Tsu. Informatica

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
INGENIERÍA INDUSTRIAL
MÁQUINAS Y ESTRUCTURAS

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEÑO DE BRAZO MECÁNICO EFICIENTE
MEDIANTE OPTIMIZACIÓN MULTIOBJETIVO

AUTOR: JORGE TIERNO ALVITE
TUTOR: CRISTINA CASTEJÓN SISAMÓN

Índice general

1. INTRODUCCIÓN

11

1.1. Morfología del proceso de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 14
1.2. Denición de los términos mecánicos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2. OBJETIVOS

19

3. SÍNTESIS DE MECANISMOS

21

3.1. Síntesis de conguraciones en el proceso creativo . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1. Sistemática de eslabonamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2. Síntesis numérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 23
3.1.3. Técnicas de transformación de eslabonamientos . . . . . . . . . . . 26
3.2. Derivación de isómeros aceptables para combinaciones de eslabones . . . . 29
3.2.1. Isómeros aceptables mediante boceto separado . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2. Isómeros aceptables a partir de conjuntos numéricos . . . . . . . . . 31

4. OPTIMIZACIÓN

33

4.1. Introducción a laoptimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1. Supercie de restricción y supercies de la función objetivo . . . . . 35
4.2. La optimización multiobjetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1. Criterios de optimización para manipuladores . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2. Optimización multiobjetivo con M AT LAB

. . . . . . . . . . . . . 39

5.DESARROLLO DEL PROYECTO

41

5.1. Obtención de mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.1. Mecanismos preseleccionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1.2. Comparación de mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.3. Cinemática del mecanismo más prometedor . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.4. Ecuaciones analíticas de posición . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.5. Ecuaciones analíticas de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2. Optimización multiobjetivo del mecanismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.1. Funciones objetivo elegidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.2. Implementación en M AT LAB

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6. RESULTADOS

736.1. Resultados del proceso de optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1.1. Criterio de alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.2. Criterio de peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.3. Criterio de amplitud máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.1.4. Criterio de altura en posición extendida . . . . . . .. . . . . . . . 80
6.1.5. Optimización sin restricciones adicionales . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.6. Resultados de la optimización completa . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2. Selección del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3. Validación del mecanismo mediante modelo de elementos nitos . . . . . . 93
6.3.1. Metodología utilizada . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2. Resultados de la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

103

APÉNDICES

109

A. CARACTERÍSTICAS DE MOTOR Y REDUCTORA

109

B. PLANOS DEL MECANISMO

117

Lista de Figuras
1.1. Morfología del proceso de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1. Tiposbásicos de eslabones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2. Eliminación de eslabón y adición de semijunta . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3. Leva seguidor equivalente a mecanismo de 4 barras . . . . . . . . . . . . . 28
3.4. Contracción parcial de un eslabón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5. Contracción completa de un eslabón . . . . . . . . . ....