Informe de Dibujo Mecanico

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P. INGENIERÍA MECÁNICA

Uso de la Energía Eólica para el funcionamiento del Brazo Industrial  

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DOCENTE:

Huiza Mendoza, Víctor CARRERA:

INGENIERÍA MECÁNICA CICLO:

IV ESTUDIANTES:

 RUIZ RUIZ

CASTILLO, Wilson Jesús - 0201816010

 BRAVO BRAVO

MENDOZA, Alexandro - 0201816006

CURSO: DIBUJO

MECÁNICO II

Nuevo Chimbote  – Perú

2019

 

ÍNDICE ...................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN  ....................................................................................................................... ............................................................................................................................... 4 OBJETIVOS ................................................................................................................................

Objetivo Principal ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... Objetivos Secundarios ................................................................................................................ ................................................................................................................ ANTECEDENTES  ............................................................................................................................. ANTECEDENTES ............................................................................................................................ 5 ........................................................................... ........ 5 Antecedentes. Criterios. Aplicaciones...................................................................

Características de Funcionamiento. Especificaciones. .................................................. 7 Esquemas. Planos de instalaciones reales ..................................................................... 9 .......................................................................................................... ........................................... 10  EQUIPO INDUSTR INDUSTRIAL IAL ............................................................... ........................................................................................ 10  BRAZO INDUSTRIAL .........................................................................................

1.  Fundamento .............................................................. ............................................................................................................. ............................................... 2.  Uso de servomotores ............................................................ ............................................................................................... ................................... ........................................................................................... 3.  Movimientos del Brazo ........................................................................................... ............................................................................................................. 4.  Justificación ............................................................................................................. ................................................................................... 12  Diseño de Turbina Eólica en Solidworks ....................................................................................

Diseño de Brazo Mecánico Industrial en Solidworks ................................................................. 23  CONCLUSIÓNES  ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 47 ...................................................................................................................... 48  48  BIBLIOGRAFÍAS  ......................................................................................................................

 

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INTRODUCCIÓN El Dado que es difícil imaginar en el futuro una sociedad moderna donde la energía no juegue un papel fundamental y puesto que numerosos estudios han demostrado que el ritmo actual de consumo de combustibles es insostenible y  perjudicial para la vida del planeta, es fundamental concienciar a la humanidad de que un cambio de tendencia no solo es necesario, sino que es imperativo.  No se trata de erradicar por completo el uso de fuentes de carácter carácter fósil, pues en muchos países es su principal o incluso su única forma de obtener energía, sino de avanzar hacia un equilibrio en la generación, generació n, para lo que será vital permitir el desarrollo de energías limpias, aumentar la eficiencia de la tecnología y reducir el consumo. En este contexto se ha decidido diseñar una turbina eólica que generará energía eólica y alimentará a la batería de un brazo mecánico industrial indu strial de grandes dimensiones que servirá como herramienta de estudio para alumnos de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Santa. Para diseñar la turbina se ha desarrollado un modelo de programación informática que, basado en e n conceptos aerodinámicos, permite calcular la geometría de las palas en función de unas condiciones iniciales, estimar la potencia del rotor obtener sus curvas de funcionamiento. Lo cual también se aplica a los servomotores del brazo Se ha recurrido a un software de diseño (SOLIDWORKS) asistido por ordenador  para dibujar todas las partes de la Turbina y del brazo industrial. Para la puesta en marcha del proyecto se nos dijo que el diseño de maquinaria contribuyera el medio ambiente es por eso que qu e hicimos esta turbina y como ejemplos brindara energía al brazo industrial. Este informe ha sido dividido en 4 partes, para su mejor entendimient entendimiento, o, más un conjunto de anexos y bibliografía.

 

OBJETIVOS   Objetivo Principal

  Demostración del uso del solidworks en diseño de maquinaria

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aplicando lo aprendido durante el curso.   Objetivos Secundarios

  Diseño de una turbina eólica económica optimizando y convirtiendo

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esta energía renovable en energía eléctrica apta para el consumo en comunidades del Perú que se encuentran aisladas de una fuente de consumo energético.   Aprovechar la energía generada para su consumo, incentivar el uso de las energías renovables y disminuir la contaminación con taminación del medio ambiente.   Diseño de un brazo mecánico industrial el cual será alimentado con la energía producida por la turbina dando una solución a las fabricas con maquinaria industrializada.

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ANTECEDENTES  ANTECEDENTES  1.  Antecedentes Antecedentes.. Criterios. Aplicaciones:  La primera turbina eólica para generar energía eléctrica fue diseñada y construida a principios del siglo XX por el Danés Poul La Cour. Durante las Guerras Mundiales I y II ingenieros daneses mejoraron la tecnología eólica para superar la escasez de energía durante el conflicto bélico. En 1941-1942 la empresa danesa FL Smidth construía aerogeneradores utilizando perfiles aerodinámicos modernos. La turbina eólica nórdica contenía un mecanismo para modificar la posición de choque del viento contra las aspas. Al mismo tiempo, en América se construyó una turbina eólica gigante con un diámetro de 53 metros, concebida con una filosofía de diseño diferente. En 1967 el alemán Hutter diseñó una turbina eólica que consistía de dos láminas de fibra de d e vidrio delgadas montadas en un rotor. En su época la turbina de Hutter fue conocida por su alta eficiencia. Con la primera crisis del petróleo a principios de los años 70's, volvió a surgir el interés por la potencia contenida en el viento. Sin embargo, los esfuerzos de desarrollo tecnológico se enfocaron en la generación de energía eléctrica, en lugar de aprovechar la energía mecánica como en antaño. Con toda la sinergia y el uso de otras tecnologías (electrónica de  potencia, control control automático, rede redess eléctricas, etc etc.) .) es posible emplear emplear el viento como una fuente confiable y consistente para producir electricidad e interconectarse a la red eléctrica. Actualmente, la tecnología que se emplea para la explotación de la energía eólica evoluciona constantemente explorando nuevas  posibilidades de de crecimiento y potencia de ssalida. alida. Por ejemplo, a finales de 1989, con el avance en aquella época, estaba en operación un aerogenerador aerogenera dor de 300 kW con un diámetro de rotor de 30 metros. Diez años más tarde, diversos fabricantes ponen en marcha turbinas de 2000 kW con un diámetro de rotor de alrededor de 80 metros. Los primeros aerogeneradores aerogenera dores de 3 MW con un diámetro de rotor de 90 metros se instalaron antes del cambio de siglo. A principios del siglo XXI estaban disponibles comercialmente comercialmente turbinas de 3.6MW. A principios de 2004, se instalaron las primeras turbinas eólicas de 4-5 MW. Las turbinas eólicas se pueden dividir en diferentes grupos según su aerodinámica o por la posición de las aspas para atacar el viento. Existen turbinas con orientación del eje de giro en el eje horizontal y turbinas de eje vertical. Las turbinas de eje vertical, también conocidas como turbinas Darrieus, son de aspas ligeramente curvas y simétricas. Las principales ventajas de las turbinas Darrieus es que pueden funcionar independientemente de la dirección del viento; la caja de engranes y el generador se pueden colocar a nivel del suelo. Además, como las palas del rotor son verticales no

 

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necesitan orientación al viento y funcionan aún cuando éste cambia de dirección rápidamente. Pueden ser ubicadas cerca del suelo, haciendo fácil el mantenimiento de las partes y necesitan velocidades bajas del viento para empezar a girar. El aerogenerador aerogenerador de mayor capacidad de eje vertical se instaló en Canadá, con 4.200 kW a finales de llaa década de 1980, sin embargo, la investigación y el desarrollo de aerogeneradores de eje vertical es insipiente a la fecha.

Actualmente las turbinas de eje horizontal o tipo hélice se emplean  prácticamente en todos los ae aerogeneradores rogeneradores instalados. Una turbina eólica de eje horizontal se compone de una torre y una góndola que se monta en la parte superior de la torre. La góndola contiene el generador, caja de engranes y el rotor. En el laboratorio de Control Automático de la Universidad Politécnica de Tulancingo se realizan estudios para aprovecharr la máxima potencia del viento utilizando diferentes esquemas aprovecha de control automático.

En pequeños SGE's, el rotor y la góndola se orientan hacia el viento con una veleta en la cola. Estas turbinas utilizan diferente número de aspas dependiendo dependien do para que se utiliza el SGE. Las turbinas de los sistemas eléctricos de generación de energía eólica (SEGEE) emplean dos o tres tr es  palas para la producción elec electricidad. tricidad. Turbinas ccon on 20 o más aspas aspas se utilizan para la extracción de agua.

 

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2.  Característica Característicass de Funcionamiento. Funcionamiento. Especificaciones Especificaciones..  En una turbina eólica en presencia de viento, entran en juego dos fuerzas aerodinámicass sobre las aspas del rotor: una denominada empuje, que es aerodinámica  perpendicular  perpendicu lar a la dirección de dell flujo del viento y otra ddenominada enominada arrastre, que es paralela a la dirección del flujo, tal y como muestra la figura siguiente: 

Imagen de la Izquierda: Flujo de viento a través de las aspas de un generador, este flujo crea dos fuerzas: de empuje sobre la superficie y de arrastre. La fuerza de empuje es una de las responsables de la rotación de las aspas. Imagen de la Derecha: Detalle de cómo la fuerza de empuje provoca la rotación del eje del generador. Las aspas de las turbinas tienen un diseño muy similar a las alas de un avión y se comportan, en presencia del viento, como lo hacen estas últimas. En las alas de un avión, una de las superficies está muy redondeada, redondea da, mientras que la otra es relativamente plana. Cuando el aire circula a través del aspa de un molino con este diseño, el aire circulante  por la superficie lisa lo hace má máss despacio qque ue por la redondeada; redondeada; este diferencia de velocidades genera a su vez una diferencia de presión, pr esión, más acusada sobre la superficie lisa que sobre la redondeada; redondeada; el resultado neto es que hay una fuerza actuando sobre la superficie lisa que empuja el ala; este fenómeno se conoce como “Efecto Venturi” (debido al físico físi co ital iano del siglo XVIII que lo describió por primera vez) y es en parte responsable del fenómeno conocido como “sustentación”, que a su vez,

es uno de los procesos que explican por qué los aviones se mantienen en el aire -la explicación del fenómeno de la sustentación de los aviones es compleja e involucra varios procesos físicos, además del efecto Venturi y queda fuera de los objetivos de este artículo. Recomiendo al lector interesado la lectura de este texto para una explicación más detallada. Estos mecanismos son los que también utilizan las aspas de los molinos eólicos para provocar el movimiento de rotación alrededor de su eje, tal y

 

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como muestra el dibujo precedente. El diseño de la l a sección de las aspas favorece que la rotación se produzca de la manera más eficiente posible.

El interior de un generador eólico: En el interior de los generadores tiene lugar el proceso de transformación tr ansformación de la energía de rotación de las aspas en energía eléctrica mediante la ley de Faraday, cuyos fundamentos describí en este artículo. Para ello, debe incorporar un rotor que gire según incide el viento en él, acoplado a un alternador que transforme esa energía mecánica de rotación en energía eléctrica. La figura muestra esquemáticamente esquemática mente el interior de una góndola de un generador eólico, con sus diferentes componentes componentes:: 

La función que cumple cada elemento es la siguiente:   Rotor: Recoge la energía del viento y la transforma en energía

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mecánica de rotación. Su diseño es crítico para lograr l ograr que haya giro incluso en condiciones de velocidad del viento muy mu y baja. Como se ha visto en el punto anterior, el diseño de la sección de las palas es clave para garantizar el giro del rotor.   Sistema de acoplo, soporte de la turbina:  Adapta el movimiento de rotación de las aspas al del d el rotor del generador de energía eléctrica al cual se acopla.   Multiplicador o caja de cambio: A las velocidades habituales del viento (entre 20 y 100 km/h), la velocidad de giro del rotor es  baja, del orden orden de 10-40 revoluc revoluciones iones por minuto (r.p.m.); (r.p.m.); para generar energía eléctrica, el rotor del generador debe hacerlo a unas 1.500 r.p.m., por lo tanto, la góndola debe incorporar un sistema que transforme la velocidad de rotación del valor inicial al final. Esto se logra mediante un mecanismo parecido a la caja de cambios de un motor de automóvil, que mediante un juego de múltiples engranajes, permite que la parte móvil del generador de energía eléctrica gire a la velocidad apropiada para producir electricidad. También incorpora un freno con objeto de parar el giro del rotor en presencia de vientos muy elevados (por encima de 80-90 km/h), que podrían dañar algún elemento del generador.   Generador: es un conjunto rotor-estator que genera la energía

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eléctrica, se transporta mediante un cableado instalado en el interior deque la torre torr e que soporta la góndola, hacia una estación

 

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transformadora, que la vuelca en la red eléctrica. La potencia del generador varía entre 5 kW para las turbinas de tamaño medio, hasta 5 MW en las más grandes, aunque ya hay turbinas que alcanzan los 10 MW.   Motor de orientación: permite girar al conjunto para situar la góndola de cara a la dirección del viento dominante.   Mástil de soporte: es el soporte estructural del generador.

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Cuanto más potente es la turbina, mayor es la longitud de las aspas y por consiguiente, mayor la altura a la que debe situarse la góndola, lo que introduce complejidad adicional en el diseño de la la torre, que debe soportar el peso del conjunto del generador y las aspas; también debe poseer una alta rigidez estructural para aguantar vientos elevados sin fracturas.   Veleta y Anemómetro: Dispositivo situado en la parte trasera de la góndola que contiene el generador; determina la orientación y mide la velocidad del viento y actúa sobre el mecanismo de las aspas para frenarlas cuando la velocidad del viento supera un umbral a partir del cual hay riesgos estructurales para la turbina. Suele ser un diseño de tipo ti po turbina Savonious.

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3.  Esquemas. Planos de instalaciones reales. 

 

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EQUIPO INDUSTRIAL BRAZO INDUSTRIAL 1.  Fundamento Un brazo robótico es un tipo de brazo mecánico, normalmente  programable, con funciones parecidas a las de un brazo humano; este puede ser la suma total del mecanismo o puede ser parte de un robot más complejo El brazo robótico ha sido diseñado en base a la gran versatilidad del brazo humano, en un principio los diseños fueron rudimentarios, pero con el tiempo se logró igualar, i gualar, incluso, superar la complejidad de los movimientos. El bazo robótico es de gran importancia en la industria no solo por su eficacia al realizar trabajos, sino porque sustituye al hombre en labores de producción que no corresponden a un humano, es decir mejora la calidad de vida. 2.  Uso de servomotor servomotores es Algunos brazos multi-articulados están equipados con servo controladores, o controladores por realimentación, que reciben datos de un ordenador. Cada articulación del brazo tiene un dispositivo que mide su ángulo y envía ese dato al controlador. Si el ángulo real del brazo no es igual al ángulo calculado para la posición deseada, el servo controlador mueve la articulación hasta que el ángulo del brazo coincida con el ángulo calculado. Los controladores y los ordenadores asociados también deben procesar los datos recogidos por cámaras que localizan los objetos que se van a agarrar o las informaciones de sensores situados en las pinzas que regulan la fuerza de agarre.

3.  Movimientos del Brazo PRIMER MOVIMIENTO El giro que realiza la base es de 360º, esto para que el brazo no tenga ninguna dificultad para alcanzar las fichas a utilizar.

 

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360°

SEGUNDO MOVIMIENTO Situado entre la base y el brazo y cada una de las articulaciones. El movimiento es vertical dando un giro de

0º a 70º

aproximadamente para alcanzar alcanzar una altura considerable y no tener ningún obstáculo al tiempo del giro.

TERCER MOVIMIENTO En este tercer movimiento se da a través del giro y balance de la garra que tomara las piezas ubicada en la punta del brazo robótico.

4.  JUSTIFICACIÓN En la actualidad los brazos robóticos son muy usados pues pueden realizar diversas aplicaciones desde el manejo de sustancias  peligrosas, manejo de materiales explosivos hasta en líneas de ensamblaje y fines académicos es por eso que optamos por construir un brazo robótico, esto a su vez nos sirve para desarrollar nuestra creatividad y ganar más experiencia en cuanto al desarrollo de habilidades y destrezas

 

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Diseño de Turbina Eólica en Solidworks

 

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Diseño de Brazo Mecánico Industrial en Solidworks

 

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CONCLUSIÓNES 

  La realización de este producto nos ha llevado a integrar varios

conocimientos que hemos adquirido a lo largo de la carrera c arrera de robótica. Al inicio teníamos ciertas dudas sobre lo que queríamos realizar y de cómo lo llevaríamos a cabo, con el tiempo fuimos haciendo investigaciones y recopilando información de todo lo que implicaba diseñar un brazo robótico y una turbina como c omo las piezas que se diseñarían para la estructura, los motores, el material de las  piezas y el micro controlador controlador que utilizaríamos utilizaríamos para programar. Los robots desde su creación han ayudado al hombre a realizar sus tareas diarias en este caso nuestro robot podrá jugar a “el gato”.   La construcción del brazo robótico está dirigida más que todo a la construcción de estas herramientas como para la implementación de distintas tareas, así como también el de tomar modelos posteriores  para mejorarlos. A medida que avanzamos en el proyecto nos enfrentamos a varios  problemas, especialmente especialmente al de la programación del movimiento del  brazo ya que para hacerlo tuvimos tuvimos que utilizar distintas distintas herramientas herramientas como acudir con nuestros demás compañeros o investigar en internet, más a fondo, sobre el lenguaje de programación. Y todo esto nos sirvió para profundizar los temas tratados durante todo el ciclo y aumentar el conocimiento c onocimiento ya obtenido en el curso.

 

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BIBLIOGRAFÍA   FERNANDEZ DIEZ, Pedro. “Energía Eólica”. Departamento

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de Ingeniería eléctrica y energética. Universidad de Cantabria. España   Martín Hernández Ordoñez, Manuel Benjamín Ortiz

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Moctezuma, Carlos Adrián Calles Arriaga, Robótica: Análisis, modelado, control e implementación- 2015   Sergio Gómez González, SolidWorks® Práctico: Pieza,

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Ensamblaje y Dibujo. Volumen I –   –  2012  2012   Villarrubia M.(2012) Ingeniería de la energía eólica.

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