El acoplamiento cinemático describe los dispositivos diseñados para restringir exactamente la pieza en cuestión, lo que proporciona precisión y certeza de ubicación. Un ejemplo canónico de un acoplamiento cinemático consiste en tres ranuras en V radiales en una pieza que se acoplan con tres hemisferios en otra pieza. Cada hemisferio tiene dos puntos de contacto para un total de seis puntos de contacto, suficientes para restringir los seis grados de libertad de la pieza . Un diseño alternativo consiste en tres hemisferios en una pieza que encajan respectivamente en una abolladura tetraédrica, una ranura en V y una superficie plana. [1]
Los acoplamientos cinemáticos surgieron de la necesidad de un acoplamiento de precisión entre interfaces estructurales que debían desmontarse y volver a montarse rutinariamente.
El acoplamiento Kelvin recibe su nombre de William Thompson (Lord Kelvin) , quien publicó el diseño entre 1868 y 1871. [2] Consiste en tres superficies esféricas que descansan respectivamente sobre un tetraedro cóncavo , una ranura en V que apunta hacia el tetraedro y una placa plana. El tetraedro proporciona tres puntos de contacto, mientras que la ranura en V proporciona dos y la plana proporciona uno, para un total de seis puntos de contacto necesarios. El beneficio de este diseño es que el centro de rotación se encuentra en el tetraedro, sin embargo, sufre problemas de tensión de contacto en aplicaciones de alta carga. [1]
Los principios de este sistema de acoplamiento fueron publicados originalmente por James Clerk Maxwell en 1871. [2] El sistema cinemático de Maxwell consta de tres ranuras en forma de V que están orientadas hacia el centro de la pieza, mientras que la pieza de acoplamiento tiene tres superficies curvas que se asientan en las tres ranuras. [1] Cada una de las tres ranuras en V proporciona dos puntos de contacto para un total de seis. Este diseño se beneficia de la simetría y, por lo tanto, de técnicas de fabricación más sencillas. Además, el acoplamiento de Maxwell es térmicamente estable debido a esta simetría, ya que las superficies curvas pueden expandirse o contraerse al unísono en las ranuras en V. [2]
La reproducibilidad y precisión de un acoplamiento cinemático provienen de la idea del diseño de restricción exacta . El principio del diseño de restricción exacta es que el número de puntos de restricción debe ser igual al número de grados de libertad que se restringirán. [1] En un sistema mecánico hay seis grados de libertad potenciales. Hay tres grados de libertad lineales (también conocidos como traslación ) a lo largo de los ejes "x", "y" y "z", y tres grados de libertad rotacionales alrededor de cada eje comúnmente llamados balanceo , cabeceo y guiñada . [2] Si un sistema está sub-restringido, entonces las partes son libres de moverse con respecto a las demás. Si el sistema está sobre-restringido, puede deformarse indeseablemente bajo las influencias de, por ejemplo, la expansión térmica . Los diseños de acoplamiento cinemático solo hacen contacto con el número de puntos igual al número de grados de libertad que se restringirán y, por lo tanto, son predecibles.