METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE CARCASAS

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1 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE CARCASAS ALVAREZ CABRALES, Alexis (1); PÉREZ RODRÍGUEZ, Roberto (2); RIBA ROMEVA, Carles (3) (1) Universidad de GRANMA, Cuba Facultad Ingeniería, Departamento de CIENCIAS TÉCNICAS Correo electrónico: (2) Universidad de HOLGUÍN, Cuba Facultad de Ingeniería, Departamento de INGENIERÍA MECÁNICA Correo electrónico: (3) Universidad Politécnica de CATALUÑA, España E.T.S.I. Industrial de Barcelona, Departamento INGENIERÍA MECÁNICA Correo electrónico: RESUMEN El diseño de las carcasas y de los elementos de soporte de las máquinas, suelen constituir uno de los mayores retos en el desarrollo de las mismas. Estos elementos suelen incorporar la mayor parte de su masa e influyen considerablemente en los costes. Tradicionalmente, el diseño de este tipo de elementos se basa en métodos heurísticos sin el apoyo de metodologías y herramientas informáticas. En este trabajo se muestra la caracterización del proceso de diseño de carcasas de equipos y productos mecánicos en un entorno de Ingeniería Concurrente. Palabras clave: Diseño, Carcasas, Ingeniería Concurrente, Metodología Diseño ABSTRACT The design of the carcase and of the elements of support of the machines, usually constitute one of the biggest challenges in the development of the same ones. These elements usually incorporate most of their mass and they influence considerably in the costs. Traditionally, the design of this type of elements is based on heuristic methods without the support of methodologies and computer tools. In this work it is shown the characterization of the process of design of carcase of teams and mechanical products in an environment of Concurrent Engineering. Key words: Design, Carcase, Concurrent Engineering, Design Methodology Grupo temático: Ingeniería concurrente y gestión de la documentación técnica.

2 1. Introducción Desde las últimas décadas del siglo XX hasta la actualidad, la forma de concebir y producir los bienes y los servicios ha experimentado una gran transformación que se caracteriza por la velocidad con que ocurren los mismos. Existen dos aspectos esenciales que influyen en este proceso, por una parte el desarrollo de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) y por otra parte la aparición de nuevas concepciones, herramientas, metodologías y formas organizativas. En este contexto, uno de los aspectos más destacados es la importancia que adquieren las etapas de diseño y desarrollo de nuevos productos y servicios, en especial la especificación y el diseño conceptual. Estos últimos aspectos, permiten definir e incorporar los diferentes escenarios en que los productos y los servicios se desempeñarán, tales como el escenario productivo (fabricación, montaje, calidad, transporte), el escenario de utilización (funciones, prestaciones, fiabilidad, mantenimiento), o el escenario (ergonomía, seguridad, impactos ambientales y fin de vida). La nueva perspectiva del diseño que toma en consideración de forma simultánea los diferentes escenarios se denomina diseño para la fabricación, diseño para el montaje, diseño para el ciclo de vida, diseño para el medio ambiente, etc. Estos principios, junto con nuevas formas organizativas y nuevas herramientas integradoras, han ido confluyendo en un nuevo concepto que toma el nombre de Ingeniería Concurrente [Riba, 2002]. A continuación se exponen los criterios fundamentales que se tuvieron en cuenta para el diseño conceptual de carcasas asistida por ordenador, en un entorno de Ingeniería Concurrente. 2. Ingeniería Concurrente y el proceso de diseño de las carcasas El término Ingeniería Concurrente, muchas veces denominado Ingeniería Simultánea, fue desarrollado en los Estados Unidos en el año Este concepto implica la integración de varias actividades del proceso de desarrollo y producción de un producto, de la forma más paralela posible (Figura 1). La evolución de las tecnologías de la información y el desarrollo avanzado de la informática, han propiciado que en la actualidad existan herramientas para las diferentes etapas del ciclo de vida del producto, tales como los sistemas para el Diseño Asistido por Ordenador (CAD), los sistemas para la Fabricación Asistida por Ordenador (CAM), los sistemas de Ingeniería Asistida por Ordenador (CAE), la Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM), entre otros. Estas herramientas permiten a ingenieros y diseñadores visualizar, gestionar y manipular el prototipo virtual de un producto. De esta forma se logra reducir, simplificar y automatizar los procedimientos de diseño, de desarrollo y de fabricación. Por tanto, se obtiene un ahorro considerable de tiempo. En este contexto, el Diseño de Carcasas y de los elementos de soporte de las máquinas, suele constituir uno de los mayores retos en el desarrollo de las mismas. Estos elementos suelen incorporar la mayor parte de su masa e influyen considerablemente en los costes.

3 Diseño conceptual Diseño y dibujo Prototipaje verificación Fabricación Preparación Diseño conceptual Renderizado Animación Verificación Análisis Diseño de detalle Dibujos Prototipado Pruebas Fabricación Preparación Ingeniería Concurrente Las tareas del proyecto se ejecutan en paralelo, los cambios se propagan de forma rápida Elevada calidad Tiempos reducidos Ahorro de tiempo Figura 1. Una visión de la Ingeniería Concurrente (según Sohlenius, 1992). Tradicionalmente, el diseño de este tipo de elementos se basa en métodos heurísticos sin el apoyo de metodologías y herramientas informáticas. El proceso de desarrollo o ciclo de vida sigue la estructura del diseño tradicional o secuencial, donde las diferentes actividades se ejecutan una a continuación de la otra, con pocas retroalimentaciones. Con el objetivo de lograr una nueva concepción en el proceso de diseño de diferentes tipos de carcasas para productos y equipos mecánicos, orientamos nuestro trabajo en el desarrollo de una metodología para el diseño de carcasas, que permita incorporar el análisis de los esfuerzos y los esquemas cinemáticos en la etapa del diseño conceptual, que tenga en cuenta el desarrollo e implementación de herramientas de Ingeniería Concurrente. Metodología para el diseño conceptual de las carcasas La metodología que se propone para el desarrollo conceptual de las carcasas, posee como característica esencial, el transitar desde requerimientos con una información inicial y poco definida de la carcasa, hasta características más concretas que permiten definir su estructura y cumpliendo con los requerimientos del constructor de la carcasa. Dominio de los usuarios La metodología propuesta establece cuatro dominios (Figura 2) que van desde la captura de los requerimientos del constructor de carcasas, hasta la definición conceptual de la misma. En la metodología expresada en la Figura 2, cada paso constituye una formalización del conocimiento que se obtiene. El primer dominio permite identificar cuáles son los requerimientos del

4 constructor de carcasas, que inciden desde los diferentes escenarios establecidos en el diseño y desarrollo de las mismas. Paso 1. Dominio de los usuarios Actividades del dominio functional Paso 2. Dominio functional - Identificar los modos de operación - Identificar la función global - Establecer la estructura funcional Actividades del dominio modular Paso 3. Dominio modular - Analizar la estructura funcional - Identificar los módulos enlazados - Identificar la modularidad Actividades del dominio de análisis Paso 4. Dominio de análisis - Establecer los parámetros para evaluar los conceptos - Evaluar los conceptos - Seleccionar los conceptos Figura 2. Metodología propuesta para el diseño conceptual de carcasas. Dominio funcional Las metodologías desarrolladas para el análisis de la estructura funcional de los productos poseen dos problemas básicos [Stone, 1997], [Fixon, 2001], [Erixon, 1996]. En primer lugar, no existe una definición metodológica clara de cómo definir las sub-funciones idóneas y/o adecuadas para un conjunto determinado de requerimientos funcionales; y en segundo lugar, no existe un método que garantice una descomposición coherente o similar de las funciones en subfunciones. En la metodología para el desarrollo modular de las carcasas, el paso relativo al establecimiento de la estructura funcional de la máquina constituye una forma de resolver el problema planteado en el párrafo anterior. El dominio de la estructura funcional se basa en la utilización de una descomposición funcional de tipo jerárquica, que sistemáticamente descompone las funciones globales en sub-funciones. Dominio modular El dominio modular se compone de dos aspectos (Figura 2). En primer lugar se analizan los diferentes modos de operación de la carcasa, con sus respectivas descomposiciones funcionales, luego se identifican el solapamiento de funciones y/o módulos entre los diferentes modos de operación. Esta superposición, permite identificar un conjunto de posibles módulos a partir de su análisis. En la Figura 3 se muestra dos variantes conceptuales de carcasas para el caso de un reductor de dos salidas, utilizando la metodología propuesta. Una vez que se concluya este paso, se obtiene la capa de la estructura modular, que no es más que la transformación de la

5 información contenida en la capa de los requerimientos, en información más concreta relacionada con la modularidad. Concepto A Concepto B Figura 3. Variantes conceptuales de una carcasa para un tipo de reductor. Dominio de análisis En este dominio, se establecen los diferentes criterios a tener en cuenta según los escenarios de análisis. Este paso constituye el elemento más relevante desde el punto de vista de la Ingeniería Concurrente, pues establece de manera primaria variables de comportamiento de etapas posteriores según el modelo clásico del proceso de diseño. Los tres aspectos más característicos son la definición y/o selección de las variables más importantes para la carcasa objeto de estudio, la evaluación de cada uno de los conceptos seleccionados en función de estas variables y la selección definitiva de aquel concepto más adecuado (Tabla 1). Tabla 1. Algunos de los requerimientos en función de los dominios de análisis ( - relación fuerte, - relación media, - relación débil). Requerimientos Concepto A Concepto B Dominios Peso de la carcasa Dominio de ensamble Numero de piezas... Niveles de esfuerzos permisibles Dominio de los esfuerzos Puntos críticos de esfuerzos... Tipo de modularidad Dominio de modularidad Grado de compactación... Variante seleccionada Como se aprecia en la Tabla 1, el concepto más adecuado teniendo en consideración los diferentes dominios, es el concepto A.

6 3. Conclusiones Este artículo ha presentado una metodología para el desarrollo conceptual de carcasas. La metodología proporciona una ayuda para la identificación y evaluación de los diferentes conceptos de carcasas de una determinada máquina reconfigurable, a partir del conocimiento de los requerimientos funcionales. 4. Desarrollos futuros Esta metodología para el desarrollo conceptual de carcasas, prevé la implementación de la misma como herramienta de Ingeniería Concurrente, mediante su estructuración e integración informática, basada en un sistema CAD creado al efecto. Agradecimientos Agradezco la ayuda proporcionada por mis Directores de tesis, Drs. Roberto Pérez Rodríguez, Carles Riba Romera en la realización de este trabajo, así como a los Drs. Manuel Camps Michelena y Quirino Arias Cedeño, coordinadores del Doctorado Conjunto 240C de la UPM y la UdG, y a mi tutor Dr. Jesús Vázquez Minguela por su contribución en el desarrollo del presente trabajo. 5. Referencias bibliográficas 1. Erixon, G., Modular Function Deployment (MFD), Support for a Good Product Structure Creation, 2nd WDK Workshop on Product Structuring, Delf, Holland (1996). 2. Fixon, S.K., Three Perspectives on Modularity A Literature Review of a Product Concept for Assembled Hardware Products, Massachusetts Institute of Technology, ESD-WP (2001). 3. Sohlenius, G., Concurrent Engineering, Annals of the CIRP. Manufacturing Technology, Vol. 41, Núm. 2, (1992). 4. Stone, Robert B., Towards a Theory of Modular Design, Doctoral Thesis, University of Texas at Austin, United States of America (1997). 5. Riba R., Carles, Diseño de Máquinas V, Edicions UPC, Barcelona (2002).

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