Aplicación de modelos híbridos en la síntesis óptima de mecanismos de cuatro barras

Abstract

Resumen: El diseño de máquinas es un proceso creativo, en el cual, el diseñador debe integrar una serie de mecanismos como levas, engranajes, poleas, mecanismos de cuatro barras, etc. tal que permitan solucionar una necesidad concreta, adicionalmente debe realizar procesos de síntesis para encontrar las dimensiones que permitan el adecuado funcionamiento del mecanismo. En el caso del mecanismo de cuatro barras, el proceso de síntesis ha presentado como problema principal la no linealidad de las ecuaciones que describen el mecanismo y el aumento de la complejidad con el incremento del número de puntos de precisión. Para dar solución a este problema se ha encontrado en la bibliografía revisada que se han planteado tres métodos, el primero es el método gráfico que tiene como ventaja la rapidez y como desventajas la imprecisión y la incapacidad de encontrar soluciones con más de cinco puntos de precisión. El segundo método es el método analítico que tiene como características su rapidez y precisión pero no permite usar más de cinco puntos de precisión, y por último están los métodos de optimización en particular el uso de algoritmos genéticos los cuales permiten usar cualquier número de puntos de precisión pero que entregan mecanismos que satisfacen en forma aproximada las condiciones de diseño. Es bien conocido que los métodos analíticos y de optimización pueden generar mecanismos imposibles de usar debido a que presentan defectos como los de circuito, de rama y de orden. Para el diseñador de máquinas es importante conocer que las dimensiones del mecanismo sintetizado cumple con los puntos de precisión especificados y que no posee defectos de circuito, de rama y de orden, pero que además el mecanismo cumple con criterios de calidad como el ángulo de transmisión y la ventaja mecánica. Se ha encontrado que en ninguna de las referencias hace un análisis del mecanismo sintetizado y tampoco hacen un análisis de los posibles defectos que se puedan presentar, solo se limitan a entregar un resultado numérico, es decir no hacen una evaluación de calidad del mecanismo sintetizado. También se ha encontrado que no han sido usadas las estrategias evolutivas y otras técnicas como método de optimización, las cuales han demostrado ser mas eficientes que los algoritmos genéticos. El objetivo de este trabajo es el de desarrollar una solución analítica soportada en herramientas informáticas que permita obtener la síntesis de mecanismos de cuatro barras independientemente del número de condiciones de diseño y con evaluación de la calidad del mecanismo sintetizado. En el trabajo se desarrolló un programa computacional basado en sistemas híbridos, para la obtención de la síntesis óptima dimensional de mecanismos de cuatro barras. El sistema híbrido esta compuesto por varios sistemas de optimización como algoritmos genéticos, estrategias de evolución y búsqueda tabú, los cuales se encargan de generar un conjunto de posibles soluciones óptimas, definido previamente un espacio de búsqueda. A este sistema de optimización se integró un sistema experto con el cual el diseñador recibe información cuantitativa y cualitativa adicional del mecanismo sintetizado, facilitándole la toma de decisión del mecanismo que elegirá entre el conjunto de mecanismos generados. El programa desarrollado es una herramienta para estudiantes, docentes y diseñadores mecánicos que facilita el diseño y solución de problemas relacionados con los mecanismos de cuatro barras. Como resultado de la comparación de los diferentes métodos de optimización se llegó a la conclusión que las estrategias evolutivas son mas eficientes que los otros métodos de optimización usados.

Summary: The design of machines is a creative process, in which, the designer must integrate something mechanisms as weigh, engagements, pulleys, mechanisms of four bars, etc. someone that it permit solve a concrete necessity, additional must carry out processes of synthesis to find the dimensions that permit the appropriate functioning of the mechanism. In the case of the mechanism of four bars, the process of synthesis has presented as main problem the not linear equations that describe the mechanism and the increase of the complexity with the increment of the number the points of precision. To give solution to this problem it has found in the revision bibliography that has outlined three methods, the first is the graphic method that has as advantage the rapidity and like disadvantages the lack of precision and the incapacity of finding solutions with more than five points of precision. The second method is the analytic method that it has as characteristic their rapidity and precision but permit be accustomed more than five points of precision, and finally it is the optimization methods specially the use of genetic algorithms those which permit use any number of conditions but that it surrender mechanisms that it satisfy in form approximate the conditions of design. It is well known that the analytic methods and optimization can generate impossible mechanisms of being accustomed due to that it present defects as those of circuit, of chase and of order. For the designer of machines it is important to know that the dimensions of the synthesized mechanism fulfilled one's obligations to the points of precision specified and that possess defects of circuit, of chase and of order, but that moreover the mechanism fulfils one's obligations to criterions of quality like the angle of transmission and the mechanical advantage. It found that in any of the references make an analysis of the mechanism synthesized and neither it make an analysis of the possible defects that it can be present, single limit to him to surrender a numeric result that is to say it doesn't make an evaluation of quality of the synthesized mechanism. Also it found that have been used the evolutionary strategy and other techniques as optimization method, those which has demonstrated be but efficient that the genetic algorithms. The objective of this work is those of developing an analytic solution supported in computer science tools that permit obtain the synthesis of mechanisms of four bars independently of the number of conditions of design and with evaluation of the quality of the synthesized mechanism. In the work it develops a program based on hybrid systems, for the obtaining of the best dimensional synthesis of mechanisms of four bars. The hybrid system this composed for several systems of optimization as genetic algorithms, evolution strategies, taboo search and genetic algorithms, those which take charge of generate a whole of possible best solutions, definition previously a space of search, to this system of optimization an expert system is integrated with which the designer receives information quantitative and qualitative additional of the synthesized mechanism, facilitating you takes him of decision of the mechanism that will select between the whole of mechanisms generated. The developed program is a tool for students, educational and mechanical designers that facilitate the design and solution of problems related with the mechanisms of four bars. As consequence of the comparison of the different methods of optimization the conclusion is that the evolutionary strategies are more efficient than the other methods used.