Manual de Diseño de Levas

8/18/2019 Manual de Diseño de Levas

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DIVISIÓN ACADÉMICA DE MECÁNICA

INDUSTRIAL

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MANUAL DE PRÁCTICAS DEDISEÑO DE LEVAS EN

SOLIDWORKS

Mecánica para la

Automatización

Programa educativo de Ingeniería en Mecatrónica

Elaboró: Dra. Ivett Zavala Guillén Revisó:


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ÍNDICE

1. Objetivo de la asignatura 32. Competencia 33. Horas práctica 3

4. Marco teórico 35. Equipo y material 86. Práctica 1. Diseño de leva de placa 47. Práctica 2. Análisis de desplazamiento, velocidad yaceleración de una leva de placa con seguidor traslacional 17

8. Referencias 37


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Leva de cuña.

Leva cilíndrica o de tambor.

Leva lateral o de cara.

Figura 1. Tipos de levas: (a) de placa, (b) de cuña, (c) de tambor y (d) de cara.

Los sistemas de levas se clasifican también según la forma básica del

seguidor. En la Figura 2 se presentan levas de placa que actúan con cuatro

tipos diferentes de seguidores:


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Seguidor de cuña.

Seguidor de cara plana.

Seguidor de rodillo o carretilla. Seguidor de zapata curva o cara esférica.

Figura 2. Leva de placa con: (a) seguidor de cuña, (b) seguirdor de cara plana, (c) seguidor de rodillo y (d) seguidor de zapata curva.

Normalmente por diseño se prefiere que la cara del seguidor tenga una forma

geométrica simple que le permita seguir fácilmente el contorno de la leva. De esta

forma, el diseño se concentra únicamente en el diseño apropiado de la leva.

Un punto importante que el diseñador debe asegurar en los sistemas de leva-

seguidor es que el seguidor y la leva estén siempre en contacto.

4.3. Diagramas de desplazamientoDurante la rotación de la leva a lo largo de un ciclo del movimiento de entrada, el

seguidor se mueve describiendo una forma determinada tal y como se muestra en

el diagrama de desplazamientos de la Figura 3. En un diagrama de esta índole, la

abscisa representa un ciclo del movimiento de entrada (una revolución completa

de la leva) y la ordenada representa el recorrido y del seguidor. En un diagrama de


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desplazamientos se puede identificar una porción de la gráfica conocida como

subida en donde el movimiento del seguidor es hacia afuera del centro de la leva.

El punto máximo de esta porción se conoce como elevación . Los periodos

durante los cuales el seguidor se encuentra en reposo se conocen como

detenciones y el periodo en el que el movimiento del seguidor es hacia el centro

de la leva se conoce como retorno .

Figura 3. Diagrama de desplazamiento.

Comúnmente, muchas de las características esenciales de un diagrama de

desplazamientos tales como la elevación total o la duración de las detenciones

son dictadas por las necesidades de la aplicación.

4.4. Nomenclatura de las levas Antes de comenzar con el diseño de levas, es necesario observar cierta

nomenclatura. Para tal efecto, considere la Figura 4 donde se presentan los

siguientes términos:

Punto de trazo: es un punto teórico del seguidor que corresponde al punto

de un seguidor de cuña ficticio. Se elige en el centro de un seguidor de

rodillo o en el punto medio de la superficie de un seguidor de cara plana.

Curva de paso: es el lugar geométrico generado por el punto de trazo

conforme el seguidor se mueve en relación a la leva. Para un seguidor de

cuña, la curva de paso y la superficie de la leva son idénticos. En el caso de

un seguidor de rodillo, están separadas por el radio del rodillo.


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Círculo primario: es el círculo más pequeño que se puede trazar con un

centro en el eje de rotación de la leva y tangente a la curva de paso. Elradio de este círculo suele denominarse Ro .

Círculo base: es el círculo más pequeño con centro sobre el eje de

rotación de la leva y tangente a la superficie de esta. En el caso de un

seguidor de rodillo es más pequeño que el círculo primario, siendo la

diferencia el radio del rodillo y, en el caso de un seguidor de cara plana o de

cuña, es idéntico al círculo primario.

Figura 4. Nomenclatura de las levas.


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5. Equipo y materialMaterial Equipo

Software CAD (Solidworks) Pieza base para leva Pieza de seguidor Pieza de vástago de ensamble

Computadora

6. Práctica 1. Diseño de leva de placa Objetivo de la práctica El alumno elaborará un prototipo de leva de placa, para identificar con claridad los

movimientos del diagrama de desplazamiento de la leva. Considerando unseguidor de 0.5plg de diámetro que tiene una subida de 1plg con velocidadconstante hasta su posición más alta durante 120° de desplazamiento de la leva,reposa 60° y regresa con movimiento cicloidal durante 45° hasta su posicióninicial, donde reposa hasta terminar la revolución.

Desarrollo de la prácticaPara el desarrollo de la práctica es necesario seguir la metodología que acontinuación se describe:

1. Abrir el Software CAD (Solidworks), para el desarrollo de esta práctica sedebe activar e iniciar los siguientes complementos: Solidworks Motion,Solidworks Simluation y Solidworks Toolbox; para ello se despliega lapestaña de la parte superior de la página de inicio y se seleccionaComplementos, como se muestra en la Figura 5.

Figura 4. Desplegar menú para editar Complementos.


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Una vez desplegada la ventana de Complementos, se activa la casilla izquierda yderecha de los complementos mencionados para activarlos e iniciarlos,respectivamente (Ver Figura 6). Para completar la acción debe seleccionar Aceptarantes de salir de la ventana.

Figura 5. Ventana para activar e iniciar complementos.

2. Abrir la herramienta de diseño de levas del software Solidworks, como semuestra en la Figura 6. Posteriormente, se desplegará una ventana con trespestañas: Configuración, Movimiento y Creación (Ver Figura 7)

Figura 6. Herramienta de diseño de levas.


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Figura 7. Ventana de la herramienta de diseño de levas.

3. Configurar los parámetros de diseño que se despliegan en la pestaña deConfiguración de la ventana de la herramienta del diseño de levas del software,para ello se seleccionan los parámetros que se muestran en la Figura 8.

Figura 8. Configuración de la herramienta de diseño de levas.

4. Desplegar la pestaña de Movimiento o desplazamientos que realizará la levadurante su rotación, esta pestaña se tiene en la ventana de la herramienta parael diseño de lavas del software; como se muestra a continuación.


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Figura 9. Ventana para agregar o quitar Movimientos.

5. Añadir movimiento con el botón Agregar. Posteriormente, se desplegará unaventana donde se indican para los Detalles de creación del movimiento: Tipo demovimiento, Radio final y Movimiento en grados.

Figura 10. Tipos de movimiento.


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El apartado de Tipo de movimiento tiene las siguientes opciones: Parada, Cicloidal, Armónico, Doble armónico con elevación, Doble armónico con retorno, Senomodificado, Trapezoidal modificado, Aceleración uniforme y Desplazamientouniforme; como se mostró en la Figura 10.

En esta práctica el primer movimiento que se indica es un Desplazamientouniforme, por consiguiente éste es el tipo de movimiento a seleccionar. A partir delos detalles del movimiento deseado, se observa una subida de 1plg; por lo tanto,el Radio final es de 4.5plg. El Movimiento en grados indicado en el objetivo de lapráctica es de 120°. Una vez indicados los detalles del movimiento, para agregaréste se selecciona el botón Aceptar.

En la Figura 11 se observa el primer movimiento agregado.

Figura 11. Movimiento 1 agregado

6. Para agregar el siguiente movimiento se sigue el procedimiento del pasoanterior, en este movimiento se solicita que la leva repose o tenga una paradadurante 60°, por lo tanto, se seleccionará un Tipo de movimiento de Parada yun Movimiento en grados de 60°. Como se observa en la Figura 12.


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Figura 12. Detalles del movimiento 2.

7. Siguiendo los movimientos deseados, descritos en el objetivo de la práctica, esnecesario regresar con un movimiento cicloidal durante 45° hasta su posicióninicial. Es decir, se agrega un Tipo de movimiento Cicloidal, que tiene comoRadio final 3.5plg (que fue el Radio inicial) y un Movimiento en grados de 45°como se observa en la Figura 13.



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8. De acuerdo con los movimientos deseados la leva reposa hasta terminar larevolución, por lo tanto, se seleccionará un Tipo de movimiento de Paradadurante 135° (número de grados para completar la revolución de la leva);como se observa en la Figura 14. La Figura 15 indica el total de movimientosagregados, y en la parte posterior señala que leva tiene un movimiento de 360°y está cerrada.


Figura 15. Movimiento cerrado de la leva.


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9. Para la creación de la leva se despliega la pestaña de Creación en la ventana dediseño de levas, en esta sección se presenta una tabla con Propiedades y

Valores para tales propiedades (Ver Figura 16). En primer lugar, la Descripciónde la leva es dada automáticamente por el software; de igual manera elMétodo de creación es dado automáticamente. El Diámetro externo y espesorde la pieza se refiera a la material primario a partir de la cual se harán loscortes para la creación de la leva; en este caso el radio máximo es de 4.5 plg(3.5plg del radio inicial más la elevación de 1plg), entonces el diámetro mayorde la leva es de 9 plg, y debido a que el diámetro del seguido es de 0.5plg elespesor de la leva debe ser mayor o igual a éste. El Diámetro y longitud delcubo de la leva cercanos y lejanos se refiere a material alrededor del barrenopara hacer más resistente la pieza en la parte central, en este caso se indicaráun diámetro de 2plg y una longitud de 0.5plg para cercanos y lejanos. El radio

de redondeo o chaflán de la pieza dado por el software automáticamente es de0.125plg para el cubo y de 0plg para la leva en general, en caso de no serespecificado en las instrucciones no se modifica. El Diámetro del taladropasante será de 1plg en este caso, debido al diámetro del vástago paraensamble. En el Tipo y profundidad de pista será por todo para perforarcompletamente la pieza.

Figura 16. Propiedades de Creación de la leva.

Para observar las propiedades de la parte inferior de la tabla se desplaza la barrade desplazamiento hacia abajo, como se muestra en la siguiente Figura:


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Figura 17. Propiedades de Creación de la leva.

El tipo de valor y resolución es una ventaja importante de esta herramienta, yaque es posible utilizar incrementos angulares muy pequeños que con otrosmétodos de diseño implica gran cantidad de tiempo y esfuerzo; en este caso seutilizará un incremento angular de 1°. Con una Superficie de pista Interna, comose mostró en la Figura 17. Para completar la creación de la leva es necesario

seleccionar el botón Crear, y Finalizar para cerrar la ventana. El software genera lapieza en el archivo abierto (Ver Figura 18).

Figura 18. Leva creada en archivo nuevo.


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Instrumento de evaluación Archivo electrónico.Reporte electrónico.

7. Práctica 2. Análisis de desplazamiento, velocidad y aceleración deuna leva de placa con seguidor traslacional.

Objetivo de la práctica El alumno ensamblará la leva de placa elaborada en la Práctica 1, paraposteriormente realizar el análisis de velocidad y aceleración de la misma pormedio de una simulación en Solidworks. Para ello se considerará un motor de12rpm.

Desarrollo de la prácticaPara el análisis de velocidad y aceleración de la práctica es necesario ensamblar laleva con otras piezas dadas en este manual, tale piezas son: una base, un vástagoy un seguidor de rodillo. Una vez realizado el ensamble se procederá al análisiscinemático. Por lo antes descrito, a continuación se muestra la metodología paraobtener el análisis de velocidad y aceleración de una leva de placa:

1. Se inserta la componente que será la pieza fija del ensamble, por lo tanto, seinserta la pieza Base (proporcionada como material en esta práctica); de tal

manera que la base de la pieza coincida con el plano de planta del ensamble, yque la cara lateral de la pieza coincida con el plano de Vista lateral como semuestra en la Figura 19.

Figura 19. Vista isométrica de la pieza Base del ensamble.


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2. Se inserta la pieza Vástago y se hace coincidir con el orificio inferior de la piezaBase, como se muestra en la Figura 20 y 21, respectivamente.

Figura 20. Insertar la pieza Vástago.

Figura 21. Ubicación de la Pieza Vástago en el ensamble.

3. Se inserta la pieza de la Leva realizada en la práctica 1 (Ver Figura 22);posteriormente, se coloca de tal manera que la arista del barreno de la levacoincida con la arista de la cara exterior del vástago, como se muestra en laFigura 23.


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Figura 22. Insertar la pieza de Leva.

Figura 23. Ubicación de la Leva en el ensamble.

4. Se inserta la pieza de Seguidor (Ver Figura 24), y se coloca de tal manera quela cara exterior del Seguidor sea concéntrica con el orificio superior de la piezaBase, como se muestra en la Figura 25.


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de Solidworks al construir la leva generó un conjunto de líneas y no unperfil cerrado (Ver Figura 26).

Figura 26. Perfil de Leva compuesto por un conjunto de líneas.

La edición de la pieza de Leva se puede realizar dentro del ensamble, eneste caso se ocultará el resto de las piezas para facilitar tal edición. Acontinuación se enumeran los pasos a seguir para editar la pieza, y generarun perfil de leva cerrado con el cual se pueda relacionar el seguidor:

a) Hacer clic derecho sobre la Leva y seleccionar el ícono de Editar pieza(Ver Figura 27).

Figura 27. Editar piezas.


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b) Crear un croquis en la cara frontal de la Leva, dando clic derecho sobreesa cara y seleccionando el ícono de Croquis que se muestra en laFigura 28.

Figura 28. Crear croquis en la cara frontal de la Leva.

c) Generar un perfil idéntico al perfil de la Leva en el croquis creado, paraello se da clic derecho a la arista de la cara frontal de la leva, como semuestra en la Figura 29, y seleccionar la opción Seleccionar bucle.

Figura 29. Seleccionar bucle.


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En caso de que el bucle seleccionado por el software sea el de la caralateral, dando clic sobre la flecha amarilla que se observa en la Figura30 se invierte el sentido, y toma el bucle deseado (Ver Figura 31).

Figura 30. Bucle de cara lateral de la Leva.

Figura 31. Bucle de cara frontal de la Leva.

d) Una vez seleccionado el bucle, seleccionar la opción Convertir entidadesdel menú Croquis, que se muestra en la Figura 32. Con esta opción seha creado un croquis idéntico al perfil de la Leva.


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Figura 32. Convertir entidades.

e) Posteriormente, se seleccionan todo el perfil generado en el croquis y seobserva que en la ventana izquierda de Propiedades dentro de lasEntidades seleccionadas se tienen solamente dos arcos y las entidadesrestantes son solamente líneas. Dentro de la ventana de Propiedades esimportante activar la casilla Para construcción, que se encuentra en laparte inferior como se muestra en la Figura 33.

Figura 33. Activación de la casilla Para construcción.

Una vez activada la casilla Para construcción se confirma laoperación.


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f) Seleccionar nuevamente las líneas generadas anteriormente en esecroquis, ir al Menú de croquis y seleccionar la opción Ajustar a Splineque es parte de la herramienta para hacer curvas en un croquis. Si laopción Ajustar a Spline no se encuentra activa en la herramienta parahacer curvas en un croquis, dar clic derecho sobre la barra de croquis yactivar la Herramientas de Spline, con ello aparecerá en la parte derechadel software el ícono de Ajustar a Spline como se onserva en la Figura34.

Figura 34. Opción Ajustar a spline.

Con sólo dar clic en el ícono Ajustar a spline, éste generaautomáticamente una Spline a partir del croquis de referencia (VerFigura 35); es decir, ahora se tiene una única línea con intersecciones endonde se encontraban las uniones del conjunto de líneas y curvas que setenían en el croquis.

Figura 35. Spline generada con la opción Ajuste a spline.


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Una vez aceptada la operación, se observa la spline generada en elcroquis como se muestra en la siguiente Figura:

Figura 36. Spline generada.

g) Extruir el croquis con la Spline generada, extruir una profundidad de0.01plg ya que es solamente un perfil fino que servirá de guía pararelacionar el seguidor.

Figura 37. Extrucción de la spline.


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h) Por último, debido a la extracción anterior el barreno de la leva fueobstruido con material; por lo tanto, es necesario hacer un croquis sobrela cara frontal del cubo de la leva (Figura 38) donde se selecciona elarista del barreno para Convertir entidades y generar un croquis idénticoal barreno como se muestra en la Figura 39.

Figura 38. Croquis sobre la cara frontal del cubo de la Leva.

Figura 39. Convertir entidades de la arista del barreno de la Leva.


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Posteriormente, es necesario realizar una extracción de corte con esecroquis, tal extracción debe tener la profundidad necesaria para retirar elmaterial que obstruye el barreno de la leva (Ver Figura 40 y 41).

Figura 40. Extrucción de corte.

Una vez terminado el perfil fino de la leva, salir del editor decomponente.

Figura 41. Pieza final de Leva.


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7. Seleccionar un Nuevo estudio de movimiento en el ícono de la barra deensamblaje, como se muestra en la Figura 44.

Figura 44. Seleccionar un Nuevo estudio de movimiento.

8. Agregar un motor rotatorio, el ícono para esta acción se encuentra en labarra de tiempo en la parte inferior de la pantalla (Ver Figura 45).

Figura 45. Agregar motor rotatorio.

Posteriormente, se desplegará en la parte izquierda una ventana depropiedades del motor. Seleccionar el Tipo de motor rotatorio; en el


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apartado de Componente/ Dirección en la primera ventana para la Ubicacióndel motor seleccionar la Leva, en la siguiente ventana se puede modificar ladirección de giro del motor; y en la tercera ventana se debe seleccionar unacomponente del ensamble que sirve como referencia de giro del motor, eneste caso seleccionar el vástago (Ver Figura 46).

Figura 46. Propiedades de Componente/Dirección del motor.

9. Dentro de la ventana de Propiedades del motor, también se tiene el

apartador para la propiedad del Movimiento, en este caso seleccionar unavelocidad constante e introducir una velocidad de 12 RPM, como se muestraen la Figura 47.

Figura 47. Propiedades de Movimiento del motor.


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10. Seleccionar la opción de Análisis de movimiento disponible en la barra detiempo, como se observa en la Figura 48.

Figura 48. Seleccionar Análisis de movimiento.

11. Seleccionar la opción Resultados y trazados disponible en la barra detiempo, como se observa en la Figura 49.

Figura 49. Seleccionar Resultados y trazados.

12. Se desplegará una ventana en la parte izquierda para configurar lasPropiedades de esta opción. En primer lugar seleccionar la categoría delResultados que en este caso es Desplazamiento/ Velocidad/ Aceleración;


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después selecciona una subcategoría que es Desplazamiento lineal, debido aque primero observaremos el desplazamiento lineal del seguidor ya que estaes la pieza que genera el movimiento de salida del mecanismo;posteriormente, se selecciona la dirección en la cual se realiza eldesplazamiento en este caso el seguidor se desplaza a lo largo del eje Y,por lo tanto seleccione eje Y; en el siguiente apartado seleccionar la carasuperior del vástago ya que es la cara donde se necesita medir eldesplazamiento (Ver Figura 50).

Figura 50. Propiedades de Resultados para Desplazamiento lineal.

13. En el apartado de Resultados de trazado, activar la casilla de crear unonuevo y seleccionar Resultado frente a: Tiempo (Ver Figura 51).

Figura 51. Propiedades de Resultados de trazado.


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14. Aceptar las propiedades seleccionadas y seleccionar el ícono Calcular de labarra de tiempo, como se muestra en la Figura 52.

Figura 52. Seleccionar Calcular.

Una vez calculado el resultado solicitado, el software genera la gráfica deuna revolución de la leva, como se muestra en la Figura 53 el tiempograficado es de 5seg debido a las RPM del motor.

Figura 53. Gráfico de desplazamiento lineal del seguidor.


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Este gráfico puede ser copiado a un documento de Office con tal solo hacerclic derecho dentro de la ventana de éste y seleccionar la opción de Copiaral portapapeles.

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00Tiempo (sec)

356

362

368

375

381

D e s p

l a z a m

i e n

t o l i n e a

l 4 ( m m

)

Figura 54. Desplazamiento lineal del seguidor.

15. Para generar el gráfico de velocidad del seguidor, es una metodologíasimilar a la seguida para desplazamiento; seleccionar nuevamente el íconode Resultados y trazados disponible en la barra de tiempo (Ver Figura 49).

16. Se desplegará nuevamente la ventana configurar las Propiedades de estaopción. En primer lugar seleccionar la categoría del Resultados que en estecaso es Desplazamiento/ Velocidad/ Aceleración; después selecciona unasubcategoría que es Velocidad lineal; posteriormente, se selecciona ladirección en la cual se realiza el desplazamiento en este caso el seguidor sedesplaza a lo largo del eje Y, por lo tanto seleccione eje Y; en el siguienteapartado seleccionar la cara superior del vástago ya que es la cara donde senecesita medir el desplazamiento (Ver Figura 55).

Figura 55. Propiedades de Resultados para Velocidad lineal.


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17. En el apartado de Resultados de trazado, activar la casilla de crear unonuevo y seleccionar Resultado frente a: Tiempo (Ver Figura 51).

18. Aceptar las propiedades seleccionadas y seleccionar el ícono Calcular de labarra de tiempo (Ver Figura 52). Automáticamente el software genera elgráfico, como se muestra en la siguiente Figura.

Figura 56. Gráfico de velocidad lineal del seguidor.

19. Para generar el gráfico de aceleración lineal del seguidor basta repetir los

pasos 15-18; donde la subcategoría es Aceleración lineal. Y el gráficogenerado se muestra en la Figura 57.

Figura 57. Gráfico de aceleración lineal del seguidor.


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20. Una vez generado el Análisis de movimiento del seguidor, es posibleobservar a detalle el desplazamiento, velocidad y aceleración lineal quetendrá el movimiento de salida del mecanismo leva-seguidor creado.

Instrumento de evaluación Archivo electrónico.Reporte electrónico.

8. Referencias

Gómez González S. Solidworks Simulation. Ra-ma Editorial. España. 2010.

Gómez González S. Solidworks practico 1. Pieza, ensamblaje y dibujo. Editorial ALFAOMEGA. México. 2014

Lombard M. Solidworks 2013 Bible. John Wiley & Sons. EUA. 2013.

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