Diseño, fabricación y control del funcionamiento de maquetas de mecanismos diversos como recursos didácticos para las asignaturas Teoría de Máquinas y Mecanismos y Proyecto II

El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo diseñar, fabricar y controlar el funcionamiento de maquetas de mecanismos de cruz de Malta (de tipos externo y esférico) y de un mecanismo diferencial. Dichas maquetas serán utilizadas como recursos didácticos en las asignaturas de Teoría de Máquinas y Mecanismos (TMM) y Proyecto II impartidas en el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales (GITI) en la Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB). Se ha realizado un estudio del estado del arte de los mecanismos cruz de Malta y diferencial, exponiendo las características básicas de dichos mecanismos. Por otro lado, se muestran aquellos que actualmente se utilizan en la asignatura Teoría de Máquinas y Proyecto II, en el departamento de ingeniería mecánica (DEM). También se ha hecho una búsqueda de empresas que comercializan maquetas de los mecanismos aquí estudiados, y se comentan que tipos de mecanismos comercializan y su precio. Para el desarrollo del trabajo se han utilizado varios softwares. Por ejemplo, para el diseño de los sólidos que constituyen los mecanismos, y de sus ensamblajes se ha realizado con el programa SolidWorks, con los complementos Simulation para hacer simulaciones del funcionamiento y Visualizer para lograr renderizados que permiten obtener una alta calidad gráfica de las piezas y conjuntos. Para la esquematización de los mecanismos se utilizaron los programas InkScape y Adobe Illustrator. Los esquemas de conexiones de los componentes eléctricos y electrónicos se han hecho con el programa TinkerCAD y, para la fabricación de los componentes con impresión 3D por fabricación por filamento fundido (FFF), se ha utilizado el programa Ultimaker CURA v.5.2.2. Se utilizado la plataforma de programa Arduino IDE para la generación del código de control del funcionamiento. Las piezas se han impreso de material PLA (ácido poliláctico) con una impresora Ultimaker 2+ disponible en el DEM y, las bancadas se han fabricado por mecanizado convencional de corte y taladrado de madera contrachapada. Vale la pena destacar, que los diseños de las piezas se han realizado basado en el principio de su fabricación, por lo que se han optimizado respecto a la cantidad de material a utilizar, garantizando la geometría para el correcto funcionamiento y así como su robustez. Este trabajo aporta tres maquetas didácticas que corresponden a: dos mecanismos de cruz de Malta uno de tipo interno y el otro esférico, y a un mecanismo diferencial. Todas las maquetas incorporan motores paso a paso de tipo Nema 17 y el control de su funcionamiento se hace con placas Arduino UNO (elementos reutilizados) con tarjetas de control del tipo L298N. Se aporta el código del programa la plataforma de programación Arduino IDE. Para finalizar, se plantea el coste económico global del proyecto que asciende a 8684,99 €, y se complementa con un estudio de impacto ambiental, social y de igualdad de género Aquest treball de fi de grau té com a objectiu dissenyar, fabricar i controlar el funcionament de maquetes de mecanismes de creu de Malta (de tipus extern i esfèric) i un mecanisme diferencial. Aquestes maquetes seran utilitzades com a recursos didàctics a les assignatures de Teoria de Màquines i Mecanismes (TMM) i Projecte II impartides al Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials (GETI) a l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB). S'ha realitzat un estudi de l'estat de l'art dels mecanismes creu de Malta i diferencial, exposant-ne les característiques bàsiques. D'altra banda, es mostren aquells que actualment s'utilitzen a l'assignatura Teoria de Màquines i Projecte II, al departament d'enginyeria mecànica (DEM). També s'ha fet una recerca d'empreses que comercialitzen maquetes dels mecanismes estudiats aquí, i es comenten quins tipus de mecanismes comercialitzen i el preu. Per al desenvolupament del treball s'han utilitzat diversos programaris. Per exemple, per al disseny dels sòlids que constitueixen els mecanismes, i dels seus assemblatges s'han realitzat amb el programa SolidWorks, amb els complements Simulation per fer simulacions del funcionament i Visualizer per aconseguir renderitzats que permeten obtenir una alta qualitat gràfica de les peces i conjunts. Per a l'esquematització dels mecanismes es van fer servir els programes InkScape i Adobe Illustrator. Els esquemes de connexions dels components elèctrics i electrònics s'han fet amb el programa TinkerCAD i, per a la fabricació dels components amb impressió 3D per fabricació per filament fos (FFF), s'ha fet servir el programa Ultimaker CURA v.5.2.2. S'utilitza la plataforma de programa Arduino IDE per a la generació del codi de control del funcionament. Les peces s'han imprès de material PLA (àcid polilàctic) amb una impressora Ultimaker 2+ disponible al DEM i, les bancades s'han fabricat per mecanitzat convencional de tall i foradat de fusta contraxapada. Val la pena destacar, que els dissenys de les peces, s'han realitzat basat en el principi de la seva fabricació, per la qual cosa s'han optimitzat respecte a la quantitat de material a utilitzar, garantint la geometria per al funcionament correcte i així com la seva robustesa . Aquest treball aporta tres maquetes didàctiques que corresponen a: dos mecanismes de Creu de Malta un de tipus intern i l'altre esfèric, i un mecanisme diferencial. Totes les maquetes incorporen motors pas a pas de tipus Nema 17 i el control del seu funcionament es fa mitjançant plaques Arduino UNO (elements reutilitzats) i targetes de control del tipus L298N. El codi del programa aporta la plataforma de programació Arduino IDE. Per finalitzar, es planteja el cost econòmic global del projecte que puja a 8684,99 €, i es complementa amb un estudi d’impacte ambiental, social i d’igualtat de gènere This thesis aims to design, manufacture and control the operation of models of Geneva mechanisms (external and spherical type) and a differential mechanism. These models will be used as teaching resources in the subjects of Theory of Machines and Mechanisms (TMM) and “Proyecto II” taught in the Degree in Technologies in Industrial Engineering (in Spanish “Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales” (GITI)) at the “Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona” (ETSEIB). A study of the state of the art of Geneva and differential mechanisms has been carried out, exposing their basic characteristics. On the other hand, those currently used in the subject Theory of Machines and Mechanisms (TMM) and “Proyecto II”, in the department of mechanical engineering (DEM), are shown. A search has also been made for companies that sell models of the mechanisms studied here, the types of mechanisms they market and the price. Various software has been used for the development of the project. For example, for the design of the solids that make up the mechanisms, and their assemblies have been made with the SolidWorks program, with the Simulation add-ons to make simulations of the operation and Visualizer to obtain renderings that allow obtaining a high graphic quality of the parts and sets. The programs InkScape and Adobe Illustrator were used for the diagramming of the mechanisms. The wiring diagrams of the electrical and electronic components were made with the TinkerCAD program, and for the fabrication of the 3D printed components by fused filament fabrication (FFF), the Ultimaker CURA v.5.2.2. program was used. The Arduino IDE program platform is used for the generation of the operation control code. The parts have been printed from PLA material (polylactic acid) with an Ultimaker 2+ printer available at DEM and the bedplates have been manufactured by conventional machining of plywood cutting and drilling. It is worth mentioning, that the designs of the pieces have been made based on the principle of their manufacture, so they have been optimized with respect to the amount of material to be used, guaranteeing the geometry for the correct operation and as well as its robustness. This work provides three didactic models that correspond to: two Geneva mechanisms, one internal type and the other spherical, and a differential mechanism. All models incorporate stepper motors of the Nema 17 type, and the control of their operation is done by Arduino UNO boards (reused elements) and L298N control cards. The code has been programmed with the Arduino IDE programming platform. Finally, the overall economic cost of the project is estimated at €8,684.99, and is complemented by an environmental, social and gender equality impact study