Profesor: Torres San Miguel Christopher Rene

“Podadora Automática”

TECNOLOGÍA DE MECANISMOS.

Domínguez Muciño David Guerrero González Rafael

Granados Cienfuegos Daniel Guevara Vargas Juan Ismael

Pérez Silva Ivonne

7AM3

Fecha de entrega: 26 /Feb. /15

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.

UNIDAD ZACATENCO.

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

INDICE

Introducción

1. Estado del arte6

1.1 Robots domésticos 6

1.1.1 Robot cortador de césped 6

1.1.2 AutoMower, Husqvarna/Electrolux (Suecia).7

1.1.3 Robomower, FriendlyRobotics (Israel). 8

1.1.4 LawnBott, Zucchetti (Italia). 8

1.1.5 RobotCut, Brill (Alemania). 9

1.1.6 Control de cobertura de sensores móviles para búsqueda

adaptada de un número desconocido de objetivos10

1.2 Funcionamiento general de una podadora manual11

1.3 Funcionamiento general de una podadora semiautomática13

1.4 Podadoras Automáticas (Existentes en el mercado)15

1.4.1 Husqvarna 220ac 15

1.4.2 Robomow RM850 16

1.4.3 Robomow RM400 16

1.4.4 Robomower RL-100017

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1.5 Sistemas18

1.5.1 Subsistema 18

1.5.2 Componentes18

1.6 Sistema mecánico 18

1.6.1 Mecanismos para la transformación de movimientos19

1.6.2 Mecanismo Cremallera-Piñón19

1.7 Sistema eléctrico20

1.7.1Motorreductores de corriente continua (C.C.)20

1.8 Sistema de control 21

1.8.1 Sensores capacitivos21

1.9 Metodología TRIZ 24

1.9.1 Parámetros técnicos TRIZ26

1.9.2 Principios inventivos de TRIZ 29

1.9.3 Matriz de contradicciones41

1.9.4 Diagrama Sustancia Campo de la podadora 42

1.9.5 Sistema Tecnológico Ideal 43

1.10 Diagrama de Flujo del Funcionamiento de la Podadora Automática44

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2. Cálculos 45

2.1 Cremallera 45

2.2 Engrane 46

2.3 Velocidad Lineal de la cremallera48

2.4 Relación de contacto entre los engranes de transmisión50

3. Simulación 51

4. Resultados 55

5. Conclusiones 56

6. Referencias57

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo surge tratando de solventar la necesidad de los cuidados del jardín, principalmente el de podar el césped que en general requiere de la inversión de múltiples horas de trabajo o en su defecto de contratar personal para realizar dicha actividad. Por otro lado en la actualidad, esta actividad (cortado de césped), requiere de máquinas de gran peso o en su defecto vehículos voluminosos, que no solo pueden ser difíciles de operar, sino que pueden ser peligrosas tanto para el operario, como las personas que estén en los alrededor, ya que estas podadoras, al pasar por objetos sólidos, las arrojan con gran fuerza haciendo del objeto un proyectil mortal, además de que algunos cuentan con mecanismos de corte sin ninguna protección. Como factor adicional estas máquinas requieren de combustibles fósiles que contaminan al medio ambiente y anqué existen maquinas eléctricas estas son limitadas al requerir de grandes cantidades de cable según el tamaño del área a podar.

Ante tales motivos, se es necesario buscar alternativas con las cuales se pueda realizar la actividad del podado de césped más fácil y sin invertir tantas horas de trabajo, y que haga el uso de las nuevas tecnologías inteligentes, en busca de seguridad y que sea amigable al ambiente.

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Con la realización de este proyecto que se desea facilitar la realización de podar el pasto en campos de futbol, estadios, áreas verdes cuadradas que tengan una superficie plana y que sea un corte parejo mediante una combinación de mecanismos en conjunto al cual se le van adherir circuitos electrónicos y programación.

El objetivo de este proyecto es que una vez en funcionamiento la maquina pueda realizar el corte de pasto sin que intervenga del todo el hombre; del todo nos referimos que solo el hombre accione y desactive la máquina y así la persona tendrá tiempo para realizar otras actividades sin necesidad de entretenerse cortando el pasto.

Con este proyecto ayudaríamos al medio ambiente ya que el modo de funcionamiento será con un panel solar y contara con una batería la cual se cargara eléctricamente en caso de que el tiempo no sea el adecuado (nublado) y suplantaríamos a las maquinas que funcionan con hidrocarburos como diésel o gasolina.

El funcionamiento del proyecto como se ya ha hecho mención será acabo mediante conjuntos de mecanismos los cuales serán accionados con circuitos electrónicos que harán que funcione un par de cuchillas que se situaran en la parte baja de esta máquina, estas harán el corte del pasto y con la ayuda de la programación este hará los movimientos básicos de derecha-izquierda adelante-atrás.

Esta máquina contara con una protección de sí misma que con la ayuda de sensores detectara si hay o no hay pasto, es decir si se detecta pasto accionaran las cuchillas y si no hay pasto estas no serán accionadas y la maquina seguirá su recorrido hasta que detecte pasto.

La podadora contara con dos tipos de alarmas, una será visual y la otra será audible esto en caso de que un animal, persona, piso o pared sea detectada delante de ella, con lo cual conseguirá ya sea ser vivo advertirle que se encuentra enfrente de ella, de otro modo evadirlo o retroceder.

Actualmente solo se ha visto un par de podadoras semi-automaticas ya que se tienen que controlar de manera inalámbrica lo cual es conveniente siempre y cuando te guste invertir tiempo sin esfuerzo, la ventaja de nuestro equipo es que no tendrás que estar al pendiente de dicha máquina y mucho menos esfuerzo logrando así la podadora ideal. Contará con un compartimento donde se almacenara el pasto cortado el cual será desmontable para su adecuada limpieza.

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1. ESTADO DEL ARTE

En esta parte del proyecto se describen los trabajos realizados en las podadoras automáticas existentes en el mercado, así como las técnicas que utilizan, mediante la búsqueda y estudio de artículos y tesis con la finalidad de encontrar un método adecuado para el desarrollo del proyecto, afín a las actuales necesidades humanas.

Se analizarán podadoras desde la manual, semiautomática y automática, ya que el funcionamiento de éstas sigue estando relacionado, aunque las más modernas cuenten con mecanismos adicionales.

1.1 ROBOTS DOMÉSTICOS

1.1.1Robot cortador de césped

Es popular como los robots de limpieza doméstica. Puede ser un poco sorprendente que la primera cortadora de césped robótica comercial fue lanzada en el año 1995, mucho antes de cualquier robot de limpieza doméstica comercial estuvo a la vista. Esto puede ser debido al hecho que cortar el césped es un dominio donde los requisitos de rendimiento no son tan críticos y las expectativas del cliente no son tan altas como en la limpieza doméstica. Los Robots de limpieza y el robot que cortar el césped, comparten una gran cantidad de problemas técnicos y también soluciones. Aparte de los diferentes servicios, limpieza frente a cortar y las aplicaciones

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específicas de diferentes unidades de procesamiento, existen sólo pequeñas diferencias en los diseños de sistema básico. La mayoría de los robots que cortan el césped, tienen sistemas de impulsión diferenciada con ruedas giratorias. Usan equipos de sensores para la navegación similar a la de robots de limpieza y usan estrategias similares de cobertura, sobre todo una estrategia de golpe y rebote. Puesto que el Robot cortacésped trabaja al aire libre, pueden correr lejos. Para evitar esto a menudo se mantienen cerrados por vallas virtuales. Estos son los cables enterrados en el suelo que emiten un campo electromagnético que puede ser captado por los robots y los empuje hacia atrás. Cortadoras de césped robóticas-todos tienen protección de elevación como un mecanismo de seguridad esenciales. El mecanismo de corte se apaga inmediatamente una vez que el robot se levanta o cae boca abajo. Dado que la mayoría de la humanidad vive en ciudades, el tamaño del mercado para Robot cortacésped es ciertamente más pequeño que para aparatos de limpieza robotizadas. Esto puede explicar por qué el número de marcas de cortadoras de césped robóticas que están disponibles también es menor que la de los robots de limpieza. A continuación que describimos los tres sistema más comerciales y un cuarto que fue introducido recientemente.

1.1.2 AutoMower, Husqvarna/Electrolux (Suecia).

El padre de todos los robots domésticos, si no de todos los robots de servicio comercial, es el precursor de la AutoMower fabricado por Husqvarna, una filial del grupo Electrolux, Suecia. Este precursor, cortador solar, fue lanzado en el año 1995: anteriores como cualquier otro robot de servicio doméstico comercial conocido. A diferencia de SolarMower, que fue impulsado por un panel solar situado en la parte superior del robot, AutoMower es alimentado por baterías de Níquel-Metalhidruro. Cuando acaba el poder AutoMower vuelve a una estación de carga y recarga sus baterías. Una toma de recarga normal aproximadamente 1.5 hrs.

Cargada AutoMower puede funcionar por hasta 2 horas. AutoMower es de un peso ligero entre los Robots cortacésped, con tan sólo 8.5 kg de peso. El mecanismo de corte de AutoMower consta de un disco giratorio con tres cuchillas de afeitar-como que retracción automáticamente en sus montajes, si AutoMower no está programada, por ejemplo, si choca con un obstáculo o se levanta esta se detiene. Es importante para el buen funcionamiento de AutoMower que el césped que va a cortar no sea demasiado alto. Con el uso regular de AutoMower los cortes del césped son lo suficientemente cortos como para descomponerse rápidamente en composta nutritiva, así que no hay necesidad de quitar los cortes después de cortar el césped.

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Automower no tiene sensores de posición o rango que permitiría mantener un seguimiento de su movimiento. Se utiliza un aleatoria patrón de movimiento para cubrir su espacio de trabajo y mantener el césped a la misma altura. Para evitar Automower este evadiendo su espacio de trabajo, se realiza una inducción de baja tensión, cable que está enterrado alrededor del césped. Una vez Automower detecta este cable se detiene, invierte su dirección lejos del cable y, a continuación, se mueve en dirección a la zona interior del espacio de trabajo. El uso de este movimiento al azar y una estrategia de golpe y rebote, Automower puede mantener un área de hasta 1.500 m2. Automower se vende por aproximadamente 2.000 euros.

1.1.3 Robomower, FriendlyRobotics (Israel).

Friendly Robotics (Máquinas antiguamente amistosas) también comenzaron el desarrollo de una cortadora de césped robótica Lawnkeeper en 1995. Varias iteraciones del producto finalmente condujeron a la actual de productos familia Robomower RL 850 y RL Robomower 1000. Con un peso de 22,5 kg sin pilas Robomower es significativamente más pesados que Automower. Es propulsado por dos sin mantenimiento 2 × 17 AH selladas

Las baterías de plomo con un tiempo de carga de aproximadamente 20 hrs.

Robomower está equipado con sensores táctiles alrededor su casco. Si choca con un obstáculo que detecta el contacto, se detiene, se da la vuelta, y sigue adelante. Robomower tiene además sensores para detectar el cable que está enterrado alrededor de Robomower (espacio de trabajo).

Al utilizar el alambre enterrado como referencia y en movimiento en un patrón de zigzag en la zona confinada, puede lograr un mejor rendimiento de la cobertura de un movimiento aleatorio. Para lograr un buen rendimiento de corte Robomower todavía necesita para cubrir su espacio de trabajo de varios tiempos.

Con esta estrategia Robomower RL 850 puede cortar y mantener una superficie de aprox. 1000 m2. Robomower RL 850 sin una estación de acoplamiento se vende a USD 1.000. Robomower RL 1000 con una estación de acoplamiento se vende por

1,500 USD.

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1.1.4 LawnBott, Zucchetti (Italia).

Toda una serie de robots cortadores de césped han sido desarrollados por Zucchetti, Italia. LawnBotts (Profesional, Deluxe, Evolución, Quattro) tenían diferentes diseños, características y precios, pero no difieren sustancialmente en su tecnología robótica.

Además, las diferencias con respecto a los sistemas previamente descritos son menores.

Espacio de trabajo de LawnBott necesita ser delineada por un cable de inducción enterrado alrededor de la zona de corte o por una valla que es al menos 10 cm de alto.

LawnBott usa la estrategia golpe y rebote para hacer frente a los obstáculos. La cobertura se consigue por el movimiento aleatorio. LawnBott sensa la altura de la hierba, si descubre un lugar con alta hierba, se detiene el movimiento al azar y entra en un patrón de movimiento específico. Comenzando en el lugar con la hierba más alta se mueve a lo largo de una espiral hasta que llega a una zona donde la hierba tiene una altura nominal de nuevo.

Todos los modelos LawnBott están equipados con un sensor de humedad, que descubre cuando la lluvia comienza a caer y envía el robot de nuevo a su estación base. La base y estación de recarga de LawnBott se parece a un pequeño garaje, donde se acomoda el robot completamente, por lo que está protegido contra la lluvia y las tormentas. Todos los modelos LawnBott tienen un rendimiento de cobertura de alrededor de 270 m2 / h, y puede cubrir un área de 3.300 m2 en total.

El precio de los modelos LawnBott oscila entre USD 1.850 y 2500.

1.1.5 RobotCut, Brill (Alemania).

Un desarrollo más reciente con un diseño llamativo es RobotCut, desarrollado por las empresas alemanas Brill y InMach Intelligente Maschinen y comercializado por Brill. RobotCut fue presentado en GAFA 2006, una feria internacional para equipos del jardín, en Cologne, Alemania. A diferencia de sus competidores, que todos utilizan un disco giratorio como mecanismos de corte, RobotCut utiliza un sistema de corte de cabezal, que afirma crear una imagen de corte más uniforme.

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RobotCut tiene dos grandes ruedas delanteras propulsadas que dan al vehículo estabilidad adicional. RobotCut tiene una anchura de corte de 38 cm. La altura de corte se puede ajustar fácilmente por tornillos de las ruedas estabilizadoras. Cerebro de RobotCut es el llamado sistema de guía optimizado, que permite el robot se mueva a lo largo de vías paralelas y evitar al azar mociones.

RobotCut está diseñado para cubrir un área de 2.500 m2. RobotCut será desarrollado en varias versiones, también con una versión de gama alta.

Está equipado con Sonar para evitar obstáculos. RobotCut se anuncia con un costo de 1.500 euros.

1.1.6 Control de cobertura de sensores móviles para búsqueda adaptada de un número desconocido de objetivos

Se presenta un algoritmo de búsqueda adaptativa multi-escala para buscar de manera eficiente un número desconocido de objetivos utilizando un equipo de múltiples sensores móviles. En primer lugar, derivamos una cobertura Multi-escala espectral (SMC) ley de control para un Dubins modelo de vehículo. Dada una búsqueda anterior, el control SMC conduce a dinámica de cobertura uniformes para los sensores móviles de tal manera que la cantidad de tiempo invertido en la observación de una región es proporcional a la búsqueda de un objetivo en él. Con el fin de hacer la búsqueda robusta para incertidumbres sensores y automática algoritmo de detección de Target errores (es decir, falsa alarma, se perdió detecciones), que combinan la Control de SMC con decisión y de estimación técnicas teóricas.

Medida que se descubren nuevos objetivos usamos la Relación secuencial Prueba Probabilidad y recursivo de mínimos cuadrados para estimar cuantificar la incertidumbre actual de detección de blancos y la ubicación, respectivamente. Esta incertidumbre se utiliza para actualizar la búsqueda antes de fin de equilibrar la explotación (reducir la incertidumbre en estado de objetivos potenciales ya descubiertos) y exploración (descubrir nuevas metas). Demostramos esta metodología de búsqueda adaptativa en un entorno de simulación de alta fidelidad y muestran una mejora rendimiento sobre el tipo cortadora de césped de búsqueda.

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El diseño de las estrategias de control y coordinación de cooperación para los equipos de los vehículos no tripulados, es decir, usando sensores móviles llamó mucho la atención recientemente. Esto está motivado por un lado, por el aumento de la accesibilidad y confiabilidad que tales sistemas ofrecen, y lo más importante, facilitan la reducción del esfuerzo de los humanos a conflictos y entornos inciertos. En escenarios civiles que pueden ser utilizado para ejecutar tareas como las misiones de búsqueda y rescate y los incendios forestales. Para este tipo de tareas, son deseables las trayectorias de los sensores móviles debido a que otro tipo de sensores le son difícil llevar a cabo estas tareas.

El problema de buscar una gran área para encontrar y rastrear un número desconocido de objetivos es un reto, especialmente cuando el campo de visión de un sensor es mucho menor que la totalidad área de búsqueda y hay incertidumbre en el terreno y el sensor mediciones. Este problema se ha abordado la planificación por varios grupos de investigación y métodos de solución desarrollados pueden ser clasificadas en dos tipos: Tarea orientada planificación de rutas y Probabilidad orientada distribución retroceso horizonte de planificación.

Recientemente hemos desarrollado una Cobertura Multi-escala Espectral (SMC) marco para la búsqueda y seguimiento de las aplicaciones que cae en la segunda categoría. Esto lleva a la dinámica de cobertura uniformes para sensores móviles tal que la cantidad de tiempo dedicado a la observación de una región será proporcional a la probabilidad de encontrar un objetivo en esta.

1.2 Funcionamiento general de una podadora manual

La siguiente figura es un diagrama que describe a grandes rasgos las entradas (lo que tenemos) y las salidas (lo que queremos obtener) dentro del sistema de la podadora:

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A continuación se muestran mecanismos que utilizan algunas podadoras manuales, algunas de las cuales siguen existiendo en el mercado.

El siguiente es un diseño sencillo de una podadora de jardín impulsada solo por la energía del operador, por lo que no es contaminante. Parte importante del diseño del equipo está en que gracias al sistema mostrado en la imagen de la derecha, el movimiento circular del eje principal conectado a las ruedas se transforma en un movimiento hacia delante y hacia atrás del elemento cortante.

También existe otro mecanismo en el cual en la transmisión  mostrada en la imagen izquierda el movimiento circular de las ruedas se transforma en un movimiento hacia los lados de las cuchillas.

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También tenemos una podadora diseñada para que el usuario la lleve consigo. Consta de un motor que transmite potencia y movimiento al elemento cortante, instalado a un ángulo que garantiza la seguridad del operador.

1.3 Funcionamiento general de una podadora semiautomática

Este tipo de podadoras constan de un solo motor, el cual efectúa dos movimientos diferentes, los cuales son: mover las cuchillas y mover las ruedas del carrito, lo cual logra mediante ciertos mecanismos que utilizan poleas y engranes.

Además, este tipo de podadoras emplean la dinámica de fluidos para generar condiciones de corte óptimas.

Básicamente, el mecanismo de este sistema es: el movimiento del motor se transmite a una polea que gira a la misma velocidad. Luego empieza el proceso de ralentización (las ruedas de la podadora giran a una velocidad aproximadamente 20 veces menor a la del motor y las cuchillas giran a la

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misma velocidad del motor). La primer polea transmite su movimiento a una polea más grande (hacen falta varios giros de la primera para mover a la segunda). En este punto el movimiento de la segunda polea ya es menor. Además, la correa se patina y resbala para disminuir aún más la velocidad.

La segunda polea transmite su movimiento a un engrane de un diámetro mayor para hacer que la varilla que está unida a este engrane gire aún más despacio que las poleas.

Las ruedas giran una vez cada 4 giros de la varilla, lo cual se logra haciendo uso de otros engranes unidos a las ruedas de la podadora.

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No se usa un motor más lento desde el principio por que para cortar el césped hace falta la fuerza de un huracán y para eso es necesario un motor que mueva la cuchilla muy rápido.

La cuchilla esta curvada en los extremos y en el centro, así cuando gira crea remolinos de aire a 120 Km/h con lo cual el césped que pudiera estar curvado o aplastado por lo largo se enderece. Las cuchillas a su vez cortan el pasto a 360 Km/h aproximadamente.

Para que las cuchillas cumplan con su objetivo la podadora emplea la dinámica de fluidos. A un costado del chasis tiene una especie de puerta que puede estar abierta o cerrada según convenga. Si dicha puerta está abierta se crea una zona de baja presión. El aire entra en la zona en la que la presión es más baja, tira de la cuchilla y hecha la hierba afuera.

Si la puerta se cierra esta dinámica cambia. Sin zonas de baja presión que tiren de ella, la hierba se queda dentro del cortacésped. Como la fuerza del remolino la barre, entran en un segundo remolino creado por la segunda curva de la cuchilla. Si la hierba mide más de 8 mm el aire generado la arrastra para que la vuelva a cortar. Si mide menos de esto, la superficie de contacto es muy pequeña para que la corriente la levante y las hierbas simplemente caen al suelo.

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1.4 Podadoras Automáticas (Existentes en el mercado)

1.4.1Husqvarna 220ac

El automower® 220AC es completamente automático para jardines de hasta 1,800 m2. En el momento que necesita ser recargado, el automower® vuelve a la unidad de carga y regresa a continuar cortando una vez recargado. Dispone de un teclado y display que facilita su configuración incluso para cortar jardines de diseño complicado. Incluye: Base estación carga, 9 cuchillas, 250mts. de cable delimitador y 200 ganchos.

1.4.2 Robomow RM850

Cuenta con tres palas con pilas, potente sistema de corte equivalente a una cortadora de gas tradicional 5.5 HP. Tiene una velocidad en la hoja de 5800 rpm. La hierba se corta en partes muy pequeñas que están enterradas en el césped. Con una velocidad de conducción de 0.5 m/s es de las más veloces del mercado. Utiliza un cable que marca el perímetro de corte, este Puede

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ser enterrado en el césped por medio de clavijas y luego es recogido por el dispositivo.

1.4.3 Robomow RM400

Esta es la versión automática de la nueva serie de podadoras RM. Es capaz de cortar hasta 4500 m2 en aproximadamente 3 días. Se carga e inicia automáticamente mediante programación. Una opción manual de control permite al usuario manejarla.

1.4.4 Robomower RL-1000

Esta línea de podadoras automáticas puede usarse como una podadora tradicional y viene con una estación de acoplamiento para la recarga automática. Una nueva versión del software ha mejorado aún más en el sistema de administración de energía, con una mayor eficiencia y cobertura. También incluye mejoras en el hardware, mejoras de protección

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contra la intemperie, un sensor de lluvia y mejoras en el tren de engranajes para una mayor durabilidad y una vida útil más larga. Puede configurarse para comenzar a podar en el momento deseado. Tiene una garantía de 2 años.

1.5 Sistemas

Dado que un sistema es un grupo de elementos o componentes interdependientes que pueden ser identificados y tratados como conjunto, en él se pueden identificar entradas, salidas y procesos, entre los cuales se establecen relaciones de intercambio entre energía y materia.

Existen muchos tipos de sistemas por ejemplo mecánicos, biológicos, eléctricos, humanos, astronómicos, neumáticos, tecnológicos, etc.

1.5.1 Subsistema

Un subsistema es un subconjunto de elementos de un sistema según el criterio con el que se clasifique o se pida que se haga la separación.

La podadora automática estará conformada por dos subsistemas, el electro-mecánico y el de control y automatización.

1.5.2 Componentes

El elemento que compone o integra un sistema o subsistema es llamado componente.

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Cada componente cumple una función específica dentro de un sistema, es decir, si falla un componente dentro del sistema, se tiene que sustituir o arreglar para que este continúe funcionando.

1.6 Sistema mecánico

Un sistema mecánico es un conjunto de elementos dinámicamente relacionados, que permiten producir, transmitir, regular o modificar movimiento. Cada componente cumple una función específica dentro del sistema

Toda máquina compuesta es una combinación de mecanismos; y un mecanismo es una combinación de operaciones cuya función es producir, transformar o controlar un movimiento.

Los mecanismos se construyen encadenando varios operadores mecánicos entre sí, de tal forma que la salida de uno se convierte en la entrada del siguiente.

1.6.1 Mecanismos para la transformación de movimientos

Para diseñar un mecanismos se necesita conocer el movimiento que tenemos (movimiento de entrada) y el que queremos (movimiento de salida) para después elegir la combinación de operadores (mecanismo) más adecuada. En la tabla 1, se muestra la clasificación para transformación de movimientos.

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1.6.2 Mecanismo Cremallera-Piñón

Este mecanismo transforma el movimiento giratorio de un eje, en el que va montado un piñón, en movimiento rectilíneo, al engranar los dientes del piñón con los dientes de una barra prismática (cremallera) que se desplaza longitudinalmente.

En la podadora se utilizara este mecanismo para subir y bajar la cuchilla a la altura deseada.

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1.7 Sistema eléctrico

Un sistema eléctrico es un conjunto de elementos dinámicamente relacionados, que permiten generar, conducir y recibir corriente eléctrica.

1.7.1 Motorreductores de corriente continua (C.C.)

Los Motorreductores son los elementos mecánicos adecuados para el accionamiento de la podadora, donde se necesita reducir la velocidad de una forma eficiente, constante y segura.

Características generales de los motorreductores

1. Rendimiento: es el cociente entre la potencia útil que generan y la potencia absorbida.

2. Velocidad de giro o velocidad nominal: es la velocidad angular del cigüeñal, es decir, el número de radianes por segundo (rad/s) a las que gira.

3. Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro. Se mide normalmente en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a 736 vatios.

4. Par motor: es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y determina su giro. Se mide en kilogrametros (kgm) o Newtons-metro (Nm), siendo 1 kgm igual a 9,8 Nm.

Ventajas de usar motorreductores

Al emplear motorreductores se obtiene una serie de beneficios sobre las formas de reducción.

Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida.

Una mayor eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor.

Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el mantenimiento.

Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje. Menor tiempo requerido para su instalación

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Desventajas de usar motorreductores

Potencia, en HP, de entrada y de salida. Velocidad, en rpm, de entrada y de salida. Par (o torque), en kg/m, a la salida del mismo.

1.8 Sistema de control

El sistema en control se considera una caja negra debido a que en realidad no es importante que tenga dentro, sino la relación entre la salida y la entrada. Este sistema es de control si la salida se controla de modo que pueda adoptar un valor o cambio en particular de alguna manera definida.En términos generales, un sistema de control es aquel en el que la salida del sistema se controla para tener un valor específico o cambiarlo, según lo determina la entrada al sistema.Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:

- Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.

- Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.

1.8.1 Sensores capacitivos

Una podadora debe poseer sensores que le permitan saber dónde está, como es el lugar en el que está, a qué condiciones físicas se enfrenta, donde están los objetivos con los que debe interactuar, sus parámetros físicos, etc.

Existe una amplia variedad de dispositivos diseñados para percibir la información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia.

Un sensor consta de algún elemento sensible a una magnitud física, como por ejemplo la intensidad o el color de la luz, temperatura, presión, magnetismo, y debe ser capaz por sus propias características o por medio de dispositivos intermedios, de transformar esa magnitud física en un cambio eléctrico que se pueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la acondicione (amplificado, filtrado, etc.) para que finalmente se pueda utilizar en el control del robot.

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Un sensor es un dispositivo diseñado para percibir información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia.

En este proyecto se plantea el uso de sensores de proximidad capacitivos.

Estos sensores constan de una sonda que se encuentra situada en la cara posterior en donde se encuentra colocada una placa condensadora, y al aplicar una corriente al sensor por más mínima que sea, se produce una especie de campo electrostático cuya reacción se produce frente a los cambios de la capacitancia provocados por la presencia de un objeto cualquiera.

La superficie de censado de este sensor está formada por dos electrodos concéntricos de metal de un capacitor. Cuando un objetivo se aproxima a la superficie de sensado y éste entra al campo electrostático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador. Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cambia. Conforme el objetivo se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al sensor a su estado original.

Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del objetivo. Mientras más grande es la constate dieléctrica de un material es más fácil de detectar.

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Ventajas.-

- Detectan materiales conductores y no conductores, así como líquidos y solidos.

- Disponen de muchas configuraciones de montaje- Pueden ver a través de algunos materiales- Tienen una vida útil larga

Desventajas:

- Distancia de detección corta que varía según el material detectable

Son sensibles a factores del medio ambiente

1.9 Metodología TRIZ

TRIZ son las siglas rusas para la Teoría de la Resolución de Problemas Inventivos. El desarrollo de esta metodología fue iniciado en 1946 por Genrikh Altshuller. Se trata de una metodología de resolución de problemas basada en un acercamiento lógico y sistemático, que fue desarrollada examinando miles de patentes y con el análisis de la evolución de la tecnología. TRIZ puede ser utilizado como un instrumento intelectual poderoso para solucionar problemas técnicos y tecnológicos, sencillos y difíciles, más rápidamente y con mejores resultados.

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En términos generales, la teoría consiste en descubrir las principales contradicciones en un problema de innovación tecnológica o la necesidad de generar un invento, dichas contradicciones se dividen en:

a. Contradicciones Técnicas que son las que involucran a dos elementos de un sistema tecnológico.

b. Contradicciones Físicas que corresponden a una sola parte del sistema tecnológico.

Esquema general de la metodología de la TRIZ, para resolver un problema específico de inventiva o innovación tecnológica, en base a soluciones genéricas encontradas en miles de patentes.

Cuadro 1. Parámetros técnicos TRIZ Cuadro 2. Principios inventivos de TRIZ

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1.9.1 Parámetros técnicos TRIZ

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9. Acción contraria anti- cipada

16. Acciones parciales o excesivas

17. Mover a una nueva di- mensión

18. Vibraciones mecáni- cas

20. Continuidad de la ac- ción útil

22. Convertir el daño en

28. Reemplazar un siste- ma mecánico

29. Uso de sistemas hi- dráulico o neumáticos

30. Membrana flexibles o

31. Uso de materiales po- rosos

34. Rechazo y regenera- ción de partes

35. Transformación de estados químicos y físicos

40. Materiales compues- tos

1. Peso de un objeto móvil

2. Peso de un objeto estacionario

3. Longitud de un objeto móvil

4. Longitud de un objeto estacionario

5. Área de un objeto móvil

6. Área de un objeto estacionario

7. Volumen de un objeto móvil

8. Volumen de un objeto estacionario

9. Velocidad 10. Fuerza

11. Tensión, presión 12. Forma

13. Estabilidad del objeto 14. Resistencia

15. Durabilidad de un ob- jeto móvil

16. Durabilidad de un ob- jeto estacionario

17. Temperatura 18. Brillantez

19. Energía gastada por el objeto móvil

20. Energía gastada por el objeto estacionario

21. Potencia 22. Pérdida de energía

23. Pérdida de materia 24. Pérdida de Informa- ción

25. Pérdida de tiempo

26. Cantidad de sustancia o materia

27. Confiabilidad

28. Precisión en la medi- da

29. Precisión en la manu- factura

30. Daño externo que afecta a un objeto

31. Efectos de daños co- laterales

32. Manufacturabilidad o facilidad para la fabri- cación

33. Conveniencia de uso

34. Facilidad en repara- ción

35. Adaptabilidad

36. Complejidad del dis- positivo u objeto

37. Complejidad de con- trol

38. Nivel de automatiza- ción

39. Productividad

Los sistemas tecnológicos tienen los siguientes 39 parámetros o características

1. Peso del objeto móvil: Masa del objeto en movimiento, sujeto a un campo gravitacional o fuerza que el mismo objeto ejerce sobre los puntos que lo soportan o suspenden.

2. Peso del objeto estacionario: Masa del objeto estático en un campo gravitacional o fuerza que el mismo objeto ejerce sobre sus puntos que lo soportan o suspenden.

3. Longitud del objeto móvil: Cualquiera de las dimensiones lineales de un objeto en movimiento, no necesariamente su longitud.

4. Longitud del objeto estacionario: Lo mismo que el numeral 3 pero de un objeto estático.

5. Área del objeto en movimiento: Área o parte de la superficie que ocupa un objeto en movimiento, ya sea interna o externa.

6. Área del objeto estacionario: Lo mismo que el numeral 5 pero de un objeto estático.

7. Volumen del objeto en movimiento: Espacio volumétrico que ocupa un objeto cuando se desplaza de un punto a otro.

8. Volumen del objeto estacionario: Lo mismo que el numeral anterior pero de un objeto estático.

9. Velocidad: Velocidad de un objeto. También: Velocidad a que se lleva a cabo un proceso o cualquier tipo de acción que involucra a un sistema tecnológico.

10. Fuerza: En TRIZ, se refiere a la fuerza que requiere un objeto para cambiar su posición de un punto a otro.

11. Esfuerzo o presión: Es la fuerza por unidad de área o la tensión, aplicada a un objeto o la que el objeto ejerce sobre su entorno.

12. Forma: Contorno externo de un objeto o apariencia de un sistema tecnológico.

13. Estabilidad de la composición del objeto: Integridad del objeto o sistema.

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Relación entre los distintos constituyentes de un objeto. Un incremento en la entropía (desorden) del objeto o del sistema, representa una pérdida de estabilidad.

14. Resistencia: Capacidad de un objeto a resistir un cambio en respuesta a una fuerza aplicada. También, resistencia a la ruptura.

15. Duración de una acción del objeto móvil: Tiempo en el cual un objeto puede llevar a cabo una acción o vida útil de un objeto.

16. Duración de una acción de un objeto estacionario: Lo mismo que en el numeral 15, pero de un objeto estático.

17. Temperatura: Condición térmica de un objeto o sistema tecnológico, lo cual puede incluir su capacidad calorífica.

18. Brillantez: Cualidad lumínica de un objeto o sistema dado en fluxes por unidad de área.

19. Uso energético del objeto en movimiento: Energía requerida, por el objeto, en movimiento, para llevar a cabo una acción determinada. También, capacidad para llevar a cabo un trabajo determinado.

20. Uso energético del objeto estacionario: Lo mismo que el numeral 19 pero para un objeto estático.

21. Potencia: Gradiente del uso de energía. También, tiempo en el que se lleva a cabo un trabajo.

22. Pérdida de energía: Energía disipada que no contribuye directamente al trabajo requerido.

23. Pérdida de materia: Pérdida parcial o total, de manera temporal o permanente, de materia del sistema o de los subsistemas del mismo.

24. Pérdida de información: Lo mismo que el numeral anterior pero referida a la información del sistema lo cual incluye textura, olor, color, etc.

25. Pérdida de tiempo: Lapso de tiempo que se pierde al llevar a cabo una acción por el objeto o el sistema tecnológico. Reducir la pérdida de tiempo es una característica deseable de un sistema.

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26. Cantidad de sustancia o de materia: Cantidad de sustancia que contiene un objeto, un sistema o los subsistemas que lo integran y que puede cambiar totalmente de manera temporal o definitiva.

27. Confiabilidad: Seguridad de la habilidad que tiene un sistema para llevar a cabo la función para la cual fue diseñado, en una forma óptima.

28. Precisión en la medida: Certidumbre con la que es posible medir el valor o característica, de un parámetro, en un sistema tecnológico.

29. Precisión en la manufactura: Grado de exactitud mediante el cual se puede fabricar un objeto en relación a las especificaciones requeridas de sus componentes.

30. Daño externo que afecta a un objeto: Susceptibilidad de un sistema a daños inflingidos desde el exterior.

31. Daños generados por el propio objeto: Daños producidos durante la operación de un objeto, un sistema o los subsistemas que lo integran.

32. Manufacturabilidad o facilidad para la fabricación: Facilidad con la que se puede producir un objeto o un sistema tecnológico.

33. Facilidad de operación: Simplicidad en la operación de un objeto o un sistema.

Entre menos componentes o etapas tiene un objeto o un proceso, es de más fácil operación.

34. Facilidad de reparación: Cualidad que tiene un objeto, o un sistema de ser reparado de una forma rápida y sencilla.

35. Adaptabilidad: Flexibilidad con que un objeto o un sistema puede responder a cambios externos. También, capacidad que tiene un objeto o un sistema para ser empleado en varias tareas y en diferentes circunstancias.

36. Complejidad del objeto: Diversidad de elementos que se relacionan entre si, durante la operación de un objeto. La dificultad para operar un objeto es su grado de complejidad.

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37. Complejidad de control: Grado de dificultad con que se puede controlar la operación de un objeto o un sistema, debido a la complejidad e interrelación de sus componentes.

38. Nivel de automatización: Capacidad para que un objeto o un sistema tecnológico lleve a cabo la función para la cual fue diseñado sin la intervención humana. El nivel más bajo de automatización será el de un objeto operado manualmente, siendo el nivel máximo de operación aquel en el cual el objeto o sistema funciona independientemente del ser humano, monitoreando su propia operación.

39. Capacidad/productividad: Número de funciones o de operaciones que un objeto o un sistema lleva a cabo por unidad de tiempo. También, la producción por unidad de tiempo o el costo por unidad de tiempo.

1.9.2 Principios inventivos de TRIZ

1.- Segmentación: Con tres opciones

a) Dividir un objeto en partes independientes; por ejemplo: La antena de un automóvil.

b) Hacer un objeto fácil de desarman; por ejemplo: Muebles modulares.

c) Incrementar el grado de fragmentación o segmentación de un objeto; por ejemplo: En lugar de cortinas convencionales emplear persianas.

2.- Extracción: Separar o quitar la parte que genera el problema de contradicción, por ejemplo: Emplear el sonido de aves en peligro, mediante autoparlantes, con el objeto de mantener alejadas, de las pistas de aterrizaje, a las aves reales.

3.- Calidad local: Con tres alternativas:

a) Cambio de una estructura homogénea a otra heterogenia de un objeto o a una acción del ambiente externo; por ejemplo: Para combatir el fino polvo que se produce dentro de las minas de Carbón, durante la perforación, se aplica agua atomizada, sin

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embargo eso causa pérdida de visibilidad. La solución es aplicar también gotas más grandes con lo que se resuelve el problema.

b) Que partes de un objeto tengan varias funciones; por ejemplo: Un lápiz con su goma de borrar.

c) Colocar cada parte de un objeto bajo las condiciones más favorables para su operación; por ejemplo: Los controles de un monitor se localizan en la parte frontal de éste.

4.- Asimetría: Con dos opciones:

a) Remplazar una forma simétrica con otra asimétrica; por ejemplo: El lado externo de una llanta se refuerza más para soportar los golpes contra las banquetas

b) Si un objeto es asimétrico, incrementar dicha asimetría; por ejemplo: Cambiar los sellos de hule, de juntas a presión, por sellos de formas especiales, aún más asimétricas, para un sellado perfecto.

5.-Consolidación o combinación: Con dos opciones:

a) Combinar, en un espacio, objetos homogéneos o que estén destinados a una operación contigua; por ejemplo: Unir dos embarcaciones convencionales con lo que surge el “catamarán”, el cual es mucho más estable que las embarcaciones independientes.

b) Consolidar, en tiempo, operaciones simultáneas; por ejemplo: Cuando se excava en terreno congelado, se sugiere instalar aspersores de vapor de agua, junto con las cuchillas de excavación con objeto de reblandecer dicho terreno.

6.- Universalidad: En este caso se pretende que un objeto lleve a cabo varias funciones que normalmente tienen otros objetos; por ejemplo, la popular multiherramienta de bolsillo que contiene un cuchillo, una lima, unas tijeras, unas pinzas, etc.

7.- Anidación: Con dos opciones:

a) Que un objeto pueda colocarse dentro de otro y ellos dos dentro de un tercero; ejemplo, un lente zoom de cámara fotográfica.

b) Un objeto pasa a través de la cavidad de otro; por ejemplo: Una navaja tipo “cutter”, la hoja pasa a través del objeto principal.

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8.- Contrapeso: Con dos alternativas:

a) Compensar el peso de un objeto combinándolo con otro de tal manera que se tenga una fuerza elevadora; por ejemplo: Un hidrodeslizador, el cual inyecta agua a muy alta presión, bajo la embarcación, para levantarla y avanzar a gran velocidad.

b) Compensar el peso de un objeto con fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas que influyan o interactúen con el ambiente; por ejemplo: En los automóviles de carreras se coloca un alerón trasero con el objeto de incrementar la presión (“agarre”) de los

neumáticos sobre el asfalto aumentándo la tracción.

9.- Acción contraria anticipada: Este principio se refiere a llevar a cabo una acción contraria y de manera anticipada para solucionar una contradicción; por ejemplo: El reforzamiento de una columna de concreto.

10.- Acción anticipada: Con dos opciones:

a) Llevar a cabo la acción anticipadamente; por ejemplo: De nuevo la navaja de tipo “cutter”, la cual contiene una hoja segmentada para que cuando una parte de ella pierda filo, pueda ser fácilmente reemplazada por un segmento nuevo.

b) Arreglar objetos con antelación de tal manera que entren en acción inmediatamente que sea necesario y en el lugar adecuado; por ejemplo: Cuando se lleva a cabo el vaciado de piezas de cerámica, en secciones, entre cada sección se colocan hojas metálicas o plásticas, para que una vez fraguada la pieza se pueda separar fácilmente del molde.

11.- Acolchonado anticipado: Significa proteger algún objeto contra el daño que puede sufrir en el futuro; por ejemplo: El principio es muy empleado por las empresas que se dedican a las mudanzas de muebles y artículos frágiles, consistiendo en empacar dichos artículos entre plásticos expandidos.

12.- Equipotencialidad: Es un principio que se refiere a evitar el levantar o bajar un objeto durante algún tipo de acción; por ejemplo: Para evitar levantar un automóvil, durante el cambio de aceite o la revisión de

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las ruedas, se cuenta con fosas sobre las cuales se coloca el vehículo y el mecánico simplemente baja para llevar a cabo la tarea.

13.- Inversión o hacer algo en forma contraria a la convencional: Con tres opciones:

a) En lugar de llevar a cabo la acción directa, dictada por el propio problema, hacer lo contrario; por ejemplo: El ganado se marca, tradicionalmente, mediante un hierro al “rojo vivo”, lo cual causa mucho dolor y puede producir infecciones posteriores en el animal. En algunos países europeos se emplea un hierro pero enfriado con Nitrógeno líquido, con lo que el dolor se reduce y la marca es permanente.

b) Voltear un objeto “boca abajo” para que lleve su función; por ejemplo: Altshuller sugiere un sartén eléctrico invertido que fríe los alimentos de arriba hacia abajo.

c) Hacer estacionaria la parte móvil de un objeto y lo estacionario móvil, que puede incluir el ambiente; por ejemplo: Una caminadora eléctrica hace que el usuario permanezca en el mismo lugar y lo que se mueve es la banda, contrariamente a lo que sucede al caminar, que el piso permanece estacionario y la que se mueve es la persona.

14.- Esfericidad: Con tres alternativas:

a) Remplazar partes lineales con curvas o esferas; por ejemplo: Emplear arcos o domos para reforzar construcciones lineales.

b) Uso de rodillos o espirales; por ejemplo: Algunos implementos agrícolas, para mover la tierra, usan rodillos dentados en lugar de las tradicionales cuchillas con lo que es posible mover el doble o triple de tierra que con el sistema tradicional.

c) Remplazar un movimiento lineal por otro rotatorio; por ejemplo: El “ratón” de la computadora emplea una esfera para transferir movimientos lineales a la unidad procesadora de información (CPU).

15.- Incremento dinámico o dinamismo: Con tres alternativas:

a) Hacer que las características de un objeto o el ambiente, se adapten para un rendimiento óptimo en cada etapa de su función; por ejemplo: Los alerones que se colocan en los autos de

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carreras, cuyos ángulos de ataque pueden cambiarse para un funcionamiento óptimo del vehículo.

b) Dividir un objeto en varios elementos de tal forma que cambien de posición unos con otros; por ejemplo: Los modernos vehículos “todo terreno” que se emplean para explorar Marte, los cuales son muy flexibles con partes movibles en los sistemas de rodado.

c) Si un objeto es rígido, hacerlo movible o intercambiable; por ejemplo: Una lámpara de mesa, colocarle un aditamento, flexible, para mover el rayo luminoso a donde sea necesario.

16.- Acción excesiva o parcial: Si es imposible obtener un 100% del efecto deseado, mediante un sistema tecnológico, tratar de obtener el rendimiento más alto simplificando el sistema; por ejemplo: Cuando se pinta un objeto, por inmersión, siempre queda un exceso de pintura sobre él, para eliminarla se sugiere rotarlo a gran velocidad y así obtener un pintado óptimo recuperando la pintura sobrante para su reciclado.

17.- Transición a una nueva dimensión: Con tres alternativas:

a) Cambiar un movimiento unidimensional a dos o tres dimensiones; por ejemplo: El “ratón” de una computadora que funciona mediante luz infrarroja puede moverse en tres dimensiones en comparación con el tradicional que solo lo hace en dos.

b) Utilizar objetos apilados en varios niveles; por ejemplo: Apilar láminas delgadas de vidrio para poder cortarlas con lo que reduce el peligro de que se rompan si se hace el corte de manera individual.

c) Inclinar objetos o colocarlos sobre sus extremos; por ejemplo: Almacenar troncos de árboles verticalmente, uniéndolos adecuadamente para que formen una estructura rígida y estable.

18.-Vibración mecánica: Con las siguientes opciones:

a) Emplear oscilaciones; por ejemplo: El péndulo de un reloj de pared.

b) Si ya existe una oscilación, aumentar su frecuencia e inclusive llegar al ultrasonido; por ejemplo: El horno de microondas.

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c) Usar vibraciones ultrasónicas junto con campos magnéticos; por ejemplo: Actualmente es posible “soldar” huesos humanos mediante ultrasonido y campos magnéticos.

19.- Acción periódica: Con tres alternativas:

a) Remplazar una acción continua con una periódica o con impulsos; por ejemplo: Cuando se riega el césped, si se aplica el agua de forma constante, éste es dañado, lo mejor es usar aspersores intermitentes.

b) Si una acción ya es periódica, cambiar su frecuencia; por ejemplo: En los faros marinos, se cambia a menudo la frecuencia del haz luminoso con objeto de que sean más visibles para los navegantes.

c) Usar pausas entre los impulsos para obtener una acción adicional; por ejemplo: Unas chimeneas que funcionen mediante pausas para emitir los gases, son capaces de elevarlos hasta 3000 metros, lo que no se lograría con una chimenea del triple de altura pero que funcione de manera continua.

20.- Llevar a cabo la acción positiva de manera continua: Con las siguientes opciones:

a) Conducir la acción deseada sin pausas, es decir que todas las partes de un sistema tecnológico deben operarse a su máxima capacidad; por ejemplo: Un equipo automático para soldar tuberías, en la industria petrolera, está diseñado para operar todo el tiempo a su máxima capacidad y eficiencia.

b) Eliminar “tiempos muertos”; por ejemplo: Un barco carguero siempre debe llevarse cargado con mercancía y nunca viajar vacio.

21.- Aumentar la velocidad a la que se lleva a cabo una acción riesgosa o dañina: por ejemplo: Una sierra cortadora de tubos de plástico, debe de llevar a cabo la acción de corte a la mayor velocidad posible, para evitar el calentamiento de los tubos y su deformación.

22.- Convertir algo dañino en benéfico: Con las siguientes alternativas:

a) Convertir dos o varios efectos dañinos en uno benéfico; por ejemplo: Las aguas residuales, fuertemente alcalinas, de una empresa pueden mezclarse con las aguas residuales,

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fuertemente ácidas, de otra industria con lo cual se neutralizan ambas.

b) Incrementar la acción dañina hasta que cesa de serlo; por ejemplo: La arena para la construcción, en climas extremadamente fríos, se congela en los contenedores que la transporta a su lugar de uso, por lo que es muy difícil de descargar. Sin embargo si se enfría mucho más, mediante Nitrógeno líquido, es muy fácil de descargar mediante vibración.

23.- Retroalimentación: Con dos alternativas:

a) Si no existe la retroalimentación establecerla; por ejemplo: El funcionamiento de cualquier flotador, en un tanque de agua. Antes de que se inventar el artefacto, se determinaba el nivel del líquido cuando este se derramaba.

b) Si ya existe la retroalimentación, incrementarla; por ejemplo: En los equipos muy ruidosos, como los tractocamiones, primero se determina el nivel de ruido generado, mediante sensores y después se genera otro sonido, con la misma intensidad pero defasado 90 grados con lo que se eliminan ambos ruidos.

24.- Mediador: Con dos opciones:

a) Emplear un objeto intermedio para transmitir o llevar a cabo una acción; por ejemplo: Cuando se elaboran artículos de plástico, en moldes muy complejos, se inyecta aire a presión con el propósito de distribuir adecuadamente el polímero, el aire solo lo “empuja” y después se elimina.

b) Temporalmente conectar un objeto a otro y después quitar uno de ellos; por ejemplo: Cuando se desea sembrar hortalizas, de manera muy precisa en el espaciado de las plantas, se colocan las semillas distribuidas en un papel biodegradable, mediante un adhesivo orgánico. El papel y las semillas se depositan en la tierra y con el tiempo el papel desaparece dado que ya cumplió su función.

25.- Autoservicio: Con dos alternativas:

a) Un objeto debe darse servicio a si mismo y si es necesario repararse; por ejemplo: En un restaurante de autoservicio, los mismos clientes se convierten en sus propios meseros.

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b) Aprovechar los materiales y la energía desechada en un proceso; por ejemplo: La producción de composta, de los residuos sólidos biodegradables o el aprovechamiento del calor generado en una chimenea que puede ser recuperado mediante un serpentín que conduzca agua, la cual aumenta su temperatura y así se alimenta a la caldera, obteniéndose un ahorro considerable de combustible.

26.- Copiado: Con tres opciones:

a) Emplear una copia barata en lugar del objeto original que es frágil o inconveniente de operar; por ejemplo: Un simulador de vuelo para entrenar pilotos en lugar de un avión verdadero.

b) Remplazar el objeto original con su imagen óptica, la imagen obtenida puede ser reducida o agrandada; por ejemplo: La altura de objetos muy altos puede determinarse mediante la sombra que proyectan.

c) Si se está empleando una copia óptica, ésta puede ser remplazada por una copia infrarroja o ultravioleta; por ejemplo: Para determinar el grado en que un cultivo ha sido atacado por plagas, se emplean fotografías infrarrojas.

27.- Desechar: Remplazar un objeto costoso con otro que sea más económico y conveniente; por ejemplo: Agujas hipodérmicas desechables.

28.- Remplazar un sistema mecánico con otro sistema: Con las siguientes alternativas:

a) Remplazar el sistema mecánico con un óptico, acústico o térmico; por ejemplo: Un sistema olfatorio es empleado para determinar el momento en el cual se rompe un “diente”, de un engrane, en una máquina de perforación.

b) Emplear campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos para interactuar con un objeto; por ejemplo: Remplazar el gancho de una grúa para levantar chatarra de Fierro con un electroimán.

c) Uso de campos magnéticos en combinación con partículas ferromagnéticas; por ejemplo: En el caso ya visto de querer determinar la velocidad de endurecimiento de un plástico, se le agrega limadura de Fierro, durante la preparación y se aplica un campo magnético oscilante, durante el fraguado, con

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lo que se puede determinar el grado de movilidad de las partículas metálicas y por lo tanto la velocidad de endurecimiento.

29.- Emplear un sistema hidráulico o neumático: por ejemplo: Las bolsas de los automóviles que se inflan rápidamente para evitar lesiones al conductor y los tripulantes, durante una colisión.

30.- Membranas flexibles o películas delgadas: Con las siguientes alternativas:

a) Separación de varios objetos mediante membranas flexibles; por ejemplo: Altshuller aporta el ejemplo de que en un carro-tanque se puede transportar petróleo, licor y aceite comestible si se colocan dichas membranas adecuadamente dentro del transporte.

b) Aislar una parte de un objeto del ambiente que lo rodea mediante una membrana o película flexible; por ejemplo: Un invernadero es clásico de ese principio ya que el plástico mantiene las condiciones deseadas dentro de la construcción.

31.-Material poroso. Con dos opciones:

a) Hacer un objeto poroso o emplear algún elemento que lo sea; por ejemplo: Los empaques porosos de poliestireno que se usan para proteger objetos durante su transporte.

b) Si un objeto es poroso, llenar los poros con algún tipo de sustancia; por ejemplo: En metalurgia, la manera más empleada de adicionar un aditivo, a un metal fundido líquido, es llenando los poros de un ladrillo especial con el aditivo e introduciéndolo al líquido.

32.- Cambio de color. Con cuatro opciones:

a) Cambiar el color de un objeto o el de su ambiente; por ejemplo: Una forma muy eficiente de aprovechar el calor del sol, en los calentadores de agua, es pintándolos de negro mate.

b) Cambiar el nivel de translucidez de un objeto o de su ambiente; por ejemplo: Una venda puede hacerse transparente para observar como cicatriza una herida.

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c) Usar aditivos de algún color para resaltar alguna cualidad o proceso de visualizar; por ejemplo: En algunos termómetros, el líquido que indica la temperatura se colorea de rojo para producir un mayor contraste y hacer más fácil la lectura.

d) Si ya se emplean aditivos, usar algún tipo de pintura luminiscente para un mayor contraste; por ejemplo: Algunos termómetros tienen ya luminiscencia agregada en el líquido que indica la temperatura. Otro ejemplo es la carátula fosforescente de algunos relojes.

33.- Homogeneidad. Objetos secundarios que interactúan con el objeto principal, deben fabricarse del mismo material o de materiales similares al objeto principal; por ejemplo. En metalurgia, cuando es necesario agitar un metal fundido, de alta pureza, se introduce un agitador del mismo metal para evitar contaminar el material fundido.

34.-Desechando y regenerando partes. Con las siguientes alternativas.

a) Después de terminar su función, un elemento, de un objeto, debe descartarse (evaporarse, disolverse, etc.) o puede ser modificado durante el proceso en que se requiere; por ejemplo: Empaques fabricados con harina de almidón que una vez terminada su función se degradan fácilmente en los rellenos sanitarios.

b) Los componentes usados de un objeto, deben ser reutilizados; por ejemplo. En los lanzamientos de naves espaciales, se recuperan los contenedores de combustible y se vuelven a usar varias veces.

35.- Transformación de propiedades. Con las siguientes opciones.

a) Cambio del estado físico de algún componente del sistema tecnológico; por ejemplo. Para limpiar, por erosión mecánica, piezas metálicas sin que el polvo limpiador deje trazas, se usa polvo de bióxido de Carbono (“hielo seco”) que una vez cumplida su misión limpiadora se evapora y desaparece sin dejar rastro.

b) Cambio de concentración o densidad; por ejemplo. El caso ya visto del agua de una piscina de clavados, en la cual se hace burbujear aire, reduciendo su densidad y así protegiendo a los clavadistas contra alguna lesión al efectuar un mal clavado.

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c) Cambio de temperatura; por ejemplo. Mantener a baja temperatura las muestras médicas de tejidos para su posterior análisis.

36.-Transición de fase. Emplear el fenómeno de cambio de fase (liberación, absorción de calor, etc.); por ejemplo. Algunas naves espaciales cuentan con una capa protectora de una sustancia que se evapora, absorbiendo calor, durante la etapa de reingreso a la tierra y con ello protegiendo a los astronautas.

37.- Expansión térmica. Con dos alternativas.

a) Emplear la expansión o contracción de algún material con el cambio de temperatura ambiental; por ejemplo. Para ajustar perfectamente dos partes metálicas, se enfría la interna y se calienta la externa. Una vez lograda, por una parte la contracción y por otra la expansión, se unen y se dejan a la temperatura ambiente, logrando un ajuste perfecto.

b) Usar varios materiales con diferente coeficiente de expansión térmica; por ejemplo. El termopar (termocople) para el control de temperatura en algunos aparatos industriales.

38.- Oxidación acelerada. Llevar a cabo la transición, de un nivel inferior de oxidación a otro nivel mayor; por ejemplo. En el tratamiento de aguas residuales, en las cuales es indispensable dosificar Oxígeno a las bacterias que biodegradan la materia orgánica, se cambia de aire común (Oxígeno, 21% y Nitrógeno, 78%) a inyectar Oxígeno puro, con lo que se obtienen mayores eficiencias en un menor tiempo.

39.- Ambiente inerte. Con las siguientes alternativas.

a) Remplazar el ambiente natural con otro que sea inerte; por ejemplo. Para evitar que algunas fibras vegetales se incendien en los almacenes se les aplica Nitrógeno para así desplazar al Oxígeno, previniendo la posible combustión.

b) Llevar a cabo un proceso en el vacío; por ejemplo. Algunos procesos de soldado, muy delicados, se llevan a cabo en cámaras de vacío.

c) Emplear una sustancia inerte; por ejemplo. Para evitar la oxidación, en un proceso de soldado, se hace uso de algún gas inerte al llevar a cabo la acción.

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40.- Materiales compuestos (“Composites”). Usos de los nuevos materiales con características muy especiales; por ejemplo. Algunas bicicletas de carreras, para hacerlas más ligeras y resistentes, tienen partes hechas de fibra de Carbono.

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1.9.4 Diagrama Sustancia Campo de la podadora

EMPEORA

MEJORA

1.9.3 Matriz de contradicciones

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1.9.5 Sistema Tecnológico Ideal

Efectos Valor de

Importanc Efectos No Valor de

Importanci

Sustancia: Cosas tangibles que se detecten con los 5 sentidos.

Campos: CG, CE, CMG, CND, CNF, CM, CT, CO, CA.

Línea continua: Efecto deseado.

Línea punteada: Efecto deseado pero insuficiente.

S1 S2

cM

CM: Campo mecánico

S2: Situación del desplazamiento de las aspas a una altura determinada.

S1: Situación corte exacto.

S3: Engrane con cremallera con motor-reductor.

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Deseados ia Deseados a

Productividad 9 Pérdida de Energía 6

Confiabilidad 8 Peso del Objeto Móvil

8

Precisión en la medida

10

Uso energético del objeto

9

Fácil reparación

6

Adaptabilidad 7

I=∑ ED

¿¿

I=SitemaTecnológico Ideal

∑ ED=Sumatoria de los Efetos Deseados .

∑ EI=Sumatoria de los efectos indeseados

∑C=Sumatoria de los costosdel sistema tecnológico

I= 49(14+4000 )

=0.012

Viable ≤1

NoViable>1

1.10 Diagrama de Flujo del Funcionamiento de la Podadora Automática

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2. CÁLCULOS

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2.1 Cremallera

1- Modulo (M)

M= Pπ

=7.854π

=M=2.5mm

2- Paso (P)

P=M∗π=(2.5mm ) (π )=P=7.854mm

3- Longitud de la cremallera (Lc)

Lc=Z∗P= (13 ) (7.854 )=Lc=100mm

4- Numero de dientes (z)

Z=Lc

M∗π=Lc

P= 100

7.854=12.732=Z≅ 13

5- Longitud del diente (L)

L=(10 )∗M=(10 ) (2.5mm )=L=25mm

6- Altura del diente (h)

h=(2.25 )∗M=(2.25 ) (2.5mm )=h=5.625mm

7- Espesor bajo el diente (e)

e=h∴ e=5.625mm

8- Saliente (s)s=M∴M=2.5mm

9- Hueco (c)c= (1.25 )∗M=(1.25 ) (2.5mm )=c=3.125mm

10- Ancho de cara

20

11- Altura de paso 5

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2.2 Engrane

Recto

1- Modulo (M)

M= Pπ

=D e

Z+2=D e

2=De−D p

2=M=7.853

π=2.5mm

2- Paso (P)

P=π∗M=π∗D p

Z=π∗De

Z+2=P=(π ) (2.5mm )=7.853mm

3- Numero de dientes (Z)

Z=D p

M=De−2M

M=π∗D p

P=Z= 30

2.5=12

4- Diámetro exterior (De)

De=M (Z+2 )=D p+2M= PM

(Z+2 )=De=(2.5 ) (12+2 )=35mm

5- Diámetro primitivo (Dp

D p=D e−2M=Z∗M=Pπ∗Z=D p=35−2 (2.5 )=30mm

6- Altura del diente (h))

h=2.1666∗M=2.166∗Pπ

=h=2.166 (2.5 )=5.416mm

7- Longitud del diente (L)

L=10∗M=L=10 (2.5 )=25mm

8- Espesor de la corona (K) (diente)

K=1.57∗M=K=1.57 (2.5 )=3.925mm

9- Espacio entre dientes (c) (medido en el Dp)

c= P2=1.5708∗M=c=7.853

2=3.926mm

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10- Longitud del intervalo (i)

i=e=M∗π2

= P2

=i=(2.5 )∗π

2=3.926mm

11- Distancia entre Dp y De (S)

S=M=Pπ=S=2.5mm

12- Espesor del diente (e)

e=i∴e=3.926mm

13- Angulo central del diente (∝)

∝=90Z

=∝=9012

=7.5

14- Longitud de la cuerda (a)

a=D p∗sin∝=M∗Z∗sin∝= P∗Zπ

∗sin∝=a=(30 ) sin (7.5 )=3.915mm

15- Hueco (u) Distancia entre la corona y el círculo primitivo.

u=1.1666∗M=1.1666∗Pπ

=u=1.1666 (2.5 )=2.9165mm

16- Diámetro interior (Di)

Di=D p−(2∗M∗1.167 )=D i=(30 )−( 2 (2.5 ) (1.167 ) )=24.165mm

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2.3 Velocidad Lineal de la cremallera

velocidad delmotor=16rpm

Piñon=12dientes=N p

pasoDiametral=10=Pd PorTablas .

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Diámetro de paso (D p )

DP=NP

Pd

=DP=1210

=1.2 pulgadaszx

Velocidad angular (w p)

W p=16revmin

2 π rad1 rev

1min60 seg

=W p=1.675radseg

Velocidad lineal de la cremallera (V R)

V R=(DP

2 )∗W P=( 1.2 pulgadas2 )(1.675

radseg )

V R=1.005pulgadassegundo

1.005

pulgadassegundo

∗25.4mm

1 pulgada=V R=25.52

mmseg

=2.552cmseg

Página 50

25.52

mmseg

∗1m

1000m=0.02552

ms

2.4 Relación de contacto entre los engranes de transmisión

N p=30

NG=30

Pd=10

Angulo de presión

∅=20 °

Radio exterior del piñón (RoP)

Ro P=N p+2

2 Pd

=30+22∗10

=Ro P=1.6 pulgadas

Radio del circulo base para el piñón (RbP)

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Rb P=N p

2Pd

∗cos∅= 302∗10

∗cos 20°=RbP=1.409 pulgadas

Radio exterior del engrane mayor (RoG)

RoG=NG+2

2Pd

=30+22∗10

=RoG=1.6 pulgadas

Radio del circulo base para el engrane mayor (RbG)

RbG=NG

2Pd

∗cos∅= 302∗10

∗cos20 °=RbG=1.409 pulgadas

Distancia entre centros (C)

C=N P+NG

2 Pd

=30+302∗10

=C=3 pulgadas

Paso circular (P)

P= πPd

=P= π10

=0.31415

Relación de contacto (mf)

mf=√RoP

2−Rb P2+√RoG

2−RbG2−C sin∅

P cos∅

mf=√1.62+1.4092+√1.62+1.4092−3∗sin 20 °0.31415∗cos20 °

=mf=4.85

3. SIMULACIÓN

Diseño de prototipo (SolidWorks)

mf >1.20 Larelacionde contactoes aceptada

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1 Podadora Automática

2Vista Lateral

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3Vista Inferior

4 Vista Superior

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5 Vista Frontal

6 Mecanismo - Engranes, Piñón y Cremallera

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7 Podadora aplicando un corte

Nota: Para visualizar mejor el funcionamiento de la podadora automática se realizó una simulación de los movimientos del eje de la cuchilla, el cual tiene la capacidad de ajustarse según la medida de corte deseada.

4. RESULTADOS

Las principales ventajas que encontramos al incluir la metodología TRIZ en el desarrollo de la podadora de césped automática fueron los siguientes:

1. Tenemos una nueva manera de afrontar un problema técnico, primeramente al aprender a plantearlo adecuadamente y de distintas formas. Con respecto a lo que se plantea para el sistema de corte de la podadora, el desarrollo se enfocó en los aspectos de medición precisa y complejidad de control.

2. Se ubica en la matriz de contradicción para eliminarla y no, como sucede actualmente, tratar de llegar a “soluciones” momentáneos que en realidad no son innovaciones tecnológicas. En el proyecto, se diseñó un sistema que actuara de forma automática para realizar diferentes alturas de corte.

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3. Al aprender la metodología de la TRIZ, se cuenta con una herramienta muy útil para el ámbito profesional, ya que otorga una amplia ventaja competitiva. La metodología ahorro tiempo para poder identificar los aspectos que influían en el sistema de corte de la podadora para hacerlo más eficaz.

4. Los conocimientos científicos y técnicos, tienen una aplicación directa en la solución de problemas, mediante una metodología perfectamente comprobada. Los cálculos ayudaron a idear un sistema con una mayor relación de costo-beneficio según las necesidades del cliente.

5. CONCLUSIONES

Las empresas están actualmente obligadas a cumplir principios diseño para el confort del cliente, se puede señalar a lo anterior como una herramienta de competitividad. Es necesario sistematizar su implementación, y para ello se puede utilizar una metodología como TRIZ que ayudará a proponer soluciones innovadoras.

Para tener diferentes tipos de soluciones en el diseño para el confort del cliente, la empresa tiene la obligación de adaptarse a las nuevas leyes, esto hace que esta técnica se ajuste para utilizar nuevos enfoques que respondan a la naturaleza compleja de los problemas de diseño del confort.

En este proyecto relacionamos 8 de los 39 parámetros técnicos TRIZ y 20 de los 40 principios inventivos, para que a partir de esta metodología se pueda llegar a encontrar la solución eficiente con respecto al sistema de alturas de corte de la podadora, dando como resultado el diseño de un mecanismo que consiste en la implementación de un servomotor en donde su eje se encuentra un engrane que se acopla a una cremallera. Dicho mecanismos es el

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encargado precisamente de regular la altura de las cuchillas y por tanto de la altura de corte.

6. REFERENCIAS

[1] Altshuller, G. S. (2005). The innovation Algorithm: TRIZ. Massachusetts: Technical

Innovation Center, Inc.

[2] Isoba, O. (2007). Innovación y creatividad.

www.gestiopolis.com/innovacionemprendimiento/teoria-de-resolucion-de-losproblemas-inventivos-triz.htm

[Fecha de consulta: 20 de febrero del 2015]

[3] Konz, S. (2009). Occupational Ergonomics. Arizona: Holcomb Hathaway Publishers.

[4] Kroemer, Karl et al. (1994). Ergonomics: How to Design for Ease & Efficiency. Prentice Hall, New Jersey.

[5] Niebel, B. (2009). Ingeniería Industrial: Métodos, estándares y diseño del trabajo.

Editorial Alfaomega, 12.a ed., México.

[6] www.dirbibliotecas.ipn.mx

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