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PROYECTO MONTACARGAS
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO. INGENIERÍA MECATRÓNICA. CAD/CAM/CAE. INFORME DE PROYECTO.
INTEGRANTES : NIVEL FECHA PROFESOR
: : :
- Jenny Mata. - Edison Herrera. Noveno 23 de Enero del 2012. Ing. Fausto Acuña.
1. TEMA: Estudio de Movimiento de un montacargas en Solidworks.
2. OBJETIVOS: 2.1. OBJETIVO GENERAL: 2.1.1. Simular el funcionamiento de un montacargas convencional con sus dos movimientos principales, principales, el movimiento de desplazamiento sobre sus ruedas, y el movimiento de elevación de carga llevado a cabo por su sistema de elevación. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 2.2.1. Utilizar Estudios de Animación. 2.2.2. Analizar modelos mecánicos con todos los posibles efectos de los fenómenos que los afectan. 2.2.3. Simular el funcionamiento de motores rotatorios y lineales. 2.2.4. Asignar propiedades de material al modelo manualmente. 2.2.5. Generar gráficas de respuesta con respecto al tiempo.
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3. MATERIALES UTILIZADOS: 3.1. Computadora Personal. 3.2. Software Solidworks. 3.3. Ejercicios de aplicación práctica.
4. MARCO TEÓRICO: Recipiente a Presión Se considera como un recipiente a presión cualquier vasija cerrada que sea capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o vació, independientemente de su forma y dimensiones. Los recipientes cilíndricos a que nos referimos en este tomo, son calculados como cilindros de pared delgada. Solidworks Motion El movimiento de los componentes que forman parte del ensamblaje durante la simulación, estará determinado por varios factores como por ejemplo las uniones que conectan a las partes, el movimiento motor del que se dote al modelo, las propiedades físicas y mecánicas de los componentes, las fuerzas aplicadas tanto al conjunto como a las piezas por separado, y por supuesto, el tiempo. “SolidWorks Motion” permite regular
todos estos parámetros y ver los efectos que estos cambios producen en cada instante sobre el conjunto.
Análisis de movimiento movimiento Se utiliza “Análisis de movimiento” para simular y analizar con precisión el movimiento de un ensamblaje a la vez que se incorporan los efectos de los “Estudios de movimiento”,
esto es, motores, fuerzas, resortes, amortiguadores, contactos y fricción. Un estudio de “Análisis de movimiento” combina elementos de “Estudio de movimiento” con relaciones
de posición en cálculos de movimiento. Esto quiere decir que las restricciones de movimiento, las propiedades de materiales, la masa y los contactos entre componentes se tienen en cuenta en los cálculos realizados por el solver cinemático de “SolidWorks Motion”. Para comenzar a simular los mecanismos con un “Estudio de movimiento” en “SolidWorks “SolidWorks Motion” se debe seleccionar “Análisis de movimiento” en la lista desplegable de tipos de estu dios de movimiento en el menú de “SolidWorks Motion” ó “Motion Manager”.
Introducción Un “Estudio de movimiento” es una simulación gráfica de movimiento para modelos de
ensamblaje. Puede incorporar en un estudio de movimiento propiedades visuales, como iluminación y perspectiva de cámara. Los estudios de movimiento no modifican un modelo de ensamblaje ni sus propiedades sino que simulan y animan el movimiento prescrito para un modelo.
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Puede utilizar relaciones de posición de “SolidWorks” para restringir el movimiento de
componentes en un ensamblaje al modelar movimiento.
Figura 1. Interfaz “SolidWorks Motion” .
En un “Estudio de movimiento”, utilice el menú de “SolidWorks Motion”, la interfaz con
escala de tiempo que incluye las siguientes herramientas de estudio de movimiento:
Animación Se utiliza “Animación” para animar el movimiento de ensamblajes:
Agregue motores para conducir el movimiento de una o varias piezas de un ensamblaje. Prescriba las posiciones de los componentes del ensamblaje en varios momentos mediante la utilización de marcas. “Animación” utiliza interpolación para definir
el movimiento de los componentes de un ensamblaje entre marcas. En este tipo de “Estudio de movimiento” no es posible el uso de fuerzas, resortes,
contactos, etc. Su uso se limita a observar el movimiento de los componentes en el ensamblaje.
Movimiento básico Se utiliza “Movimiento básico” en ensamblajes para simular los efectos de motores, resortes, colisiones y gravedad. A la hora de calcular el movimiento, “Movimiento básico”
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tiene en cuenta la masa. El cálculo es relativamente rápido, por lo que puede utilizar este estudio de movimiento para crear animaciones tipo presentación mediante simulaciones basadas en leyes físicas.
Figura 2. Análisis de movimiento.
Análisis de movimiento “Análisis de movimiento” se utiliza para simular y analizar de forma precisa en un
ensamblaje los efectos de elementos de movimiento (incluyendo fuerzas, resortes, amortiguadores y fricción). Este tipo de movimiento utiliza solvers cinemáticos potentes, desde el punto de vista del cálculo, y tiene en cuenta propiedades materiales así como la masa e inercia. También puede utilizar “Análisis de movimiento” para trazar resultados
de simulación para análisis adicionales.
Figura 3. Interfaz de SolidWorks Motion. La barra de herramientas del menú “SolidWorks Motion” también se puede utilizar para:
Cambiar puntos de vista. Mostrar propiedades. Crear animaciones con calidad de presentación que muestren el movimiento de un ensamblaje.
Cómo decidir qué tipo de estudio utilizar En general, lo más propicio es utilizar “Animación” para crear estudios de movimiento
con calidad de presentación en las que no es necesario tener en cuenta la masa o la gravedad. Se utiliza “Movimiento básico” para crear simul aciones de movimiento con calidad de
presentación en las que se tiene en cuenta la masa, las colisiones o la gravedad. Por último, “Análisis de movimiento” se utiliza para ejecutar simulaciones potentes,
desde el punto de vista del cálculo, que tienen en cuenta la física del movimiento del ensamblaje. De las tres opciones, esta herramienta es la que más recursos utiliza durante
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el cálculo. Los resultados serán mejores cuanto mejor se entienda la física del movimiento deseado. Utilice “Análisis de movimiento” para ejecutar estudios de análisis de impacto
para entender la respuesta de los componentes a distintos tipos de fuerzas.
Motor Un motor es un elemento presente en un estudio de movimiento que mueve componentes en un ensamblaje simulando los efectos que provocaría. En “SolidWorks Motion” hay dos tipos de motores en función del movimiento que se les
quiera dar a los componentes:
Motor Rotatorio Motor Lineal
Es importante tener en cuenta que los motores mueven componentes en una dirección seleccionada, pero no son fuerzas. El movimiento originado por motores prevalece sobre el originado por otros elementos de simulación. Para seleccionar “Motor” y elegir los parámetros correspondientes, en el menú de
“SolidWorks Motion” seleccionar
. No se debe agregar más de un motor del mismo
tipo al mismo componente.
Figura 4. Motor.
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Motor Rotatorio Se utiliza para dotar al mecanismo de movimiento rotatorio. En el menú “Motor” se debe seleccionar “Componente/Dirección” de éste, así como el tipo de movimiento.
Los tipos de “Movimiento” son:
Velocidad constante. La velocidad del motor es constante. Se escribe el valor de esta velocidad (en rpm). Distancia. El motor funciona para una distancia establecida que el usuario determina y un tiempo también indicado. Se introducen los valores de Desplazamiento (en grados), Inicio (segundo de inicio) y Duración (en segundos). Oscilante. Se introducen los valores de Amplitud y Frecuencia para el movimiento deseado. Interpolado: o Se selecciona el Valor interpolado (Desplazamiento, Velocidad, Aceleración). o Se configuran valores para el tiempo y valor de la interpolación. o Tipo de interpolación (Akima o Cúbica). o Fuerzas
Se utilizan fuerzas para animar el movimiento de piezas móviles en un ensamblaje y para simular la existencia de cargas externas en el modelo. En el menú de “SolidWorks Motion” se selecciona “Fuerza”.
para mostrar el menú específico de
Un estudio de “Análisis de movimiento” elimina las relaciones de posición redundantes
durante el cálculo del movimiento imponiendo fuerza cero en las ubicaciones de relaciones de posición de las piezas afectadas. Para modelos con restricciones redundantes, “SolidWorks Motion” remplaza automáticamente estas relaciones de posición con casquillos. Las fuerzas se calculan posteriormente en las ubicaciones de las relaciones de posición redundantes.
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Figura 5. Fuerza Existen dos tipos de fuerzas en “SolidWorks Motion”:
Fuerza Lineal Fuerza Torsional (Momento Torsor).
En el menú “Fuerzas”, tras escoger entre los tipos de fuerza (lineal o torsional), el
siguiente paso es diferenciar entre:
Fuerza de “Sólo acción”, esta fuerza es aplicada en un punto de un cuerpo rígido y
las fuerzas de reacción no se calculan.
Fuerza de “Acción y Reacción”. Se aplica entre dos puntos, la fuerza se aplica al
primer cuerpo, y una igual pero contraria se aplica al segundo cuerpo. Para “Forzar posición y dirección de acción” de la fuerza se selecciona una cara, arista o
vértice y en caso de tratarse de una formación de acción y reacción, se hace lo mismo para “Forzar posición de reacción”.
También se debe especificar el origen de la fuerza, que puede ser:
Origen del ensamblaje Componente seleccionado
Forzar Función Existen diferentes formas de introducir la fuerza en el modelo:
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Constante. Un valor fijo (En Newtons) Paso. Se da el valor de la fuerza (Valor inicial y Valor final) en dos instantes de tiempo diferentes (Tiempo de paso inicial y Tiempo de paso final). Armónico. Debe configurarse Amplitud, Frecuencia, Promedio y Cambio de fase.
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Expresión. Se introduce una fórmula utilizando funciones compatibles. Interpolado. Se introducen valores de Tiempo y Fuerza, y se selecciona el tipo de interpolación (Akima o Cúbica). También se puede cargar desde un archivo (.txt ó .csv) que contenga el tiempo de interpolación y los valores de Tiempo y Fuerza.
Gravedad La gravedad tiene mucha importancia en las simulaciones, sobre todo en aquellos mecanismos cuyas piezas tienen un gran peso. En “SolidWorks Motion” la gravedad, al
igual que el resto de las fuerzas consta de dos componentes, la dirección del vector gravitacional y la magnitud de la aceleración gravitacional. Estos parámetros se pueden modificar en el menú, especificando la dirección del vector según los valores de x, y, z. La magnitud por defecto es de 9,806 m/s2.
Figura 6. Gravedad
Análisis. Pasos a seguir Una vez que se ha creado un mecanismo y se le han aplicado las restricciones, motores, fuerzas, etc., éste ya está listo para ser simulado y a continuación ver cuál es su comportamiento.
Figura 7. Calcular
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Con este botón que vemos en la imagen superior, se comienza la simulación. Además se utiliza para borrar los resultados de una simulación ya realizada al realizar una nueva simulación. Para realizar simulaciones también es interesante fijarse en la barra de herramientas que vemos en la imagen inferior. Con esta barra pueden reproducirse simulaciones ya realizadas, con el objeto de no hacer al equipo simular el modelo cada vez que se quiera ver la simulación. A parte de la barra de reproducción que nos indica la cantidad simulada o reproducida, es interesante la pestaña de porcentaje en la que podemos elegir el porcentaje de velocidad a la que queremos que se reproduzca una simulación ya realizada.
Figura 8. Barra de herramientas simulación.
A la hora de real izar una simulación en “Análisis de movimiento” hay una serie de opciones que deben ser consideradas para que el proceso de simulación sea lo más rápido posible:
Fotogramas por segundo. Este valor multiplicado por la longitud de la animación especifica el número total de fotogramas que se han capturado. Este valor no afecta a la velocidad de reproducción. Animar durante simulación. La desactivación de esta opción acelera el tiempo de cálculo y evita que los gráficos muestren el movimiento durante el cálculo de la simulación. Remplazar relaciones de posición redundantes con casquillos. Esta opción convierte cada relación de posición en el ensamblaje en un casquillo. En la mayoría de casos, esto incrementa el tiempo necesario para llevar a cabo el cálculo. Parámetros de casquillo. Después de seleccionar “Remplazar relaciones de posición redundantes con casquillos”, haga clic en “Parámetros de casquillo” para
cambiar la rigidez y el amortiguamiento para todos los casquillos que remplazan relaciones de posición redundantes.
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Resolución de contacto 3D. Normalmente “SolidWorks Motion” representa formas
como polígonos de varios lados. Cuanto mayor es el número de lados, más se acerca SolidWorks Motion a la geometría real. Sin embargo, esto incrementa el tiempo necesario de cálculo al introducir Contacto 3D. Utilizar contacto preciso. Seleccione esta opción para calcular el contacto mediante ecuaciones que representan sólidos. Desactive esta opción para calcular el contacto aproximado utilizando la geometría de polígonos de varios lados. Al
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seleccionar “Utilizar contacto preciso”, el contacto calculado es correcto desde el
punto de vista analítico pero puede demorar más que una solución aproximada. Precisión. Los valores más altos incrementan el tiempo necesario para llevar a cabo el cálculo.
Valores predeterminados de trazado. Configure definiciones para mostrar los trazados. Opciones avanzadas. Éstas son opciones adicionales para usuarios avanzados. Opciones generales. Al seleccionar la primera opción, se aplica la configuración como predeterminada para cada estudio de movimiento que cree. Seleccione la segunda opción para mostrar mensajes durante los cálculos de un estudio de Análisis de movimiento.
Figura 9. Opciones de simulación
Resultados Una vez simulado un determinado modelo toca analizar los resultados obtenidos. Normalmente en una simulación pueden extraerse multitud de resultados, aunque lo lógico es tener unos objetivos concretos antes de iniciar la simulación y analizar sólo los resultados que nos permitan conocer si esos objetivos iniciales se han cumplido o no tras la simulación.
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Figura 10. Resultados.
Lo primero que hay que saber es el resultado que deseamos obtener. Se debe seleccionar una categoría, una subcategoría y opcionalmente puede tener que seleccionarse un componente o una dirección que defina el resultado (Ver Tabla 3). Tabla 3. Categorías y subcategorías de resultados Categorías
Desplazamiento/Velocidad/Aceleración
Subcategorías
Fuerzas
Momento/Energía/Electricidad
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Ruta de trazo. Posición XYZ. Desplazamiento lineal. Velocidad lineal. Aceleración lineal. Desplazamiento angular. Velocidad angular. Aceleración angular. Ángulo de presión. Fuerza aplicada. Torsión aplicada. Fuerza de reacción. Momento de reacción. Fuerza de fricción. Momento de fricción. Momento traslacional. Momento angular. Energía cinética traslacional. Energía cinética angular. Total de energía cinética. Posible Delta de energía. Consumo de energía.
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Otras cantidades
Generador de movimiento rotatorio. Ángulos de Euler. Paso/Oscilación/Rotación. Parámetros de Rodríguez. Ángulos de Bryant. Ángulos de proyección.
También es posible crear un resultado nuevo que no esté entre los predefinidos que se muestran en la tabla superior. Para crear un nuevo trazado, debe seleccionarse “Resultado frente a: Nuevo resultado”.
Figura 11. Nuevo resultado.
Esta herramienta puede ser útil para conocer resultados muy concretos a los que no se puede acceder de forma predeterminada.
5. PROCEDIMIENTO: SolidWorks Motion
En “Estudio de movimiento 1” y situarse en la pestaña “Análisis de movimiento”. Se va a
empezar haciendo moverse a la carretilla. En primer lugar, se activará la gravedad, ya que de ello depende el movimiento de la misma. Sin más que en el menú de “SolidWorks Motion” escoger “Gravedad”, y en el menú automático seleccionar la componente Y.
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A continuación, se elegirá el motor para la carretilla. Para realizar la simulación, es necesario darles un movimiento de rotación a las ruedas, con lo que se dispondrá un motor rotatorio en las ruedas delanteras, que harán de ruedas motrices. Esta simulación durará 12 segundos, durante los cuales la carretilla debe acelerar para iniciar el movimiento además de elevar la carga mientras decelera su marcha. Se selecciona “motor rotativo” en el menú de “SolidWorks Motion”, y en los parámetros se
configura como sigue: Dirección, el eje de las ruedas y moviéndose respecto al suelo. La mayor novedad viene a la hora de seleccionar el movimiento. Se escoge la opción “Expresión” de la velocidad, y en la ventana f(x) se escribe la fórmula que se ve en la
imagen. Esta fórmula es una sencilla forma de introducirle al programa el movimiento que se quiere que realice. Lo que se le está ordenando es que, entre los segundos 0 y 10, la velocidad sea de 0 a 90 grados/segundo y de 10 a 11 segundos, esta velocidad vaya en descenso desde esos 90 grados/segundo hasta 0, es decir, se desacelera la carretilla para que ésta se detenga.
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Esta forma de introducir comandos es muy útil en “SolidWorks Motion” y no solo se utiliza para velocidades, sino que también se puede hacer con desplazamientos y aceleraciones. La arquitectura de la expresión siempre es la misma, variando los parámetros en función de las necesidades. El siguiente paso es definir los contactos entre las ruedas de la carretilla y el suelo. Si no se hiciera esto, el programa no asociaría estos elementos y debido a la gravedad, la carretilla se “hundiría”. Para definir dichos contactos, en el menú “SolidWorks Motion” se escoge “Contactar” y se
selecciona como componentes para la operación, las ruedas delanteras y el suelo. Puesto que los materiales de ruedas y suelo no se encuentran entre los que hay para escoger, se deshabilita la opción “ Especificar material ” y se selecciona “Fricción”. En este punto, se ponen los parámetros que se ven en la imagen para realizar un contacto con características reales.
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Hacer exactamente lo mismo para definir el contacto entre el suelo y las ruedas traseras. A la hora de seleccionar los componentes de la operación, se escoge en este caso las ruedas traseras y el suelo, el resto de parámetros, los mismos. Una vez definidos los contactos entre la carretilla y el suelo, la carretilla ya podría moverse. De hecho, si se simula el modelo en este punto, se ve que la carretilla se mueve, pero debido a la gravedad, y que no hay nada que lo impida, la parte delantera de la carretilla “se cae”. Para evitar esto, y conseguir además que la carretilla eleve su carga, se deberán realizar dos operaciones. Por una parte, hay que definir un nuevo contacto entre la caja o carga y la horquilla. Como ya se ha visto, se va al menú de “SolidWorks Motion” y se selecciona “Contactar”. Se eligen las partes antes citadas y se define el contacto mediante los materiales, tal y como se puede observar.
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El otro paso es simular el mecanismo de elevación. Esto se va a realizar con un motor lineal o actuador, que simula el efecto que tendría un cilindro hidráulico en la realidad. En el menú, se selecciona “Motor lineal”, y en el campo “Movimiento” , se escoge “Distancia”, para que eleve los 1800 mm. de elevación máxima de carretilla a partir del segundo 5 y durante 5 segundos.
Una vez realizadas todas las operaciones necesarias previas al cálculo del modelo, ya se puede pasar a “Calcular”. La existencia de numerosos contactos 3D puede hacer que el cálculo de la simulación necesite muchos recursos y el ordenador tarde unos segundos.
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Para agilizar el proceso se puede bajar la precisión de la simulación en el menú de “SolidWorks Motion”.
Una vez simulado el mecanismo, se van a analizar los resultados obtenidos. En primer lugar, se va a estudiar si la velocidad angular de las ruedas es la adecuada, tal y como se definió en el motor mediante la expresión matemática. Para ello, en el menú de resultados se escoge la magnitud de la “Velocidades angular” en una de las ruedas delanteras, como se ve en la imagen.
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6. GRÁFICAS DE RESULTADOS Velocidad Angular en las llantas delanteras
Velocidad Angular en las llantas traseras
Fuerza de Reacción en las llantas delanteras
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Fuerza de Reacción en las llantas traseras
Desplazamiento Lineal del Actuador
Fuerza necesaria para levantar la carga (caja) en el actuador lineal
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7. CONCLUSIONES: 7.1. Solidworks nos permite medir la posición, velocidad, aceleración, fuerza, momento, etc., no solo de un elemento respecto a un punto fijo sino también entre dos elementos móviles. 7.2. El software nos permite, como ventaja adicional, añadir la incidencia de la aceleración de la gravedad en el movimiento de nuestro mecanismo además pueden añadirse fuerzas que en un análisis manual complicarían demasiado los cálculos. 7.3. La fuerza que el actuador lineal necesita para elevar la caja sobre un nivel de 1800mm es de 171N. 7.4. El ingreso de la expresión en el movimiento del motor rotario de las llantas, fue de mucha ayuda para determinar acciones y ciclos exactos para el estudio, como se vio de 0 a 10 segundos el movimiento máximo y pasados los 10 segundos hasta los 12 segundos se produce una desaceleración hasta llegar la velocidad a cero. 7.5. La herramienta contactar resultó de mucha ayuda para simular el rozamiento de las llantas con el suelo y el contacto en general para que los componentes no se sobrepasen entre sí.
8. RECOMENDACIONES: 8.1. Conocer el procedimiento para calcular velocidad, aceleración, fuerza etc., en Solidworks. 8.2. Sobredimensionar las dimensiones del montacargas y sobre todo elegir de forma adecuada el material y el espesor, para no tener problemas y posibles fallos que produzcan efectos negativos y peligrosos. 8.3. Tomar muy en cuenta los valores de las propiedades y fenómenos físicos del entorno, para obtener un estudio con valores muy aproximados a la realidad.
9. BIBLIOGRAFÍA: 9.1. Ayuda de SolidMotion. Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Gijón. 2005
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