UN EJEMPLO DE DISEÑO PARAMÉTRICO: MODELADO DE UN
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1. Variable Denominaci n Unidad Agujero_1 Di metro interior junta Mm Agujero_2 Di metro sujeci n del resorte Mm Extrude_1 Espesor de la pinza Mm Extrude_2 Espesor de la junta Mm Extrude_3 Espesor ranura de la junta Mm V728 Lado vertical Mm V731 Angulo del lado inclinado Grados V734 Espesor lado inclinado Mm V735 Espesor lado vertical Mm V736 Espesor inferior Mm V740 Pesta a de contacto Mm V881 Lado inclinado Mm V1285 Radio exterior junta Mm V2096 Angulo de la ranura Grados V2104 Altura de la ranura Mm Cabe acotar que la vinculaci n solo se realiza entre los softwares de dise o y la hoja o planilla de c lculo El ingreso de los valores correspondientes a los datos del problema podr n ser introducidos desde una planilla de c lculo tal como se muestra en la Fig N 2 A B c D 1 Dispositivo de Sujeci n y Liberaci n Controlada 2 3 PINZA FIJA Eea unicamente las celdas de color azul 6 7 Denominaci n Variable Valor Num rico Unidades a Lado Vertical V728 100 mm g Lado Inclinado V881 80 mm 40 Espesor Lado Vertical V735 10 mm 41 Espesor Lado Inclinado V734 10 mm 42 Espesor Inferior V736 15 mm 13 Pesta a de Contacto V740 20 mm 14 Angulo del Lado Inclinado V731 150 Grados 46 Radio Exterior Junta V1285 20 mm 16 Diametro Interior Junta Agujero_1 10 mm 47 Diametro Sujecion del Res2. INGEGRAF XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIER A GR FICA UN EJEMPLO DE DISE O PARAM TRICO MODELADO DE UN DISPOSITIVO MEC NICO APLICABLE EN ENSAYOS DE MICRO GRAVEDAD CAPPELLARI Fernando 1 STAFFOLANTI Pedro 2 LIFSCHITZ Lu s 3 BRITO Hector 4 Universidad de Nacional de R o Cuarto Argentina Facultad de Ingenier a Departamento de Mec nica Correo electr nico feappellari ing unrc edu ar 2 Universidad de Nacional de R o Cuarto Argentina Facultad de Ingenier a Departamento de Mec nica Correo electr nico pstaffolani ing unrc edu ar Universidad de Nacional de R o Cuarto Argentina Facultad de Ingenier a Departamento de Mec nica Correo electr nico llifschitzGing unrc edu ar Universidad de Nacional de R o Cuarto Argentina Facultad de Ingenier a Departamento de Mec nica Correo electr nico hbrito ing unre edu ar RESUMEN En el presente trabajo se expone una metodolog a para realizar el modelado param trico de un dispositivo de sujeci n liberaci n aplicable a elementos a ensayar en ambiente de micro gravedad a trav s de vuelos atmosf ricos con trayectoria parab lica donde se simula dicha condici n En primer lugar se deber realizar un Pre Dise o para establecer las restricciones geom tricas y la definici n de las variables independientes y dependientes correspondientes Estas relaciones partir n de un modelo 2D a otro en 3D Este modelo virtual podr se
3. Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 39th Reno NV Enero 2001 DE LEON Pablo et al Test Equipment Data Package Project PADE Shuttlee Small Payloads Project G 761 National Aeronautics and Space Administration Johnson Space Center Julio 1999 NIEMANN G Tratado Te rico Pr ctico de Elementos de M quinas C lculo Dise o y Construcci n Barcelona Espa a Labor 1973 I S B N 84 335 6287 8 BRITO Hector et al Modelizaci n y Simulaci n de un Banco de Ensayo Est ticos a L mina Resonante para la Medici n de Peque os Impulsos IV Congreso Iberoamericano de Ingenier a Mec nica CIDIM 99 Santiago Chile LS B N N 956 7069 41 7 y 956 7069 43 3 LEESTMA David et al JSC Reduced Gravity Program User s Guide National Aeronautics and Space Administration NASA Noviembre 1996 CAPPELLARI Fernando et al Una Aplicaci n del CAD Integraci n Param trica del Dise o y el C lculo en la Confecci n de Planos de Elementos Mec nicos XIII Congreso Internacional de Ingenier a Gr fica Ingegraf 2001 Badajoz Espa a I S B N 84 699 5057 6 SOLID EDGE V11 Manual del Usuario 2001 MU28900 SPA INSTITUTO RACIONALIZACI N ARGENTINO DE MATERIALES MANUAL DE NORMAS IRAM de Dibujo Tecnol gico Edici n XXIX 2001 Buenos Aires
4. ctrica en ambientes de Micro Gravedad Objetivos Particulares Pre disefio param trico del Dispositivo Mec nico Integraci n del c lculo estructural y cinem tico con el dise o param trico 3 Componentes Generales Para conocer mejor el funcionamiento del dispositivo y ver con claridad c mo es su mecanismo es necesario visualizar en perspectiva isom trica explotada a los componentes constitutivos del sistema de sujeci n y liberaci n controlada Los componentes generales del dispositivo de sujeci n y liberaci n controlada se muestran en la Fig N 1 donde 1 Motor paso a paso 2 Soporte de componentes 3 Leva 4 Pinza m vil 5 Arandela de cierre de la junta 6 Pinza fija 7 Resorte de conexi n de las pinzas 8 Eje de la junta y 9 Bulones de fijaci n del motor Figura N 1 Componentes Generales del Dispositivo de Sujeci n y Liberaci n Controlada El motor paso a paso 1 actuar en forma solidaria sobre la leva 3 que a su vez entrar en contacto con el seguidor rotacional o pinza m vil 5 donde permitir rotar sobre el eje de la junta 8 en el que es bloqueado por una arandela de cierre de junta 5 La pinza fija 6 se vincula a trav s de un resorte de conexi n 7 con la pinza m vil 4 permiti ndose una sujeci n y liberaci n controlada a trav s de la leva 3 y del motor paso a paso 1 del elemento a ensayar desde la parte inferior de las mismas En e
5. la planilla de c lculo El m todo de representaci n utilizado para la confecci n de los planos de taller y de conjunto es el de Proyecci n en el primer cuadrante o conocido tambi n como m todo ISO E seg n la Norma Argentina 4501 2 del IRAM El paso siguiente es la modificaci n de las variables param tricas del dise o variables dependientes asign ndole una correlaci n con las variables de la planilla de c lculo variables independientes donde las variables dependientes asumen los valores de las variables independientes generados por la planilla de c lculo Cabe acotar que las variables param tricas del dise o son generadas autom ticamente por el software de dise o o pueden ser modificadas de acuerdo al criterio del dise ador En este caso del ejemplo se respetaron las variables generadas por Solid Edge El modelo de la pinza con sus respectivas variables definidas oportunamente se muestra en la Fig N 4 Extrude 2 Fs V736 Exfrude 1 rude at Figura N 4 Variables Param tricas de la Pinza Fija 6 Conclusiones Del uso de esta t cnica dise ar calcular y representar al dispositivo de sujeci n y liberaci n en forma integrada pueden esperarse los resultados siguientes El Dise ador realizar s lo una vez el dibujo del dispositivo mec nico y s lo tendr que realizar el control de acuerdo al modelo f sico matem tico que lo gobierna Integraci n de las etapas de An lisis Sele
6. Particularmente en los vuelos parab licos actuales los ensayos experimentales son realizados en estructuras de soporte del tipo fijas o contenidas a trav s de bandas flexibles Debido a las caracter sticas existentes en los sistemas de sujeci n y teniendo presente adem s que las vibraciones producidas por el avi n son transmitidas a trav s del sistema de soporte al ensayo experimental ocasionan que en ninguno de los casos haya una independencia total entre el ensayo experimental y el sistema soporte disponible en el avi n Sin embargo cuando el ensayo experimental requiera una total liberaci n dentro del espacio f sico disponible es necesario recurrir a un sistema de soporte y liberaci n que minimice las perturbaciones cinem ticas residuales producidas por el ambiente en que se llevar n a cabo Una vez generado el modelo matem tico desde el punto de vista cinem tico y din mico se elaborar n procedimientos para su implementaci n computacional cuyos resultados ser n volcados a una planilla de c lculo donde a posteriori se vincular n al software de dise o param trico Esta manera de dise ar permitir visualizar el modelo en forma inmediata y b sicamente poder analizar las perturbaciones que se presentan durante la actuaci n del mecanismo a los fines de minimizar los efectos provocados por las mismas tanto de origen externo como inherentes al mismo Con este dise o del modelo param trico se pretende mejorar la
7. cci n y Dise o Detallado del proceso de Dise o Reducci n del tiempo de confecci n de los Planos de Conjunto de los planos individuales y del Modelo Virtual del dispositivo visto principalmente desde la realizaci n de algunas modificaciones de las variables param tricas presentes del dise o Utilizar dos softwares diferentes para obtener sistemas de modelado param tricos sin la necesidad de llegar a la programaci n con alg n lenguaje de alto nivel Una vez realizada la confecci n de este prototipo sin lugar a dudas que la disminuci n del costo de realizar los ensayos experimentales en condiciones de Micro gravedad bajo vuelos atmosf ricos con trayectoria parab lica respecto a tener que realizarlos en rbita terrestre constituye un aspecto de singular importancia Agradecimientos A los integrantes del Laboratorio de Dise o Asistido por Computadora LACAD del Grupo de Mec nica Computacional GMC Departamento Mec nica Facultad de Ingenier a de la Universidad Nacional de R o Cuarto y del Instituto Universitario Aeron utico como as tambi n a la Secretaria de Ciencia y T cnica de la Universidad Nacional de R o Cuarto Referencias NORTON Robert L Dise o de Maquinaria 53500 Naucalpan de Ju rez Edo de M xico McGaw Hill 1996 LS B N 970 10 0820 0 MOTIL Susan et al Testing microgravity flight hardware concepts on the NASA KC I35 American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc AIAA
8. e able to be visualized in immediate form every time that the associate physical mathematical pattern is adjusted until achieving a conformity with the operation specifications and of definitive design This method will allow to create a versatile system of design with an analysis system for finite elements being developed a parametric model 3D It is necessary to delimit that this work is developed inside the Project of Investigation Development of Applicable Mechanical Devices to Experimental Rehearsals Under Conditions of Micro gravity framed in the Program Of Investigation Conceptual analysis Of Stationary Propellers Of Plasm For Micro Nanosat lites that is carried out in our Academic Unit and it is subsidized by the Secretary of Science and Technique of the Universidad Nacional de R o Cuarto Key words Modeling Parametric Integration CAD FEA Device Micro gravity 1 Introducci n El ingeniero de dise o afronta continuamente el desaf o de estructurar problemas no estructurados Robert L Norton en su libro Dise o de Maquinaria proporciona los medios para estructurar un problema y conducir a una soluci n viable Consecuentemente un proceso de dise o consta de las siguientes etapas e Identificaci n de la necesidad e Investigaci n de fondo e Planteamiento de la meta e Especificaciones de tarea e Ideaci n e Invenci n e An lisis e Selecci n e Dise o detallado e Elaboraci n de prototipos y p
9. l soporte fijo 2 se anclar el motor paso a paso 1 con bulones de fijaci n 9 Las dos pinzas son montadas al soporte fijo 2 por intermedio de una junta rotacional 4 M todo Operacional El procedimiento para llevar a cabo esta tarea de Dise o Integrado consta de las siguientes etapas e Dise o general del dispositivo de sujeci n y liberaci n a trav s de un modelo param trico defini ndose en forma cualitativa sus dimensiones y restricciones e C lculo cinem tico y verificaci n estructural de los elementos constitutivos Esto se logra con cualquier software de c lculo pero el resultado tiene que ser introducido en una planilla de c lculo e Modificaci n de las variables del Dise o con los nuevos valores obtenidos en el C lculo para luego encontrar la integraci n deseada entre los softwares de dise o y la hoja de c lculo 5 Metodolog a Ingreso de los Datos del Problema El modelo de dise o integrado que se mostrar a modo de ejemplo corresponder espec ficamente a la pinza fija Esto mismo criterio de dise o integrado se aplicar en forma directa a e La pinza m vil e La leva e FI resorte de conexi n de las pinzas e El soporte de componente e Accesorios generales e Conjunto armado del dispositivo Las variables correspondientes a esta parte constitutiva del dispositivo se muestran en la tabla 1 Tabla 1 Variables param tricas de la pinza fija
10. orte Agujero_2 4 mm 18 Espesor de la Pinza Extrude_1 10 mm 19 Espesor de la Junta Extrude_2 20 mm 20 Espesor Ranura de la Junta Extrude_3 10 mm 21 Angulo de la Ranura 2096 90 Grados La Altura de la Ranura 2104 5 mm y mA Hoja1 Hoja2 Z Hojas Listo Figura N 2 Ingresos de los Datos Confecci n del Modelo Una vez realizado el modelo param trico de la pinza fija en el programa Solid Edge se activa desde el men principal la opci n de Herramientas y a trav s de la alternativa de Variables Siguiendo los pasos apropiados que establece el manual de ayuda nos permitir lograr la vinculaci n entre los dos software simplemente copiando la celda especifica de la hoja de c lculo y pegarlo con vinculo en tabla de Variables tal como se muestra en la Fig N 3 Solid Edge V11 ZA el fer Insertar Formato Modelo Administer Ventana eg b d he RQ ee EEE EA AE F rmula SCAFERNANDO CAFERNANDO UNRCAMAE lapsus GIDAFERNANDO LINACMAE EC FERNANDO UINACMAE ECFERNANDO UNA CHAE EC FERNANDOUNACWAE STIFERNANDO INACMAE STAFERNANDO INACMAE TAFERNANDOTUNRCAMAE VE STIFERNANDO UNACMAE CAFERNANDO UNRCAMAE TAFERNANDOIUNRCAMAE V5 EC FERNANDOUNACWAE STIFERNANDO INAOMAE das Booeto_1 Figura N 3 Cuadro de dialogo del Solid Edge que vincula con
11. r visualizado en forma inmediata cada vez que se ajuste el modelo f sico matem tico asociado hasta lograr una conformidad con las especificaciones de funcionamiento y de dise o definitivos Este m todo permitir crear un sistema vers til de dise o con un sistema de an lisis por elementos finitos desarroll ndose un modelo param trico 3D Cabe acotar que este trabajo se desarrolla dentro del Proyecto de Investigaci n Desarrollo de Dispositivos Mec nicos Aplicables a Ensayos Experimentales Bajo Condiciones de Micro Gravedad enmarcado en el Programa De Investigaci n An lisis Conceptual De Propulsores De Plasma Estacionarios Para Micro Nanosat lites que se realiza en nuestra Unidad Acad mica y se encuentra subvencionado por la Secretaria de Ciencia y T cnica de la Universidad Nacional de Rio Cuarto Palabras clave Modelado Param trico Integraci n CAD FEA Dispositivo Micro Gravedad ABSTRACT Presently work is exposed a methodology to carry out the modeling one parametric of a device of applicable subjection liberation to elements to rehearse in atmosphere of micro graveness through atmospheric flights with parabolic trajectory where this condition is simulated In the first place he she will be carried out a Pre design to establish the geometric restrictions and the definition of the independent variables and corresponding clerks These relationships will leave of a model 2D to another in 3D This virtual model will b
12. ruebas e Producci n Una vez llegado a la etapa de An lisis el presente trabajo pretende integrarlo con las etapas de Selecci n y Dise o Detallado sin perder el enfoque definido por el mencionado autor Es de destacar que el dise o forma parte del desarrollo cient fico y tecnol gico que se est realizando en el rea aerospacial de nuestra Unidad Acad mica Aprovechando la caracter stica param trica del software Solid Edge s pretende realizar el dise o de un dispositivo mec nico de sujeci n que trabajar bajo condiciones de gravedad muy reducida El mecanismo a que se hace referencia es un dispositivo de montaje sujeci n y posterior liberaci n aplicable a elementos a ensayar en condiciones de Micro Gravedad Estas condiciones de distintos niveles de gravedad se alcanzan entre otros mediante la realizaci n de vuelos atmosf ricos con trayectoria parab lica en aviones convenientemente adaptados para tal fin Uno de los temas que merecen una atenci n considerable es el contexto experimental del dispositivo asociado ya que la liberaci n se debe realizar bajo pautas normativas de manera tal de minimizar el efecto del dispositivo citado sobre el elemento sujetado en un tiempo de actuaci n de una fracci n de segundo Los ensayos experimentales bajo condiciones de Micro Gravedad tienen una duraci n aproximada entre 10 y 25 segundos a lo largo del ciclo y una misi n t pica consiste de 30 a 40 par bolas
13. s condiciones de los ensayos experimentales en condiciones de Micro Gravedad y principalmente en los aspectos inherentes a la determinaci n de la funcionalidad y performance particularmente con la cuantificaci n del efecto propulsivo en sistemas de propulsi n el ctrica aplicables a micro sat lites y nano sat lites Cabe acotar que el impulso que alcanzan estos propulsores son muy peque os y para poder realizar los ensayos experimentales pertinentes para un normal funcionamiento es necesario hacerlos en ambientes cuasi reales ya que los par metros de medici n del ensayo en Tierra pueden ser no detectados o que los errores sean del orden de las variables de estudio Por tal motivo se requiere que el ensayo experimental se realice lo m s pr ximo a las condiciones de funcionamiento de vuelo del propulsor de un micro sat lites y o nano sat lite A saber esto se logra en rbita terrestre International Space Station o en vuelos atmosf ricos con trayectoria parab lica siendo stos menos onerosos Cobra particular relevancia contar con el modelo virtual del dispositivo y todo el sistema de control del modelo f sico matem tico para realizar las simulaciones que lleven a minimizar los trabajos en la construcci n futura del prototipo 2 Objetivos Objetivo General Dise ar un Dispositivo Mec nico para un montaje de sujeci n y liberaci n controlada aplicada en ensayos experimentales de motores de propulsi n el
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