En ingeniería , un mecanismo es un dispositivo que transforma las fuerzas de entrada y el movimiento en un conjunto deseado de fuerzas y movimientos de salida. Los mecanismos generalmente constan de componentes móviles que pueden incluir:
El científico alemán Franz Reuleaux define la máquina como "una combinación de cuerpos resistentes dispuestos de manera que, por medio de ellos, las fuerzas mecánicas de la naturaleza pueden ser obligadas a realizar un trabajo acompañado de cierto movimiento determinado". En este contexto, su uso de máquina generalmente se interpreta en el sentido de mecanismo .
La combinación de fuerza y movimiento define el poder , y un mecanismo gestiona el poder para lograr un conjunto deseado de fuerzas y movimiento.
Un mecanismo suele ser una pieza de un proceso mayor, conocido como sistema mecánico o máquina . A veces se puede hacer referencia a una máquina completa como mecanismo; ejemplos son el mecanismo de dirección de un automóvil o el mecanismo de cuerda de un reloj de pulsera . Sin embargo, normalmente, un conjunto de múltiples mecanismos se denomina máquina.
Desde la época de Arquímedes hasta el Renacimiento , los mecanismos se consideraban construidos a partir de máquinas simples , como la palanca , la polea , el tornillo , la rueda y el eje , la cuña y el plano inclinado . Reuleaux se centró en los cuerpos, llamados enlaces , y las conexiones entre estos cuerpos, llamadas pares cinemáticos o articulaciones.
Para utilizar la geometría para estudiar el movimiento de un mecanismo, sus eslabones se modelan como cuerpos rígidos . Esto significa que se supone que las distancias entre puntos de un vínculo no cambian a medida que el mecanismo se mueve; es decir, el vínculo no se flexiona. Así, se considera que el movimiento relativo entre puntos de dos eslabones conectados resulta del par cinemático que los une.
Se considera que los pares cinemáticos, o uniones, proporcionan restricciones ideales entre dos eslabones, como la restricción de un solo punto para rotación pura, o la restricción de una línea para deslizamiento puro, así como rodadura pura sin deslizamiento y contacto puntual con deslizamiento. . Un mecanismo se modela como un conjunto de eslabones rígidos y pares cinemáticos.
Reuleaux llamó pares cinemáticos a las conexiones ideales entre eslabones . Distinguió entre pares superiores , con contacto lineal entre los dos eslabones, y pares inferiores , con contacto superficial entre los eslabones. J. Phillips [ se necesita aclaración ] muestra que hay muchas formas de construir pares que no se ajustan a este modelo simple.
Par inferior: Un par inferior es una unión ideal que tiene contacto superficial entre el par de elementos, como en los siguientes casos:
Pares superiores: Generalmente, un par superior es una restricción que requiere una línea o un punto de contacto entre las superficies elementales. Por ejemplo, el contacto entre una leva y su seguidor es un par superior llamado junta de leva . De manera similar, el contacto entre las curvas de evolución que forman los dientes de engrane de dos engranajes son juntas de leva.
Un diagrama cinemático reduce los componentes de la máquina a un diagrama esquelético que enfatiza las uniones y reduce los vínculos a elementos geométricos simples. Este diagrama también se puede formular como un gráfico representando los vínculos del mecanismo como aristas y las uniones como vértices del gráfico. Esta versión del diagrama cinemático ha demostrado ser eficaz para enumerar estructuras cinemáticas en el proceso de diseño de máquinas. [1]
Una consideración importante en este proceso de diseño es el grado de libertad del sistema de eslabones y uniones, que se determina utilizando el criterio de Chebychev-Grübler-Kutzbach .
Si bien todos los mecanismos de un sistema mecánico son tridimensionales, se pueden analizar utilizando geometría plana si el movimiento de los componentes individuales está restringido de modo que todas las trayectorias de los puntos sean paralelas o estén conectadas en serie a un plano. En este caso el sistema se llama mecanismo plano . El análisis cinemático de mecanismos planos utiliza el subconjunto del grupo euclidiano especial SE , que consta de rotaciones y traslaciones planas, denotadas por SE.
El grupo SE es tridimensional, lo que significa que cada posición de un cuerpo en el plano está definida por tres parámetros. Los parámetros suelen ser las coordenadas xey del origen de un marco de coordenadas en M , medidas desde el origen de un marco de coordenadas en F , y el ángulo medido desde el eje x en F hasta el eje x en M. Esto a menudo se describe diciendo que un cuerpo en el plano tiene tres grados de libertad .
La rotación pura de una bisagra y la traslación lineal de un control deslizante se pueden identificar con subgrupos de SE y definen las dos articulaciones con un grado de libertad de mecanismos planos. [ incomprensible ] La junta de leva formada por dos superficies en contacto deslizante y giratorio es una junta de dos grados de libertad.
Es posible construir un mecanismo tal que las trayectorias puntuales de todos los componentes se encuentren en capas esféricas concéntricas alrededor de un punto fijo. Un ejemplo es el giroscopio con cardán . Estos dispositivos se llaman mecanismos esféricos. [2] Los mecanismos esféricos se construyen conectando eslabones con juntas articuladas de modo que los ejes de cada bisagra pasen por el mismo punto. Este punto se convierte en el centro de las capas esféricas concéntricas. El movimiento de estos mecanismos se caracteriza por el grupo SO(3) de rotaciones en el espacio tridimensional. Otros ejemplos de mecanismos esféricos son el diferencial automotriz y la muñeca robótica.
El grupo de rotación SO(3) es tridimensional. Un ejemplo de los tres parámetros que especifican una rotación espacial son los ángulos de balanceo, cabeceo y guiñada utilizados para definir la orientación de una aeronave.
Se llama mecanismo espacial a un mecanismo en el que un cuerpo se mueve mediante un movimiento espacial general . Un ejemplo es el varillaje RSSR, que puede verse como un varillaje de cuatro barras en el que las uniones articuladas del eslabón del acoplador se reemplazan por extremos de varilla , también llamados juntas esféricas o rótulas . Los extremos de las varillas permiten que las manivelas de entrada y salida del varillaje RSSR se desalineen hasta el punto de que se encuentran en planos diferentes, lo que hace que el varillaje del acoplador se mueva en un movimiento espacial general. Los brazos robóticos , las plataformas Stewart y los sistemas robóticos humanoides también son ejemplos de mecanismos espaciales.
El vínculo de Bennett es un ejemplo de un mecanismo espacial excesivamente restringido , que se construye a partir de cuatro uniones articuladas.
El grupo SE(3) tiene seis dimensiones, lo que significa que la posición de un cuerpo en el espacio está definida por seis parámetros. Tres de los parámetros definen el origen del sistema de referencia en movimiento con respecto al sistema fijo. Otros tres parámetros definen la orientación del marco móvil con respecto al marco fijo.
Un vínculo es una colección de vínculos conectados por uniones. Generalmente los eslabones son los elementos estructurales y las uniones permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil sea el varillaje plano de cuatro barras . Sin embargo, existen muchos más vínculos especiales:
Un mecanismo dócil es una serie de cuerpos rígidos conectados por elementos dóciles. Estos mecanismos tienen muchas ventajas, que incluyen un menor número de piezas, una menor "descanso" entre las juntas (sin movimiento parásito debido a los espacios entre las piezas [3] ), almacenamiento de energía, bajo mantenimiento (no requieren lubricación y hay un bajo desgaste mecánico). ) y facilidad de fabricación. [4]
Los cojinetes de flexión (también conocidos como juntas de flexión ) son un subconjunto de mecanismos flexibles que producen un movimiento (rotación) geométricamente bien definido al aplicar una fuerza.
Un mecanismo de leva y seguidor está formado por el contacto directo de dos eslabones de forma especial. El eslabón conductor se llama leva y el eslabón que se impulsa mediante el contacto directo de sus superficies se llama seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina el movimiento del mecanismo. En general, la energía de un mecanismo de leva y seguidor se transfiere de la leva al seguidor. El árbol de levas gira y, según el perfil de la leva, el seguidor se mueve hacia arriba y hacia abajo. Hoy en día también se encuentran disponibles tipos ligeramente diferentes de seguidores de levas excéntricos, en los que la energía se transfiere del seguidor a la leva. El principal beneficio de este tipo de mecanismo de leva y seguidor es que el seguidor se mueve ligeramente y ayuda a girar la leva seis veces más longitud de circunferencia con el 70% de la fuerza.
La transmisión de rotación entre ruedas dentadas en contacto se remonta al mecanismo de Antikythera en Grecia y al carro que apunta hacia el sur en China. Las ilustraciones del científico renacentista Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La implementación del diente involuto produjo un diseño de engranaje estándar que proporciona una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y trenes de engranajes son:
El diseño de mecanismos para conseguir un determinado movimiento y transmisión de fuerza se conoce como síntesis cinemática de mecanismos . [5] Se trata de un conjunto de técnicas geométricas que producen las dimensiones de varillajes, mecanismos de leva y seguidor, y engranajes y trenes de engranajes para realizar un movimiento mecánico y una transmisión de potencia requeridos. [6]
