Ingeniero Civil Mecánico / El mantenimiento predictivo es una herramienta muy poderosa a la hora de analizar equipos, ya que no es necesario detenerlos para efectuar el análisis. En el parque de diversiones Fantasilandia es necesario conocer la condición de los equipos con tal de disminuir la probabilidad de falla de algún equipo, para evitar poner en riesgo a los usuarios. Bajo este contexto, se busca definir modelos que representen el comportamiento de un reductor de velocidad planetario, para obtener el caso base de vibraciones (reductor sano) y entender la interacción del sistema con el lubricante. Se definen tres modelos teóricos de reductores: Un modelo dinámico, un modelo fenomenológico y un modelo torsional, cada uno con sus suposiciones. En cada modelo es posible añadir fallas y observar la respuesta, por esto se definen las fallas de fisura, pittiing y scuffing, con el fin de poder comprender los fenómenos y cómo afectan al sistema. Para el amortiguamiento se exponen las bases para comprender esta característica desde el lubricante, definiendo el modelo tribo-dinámico y elementos de la teoría de contacto de Hertz. Para resolver los modelos se utiliza el método de integración de Hilber Hughes Taylor y de Newmark. Los resultados para el modelo dinámico se dividen en tres: uno sin amortiguar, otro con amortiguamiento medio y el último con amortiguamiento normal. Para cada caso se obtiene la respuesta vibratoria sobre el Carrier y su respectivo espectro. Para los otros dos modelos solo se analiza un caso general, para comprobar su funcionamiento y verificar que describen el fenómeno correctamente. Finalmente, se agrega una falla por pitting desarrollado y fisura al modelo dinámico, con tal de obtener su respuesta vibratoria y su espectro. Los resultados obtenidos para los tres modelos muestran comportamientos esperados según la literatura. Además, es posible modelar exitosamente fallas, tales como pitting desarrollado y fisura, y obtener la respuesta vibratoria. Se relaciona la perdida de rigidez con fallas en el lubricante, debido al cambio de régimen y de área de contacto. Además, se concluye una relación entre las características del lubricante, tales como espesor de película y viscosidad, y el amortiguamiento. Como trabajo a futuro se propone ampliar las fallas impuestas, mejorar los modelos y realizar pruebas de laboratorio para validar las conclusiones sobre lubricación. Finalmente se obtienen las respuestas vibratorias teóricas de un reductor planetario de tres planetas y una etapa, las cuales pueden ser usadas como caso base para compararlas con mediciones experimentales.

Los convertidores conmutados dc-dc son circuitos electrónicos de potencia que transforman un nivel de tensión de corriente continua en otro nivel distinto mediante acciones de conmutación. En esta tesis se estudia un convertidor del tipo reductor-elevador pensado para aplicaciones donde varía la tensión de entrada, de la manera que ocurre normalmente en una batería. La topología deriva de la versión sincrónica del BuckBoost no inversor. Dicho circuito admite el manejo independiente de sus dos pares de transistores. Gracias a esta flexibilidad, es posible plantear distintos modos de operación para mejorar la eficiencia del sistema. La forma de trabajo del así llamado Buck-Boost de cuatro llaves se elige de acuerdo a la relación que existe entre el nivel de entrada y de salida. Se definen tres modos clásicos basados en los convertidores Buck (o reductor), Buck-Boost no inversor (o reductorelevador no inversor) y Boost (o elevador). Para suavizar los transitorios durante los cambios de modo, se introducen dos modos adicionales que combinan períodos de conmutación operando como Buck con períodos operando como Boost. El desempeño de estas combinaciones depende fuertemente de cómo se defina la secuencia en que alternan estos períodos y de cómo se asignen los ciclos de trabajo de las llaves. Aún así, parecen ser más eficientes que la operación tradicional como Buck-Boost no inversor. Por ello, se plantea eliminar dicho modo de operación. El control del convertidor se realiza en forma digital. Por ello, el comportamiento dinámico en los modos de operación clásicos es modelado mediante la técnica de variables de estado en tiempo discreto. A partir de estos modelos se desarrolla un procedimiento para determinar la secuencia adecuada a implementar en los modos combinados. El mismo se basa en la minimización del error medio cuadrático de la tensión de salida con respecto al valor medio deseado. Los ciclos de trabajo se asignan de tres formas distintas y se evalúa el efecto de las mismas. Mediante la linealización de los modelos en tiempo discreto, se diseña además un controlador capaz de regular la tensión de salida en todos los modos de operación. Un prototipo de laboratorio diseñado y construido durante la tesis es utilizado para ensayar y verificar el comportamiento del convertidor en todos sus modos de funcionamiento. Para ello, se realizan distintas pruebas ante variaciones en la tensión entrada y perturbaciones en la carga. Los resultados de eficiencia obtenidos corroboran que la eliminación del modo Buck-Boost no inversor permite mejorar el desempeño del circuito conmutado y con ello, lograr un mejor aprovechamiento de la energía entregada al mismo / Dc-dc switching converters are power electronic circuits that transform a level of direct current voltage into another one by means of switching actions. A dc-dc up-down converter designed for applications where the input voltage varies as normally occurs in a batery is estudied in this thesis. Its topology derives from the synchronous version of the noninverter Buck-Boost converter. This configuration permits the independent operation of the two pairs of transistors. Thanks to this flexibility, it is possible to propose different modes of operation to improve the efficiency of the system. The form of operation of the so-called four switch Buck-Boost converter is chosen according to the relationship between the input and output levels. Three classic modes based on the well-known Buck, non-inverting Buck-Boost and Boost converters are defined. To improve transients during mode changes, two additional modes are introduced that combine switching periods operating as a Buck with periods operating as a Boost. The performance of these combinations strongly depends on how the sequence of alternations is delineated and on how the duty cycles of the switches are assigned. Even so, they seem to be more efficient than the traditional operation as a non-inverting buck-boost converter. Thus, the elimination of this mode of operation is proposed. The converter is controlled in a digital form. So, the dynamic behavior in the classical modes is modeled by using the discrete-time state-space technique. Based on the obtained models, a procedure to determine which is the proper sequence to be applied in the combined modes is developed. It is based on the minimization of the square error of the output voltage with respect to the desired mean value. The duty cycles are assigned in three different ways and the effect of each of them is evaluated. Through the linearization of the discrete-time models, a controller capable of regulating the output voltage in all modes of operation is also implemented. A laboratory prototype designed and built during the Thesis is used to test and verify the behavior of the converter in all its modes of operation. For this, different tests were performed in response to variations in input voltage and load disturbances. Efficiency results corroborate that the elimination of the non-inverting buck-boost mode allows to improve the performance of the switched circuit and thus, to achieve a better management of the energy delivered to it.

No description available.

Els robots caminadors presenten alguns avantatges respecte als tradicionals robots mòbils amb rodes, que es resumeixen en major mobilitat i capacitat de superació d'obstacles. Un dels principals problemes actuals en el desenvolupament de robots caminadors és l'elevat consum energètic i la poca autonomia, com a conseqüència de l'elevada massa dels accionaments i del seu rendiment limitat.Un primer objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar i caracteritzar energèticament un accionament rotatiu per a les articulacions de la pota d'un robot caminador. Un cop desenvolupat aquest accionament s'analitza el comportament energètic global de la pota.La pota dissenyada és de tipus insecte i l'aplicació considerada és un robot hexàpode. L'accionament rotatiu consta de tres elements: un motor de corrent continu, una transmissió per corretja dentada i un reductor Harmonic Drive. El conjunt d'aquest reductor s'ha dissenyat específicament per a aquesta aplicació, i materialitza també l'enllaç de cada articulació de la pota.Per tal de determinar els requeriments mecànics a les articulacions, s'ha portat a terme una simulació dinàmica del moviment de la pota. Aquesta simulació s'ha realitzat considerant que les articulacions del mecanisme són ideals. Les resistències passives d'aquestes es tracten posteriorment al analitzar el comportament del reductor. Els resultats obtinguts són els parells requerits a les diferents articulacions al llarg d'un cicle.Amb l'objectiu de determinar el comportament real dels components de l'accionament, per a diferents condicions de funcionament, s'han plantejat i realitzat diverses sèries d'experiments. Per portar a terme els experiments ha estat necessària la construcció d'un prototipus de l'accionament. A partir de les dades experimentals s'han definit uns models matemàtics que representen les resistències passives a cada component de l'accionament per a diferents condicions de funcionament. S'ha realitzat un ajust per mínims quadràtics per tal determinar els paràmetres dels models que millor ajusten els resultats a les dades experimentals.Com que cada motor treballa com tal o com fre, segons la fase del moviment, s'ha analitzat en detall el funcionament d'una màquina elèctrica de corrent continu d'imants permanents, des del punt de vista de la conversió de potència elèctrica en mecànica i viceversa, en els 4 quadrants i tenint en compte els diferents modes de funcionament: com a motor, com a fre-generador i com a fre.Posteriorment s'han definit uns models globals del comportament mecànic dels elements de transmissió de l'accionament: la corretja dentada i el reductor HD, que integren la modelització de les resistències passives i també inclouen la inèrcia de les parts mòbils de cada element.Finalment s'ha realitzat la simulació dels tres accionaments d'una pota al llarg d'un cicle de l'anadura del robot, a partir dels requeriments de parell i velocitat angular a cada articulació i utilitzant els models dels elements definits anteriorment. L'objectiu és estimar l'energia intercanviada a cada element de l'accionament, avaluant per separat l'energia transmesa en sentit directe, des de l'alimentació del motor a la sortida del reductor, i en sentit invers. El resultat més important és l'estimació de l'energia elèctrica que cal subministrar a cada motor per cada cicle de moviment de la pota.Dels diversos casos analitzats se'n treu la conclusió que l'energia elèctrica que cal subministrar als motors és sempre molt superior, de l'ordre de 30 vegades, a l'energia mecànica que l'accionament transmet a l'articulació. La despesa energètica dels motors depèn poc de les condicions de càrrega a les que està sotmesa la pota, en canvi el moviment que descriuen les articulacions al llarg del cicle hi té una influència important. Reduint el recorregut angular del moviment de les articulacions s'aconsegueix un considerable estalvi energètic, doncs disminueix l'energia dissipada per les resistències passives. / Walking robots have some advantages respect to the traditional mobile wheeled robots. These can be summarised in superior mobility and the capacity to overcome obstacles. One of the main problems in the development of walking robots is the high energy consumption and the low autonomy of operation, due to the high mass of the actuators and their limited efficiency.A first objective of this thesis is to develop a rotary actuator, for the leg pin joints of a walking robot, and to characterize it energetically. Once the actuator is developed, leg global energetic performance is analysed.The leg design is according to an insect type leg and the considered application is a hexapod robot. The rotary actuator consists of three elements: a DC electric motor, a synchronous belt transmission and a Harmonic Drive gear reducer. Gear assembly has been particularly designed for this application, and integrates pin joint implementation.In order to determine the mechanical specifications at the joints, a dynamic simulation of the leg movement has been carried out. For this simulation pin joints in the mechanism have been considered as ideal joints. Resistance to motion at the joints are taken into account later, when gear operation is analysed. Results from the simulation are the required torques at the different joints along a walking cycle.Several series of experiments have been planned and carried out in order to work out the real behaviour of the actuator components under different working conditions. The construction of an actuator prototype has been necessary for the experimentation.Then derived from the experimental data, mathematical models that estimate resistance to motion at every actuator component as a function of the working conditions, have been defined. Parameters in the models to best fit the experimental data have been identified by least square approximations.Every DC motor works as a motor or as a brake depending on the movement stage. Therefore the operation of a permanent magnet DC electric machine has been analysed, from the point of view of the conversion of electrical power into mechanical and vice versa. This was performed taking into account the different operation modes: as a motor, as a brake-generator and as a brake.Global models that represent the mechanical behaviour of the transmission components in the actuator have been defined: the synchronous belt and the HD gear. These models integrate resistance to motion estimation and also the inertia of the mobile parts of every element. Finally, starting from the torque and angular velocity requirements at every joint and using the models of the elements described above, the simulation of the three actuators of a leg along a gait cycle of the robot has been carried out. The objective was to estimate the exchanged energy at every element of the actuator, separately calculating the transmitted energy in both directions: from the motor power supply to the output of the gear reducer and in reverse. The main result was the estimation of the electrical energy that must be supplied to every motor per leg movement cycle. From the several cases that have been analysed, it can be concluded that the electrical energy that has to be supplied to the motors is always much higher, around 30 times higher, than the mechanical energy that the actuator transmits to the joint. Motor energetic consumption has low dependence on leg load condition, but pin joint movement along a cycle has a great influence on it. Reducing the angular run of pin joint movements is a way to obtain substantial energy savings, since it decreases the resistance to motion energy dissipation.