Ingeniería y Universidad

Cellular Manufacturing System Selection with Multi-lean Criteria, Optimization and Simulation

Abstract Introduction: This study proposes a method to design and balance a cellular manufacturing system of a typical industrial company to obtain an optimal configuration in terms of the process, total cost, idle time and reliability criteria. Methods: The developed method has three phases. The first phase obtains candidate solutions using optimization models to minimize the cycle time and total cost. In the second phase, the performance measures for the remaining criteria of each candidate solution are found using discrete-event simulation. In the last phase, the optimal configuration is selected using the analytic network process (ANP). Results: The proposed method was validated with a practical case, where the optimal configuration had the best reliability with a zero-smoothness index, which minimized the wasted time and excess inventory. However, it was not the configuration with the lowest cost. Conclusions: This method has two contributing elements: multiple lean criteria and the approach, which combines different solution strategies to select the best configuration in an integral manner.

Resumen Introducción: Esta investigación propone una metodología para diseñar y balancear un sistema de manufactura celular de una empresa industrial típica con el propósito de obtener una configuración óptima bajo los criterios de, proceso, costo total, tiempo ocioso y confiabilidad. Métodos: La metodología desarrollada tiene tres fases. La primera fase consiste en obtener soluciones candidatas usando modelos de optimización para minimizar tiempo de ciclo y costo total. En la segunda fase se encuentran las medidas de desempeño de los demás criterios para cada solución candidata utilizando simulación de eventos discretos. En la última fase se escoge la configuración óptima utilizando el análisis de decisión multicriterio. Resultados: La metodología propuesta fue validada en un caso práctico donde la mejor configuración encontrada tiene la mayor confiabilidad, un índice de suavidad de cero que minimiza el desperdicio de tiempo y el exceso de inventario, aunque no fue la configuración con menor costo. Conclusiones: Esta metodología tiene dos elementos de contribución: el primero, que involucra múltiples criterios lean, y el segundo, el enfoque que combina diferentes estrategias de solución para la selección de la mejor configuración de una manera integral.

Kinematic Analysis of an Electric StairClimbing Wheelchair

Abstract Introduction: This paper presents the functional design and kinematic synthesis of a recent version of an electric stair-climbing wheelchair. Wheelchair.q: The proposed device represents the latest evolution of the ‘Wheelchair.q’ project and introduces several improvements over previous designs. This updated solution has greater stability during stair-climbing operation, and it satisfies the safety requirements introduced by ISO 7176-28:2012, “Requirements and test methods for stair-climbing devices”. The main improvement presented concerns the regularity of the user trajectory during stair-climbing, which ensures a more comfortable perception. This result has been achieved by introducing a cam mechanism between the frame connected to the locomotion unit and the seat frame, which properly manages the seat orientation. With an appropriate cam profile, it is possible to compensate for the oscillations that are introduced on the wheelchair during the climbing sequence and allow the user to obtain a translational trajectory. Results: The proposed design and its working principle are first described and illustrated through schematic and graphic representations. A brief explanation of the procedure for obtaining the cam profile is also given. Two different architectures for the cam mechanism are then compared, and the advantages and disadvantages for each solution are identified. Finally, the kinematic wheelchair performances are tested through a simulation conducted in the MSC-ADAMS multibody environment. Conclusions: The results obtained with the simulation show the effectiveness of the proposed solution. The wheelchair is able to climb a staircase in a safe and regular way. Following studies will complete the design of the wheelchair with the aim to build a prototype for demonstrating the proposed working principle.

Resumen Introducción: En este trabajo se analiza el comportamiento de una silla de ruedas eléctrica para subir escaleras desde un punto de vista cinemático. Wheelchair.q: El dispositivo propuesto representa la última evolución del proyecto ‘Wheelchair.q’ e introduce varias mejoras con respecto a los diseños anteriores. Esta solución actualizada cuenta con una mayor estabilidad durante la subida de las escaleras, permitiendo llevar a cabo la tarea de una manera segura, cumpliendo la norma ISO 7176-28:2012. Sin embargo, las principales mejoras atañen a la regularidad de la trayectoria del usuario durante la subida de escaleras, lo cual permite obtener una percepción de comodidad mayor. Este resultado se ha logrado mediante la introducción de un mecanismo de leva que gestiona adecuadamente la orientación del asiento en lo que se refiere al bastidor de la silla de ruedas. Con un perfil de leva apropiado, es posible compensar la oscilación introducida en la silla de ruedas durante la secuencia de escalada, para que el usuario pueda obtener una trayectoria de traslación. Resultados: El diseño propuesto y su principio de funcionamiento se describen e ilustran en primer lugar a través de representaciones esquemáticas y gráficas, con una breve explicación sobre los procedimientos para obtener el perfil de leva. A continuación, se comparan las dos diferentes arquitecturas del mecanismo de leva y se identifican las ventajas y desventajas de cada solución. Por último, se prueban las prestaciones de la silla de ruedas cinemática a través de un simulacro en el ambiente de simulación MSC-ADAMS. Conclusiones: Los resultados obtenidos con la simulación muestran la efectividad de la solución propuesta. La silla de ruedas es capaz de subir una escalera de forma segura y regular. Los siguientes estudios completarán el diseño de la silla de ruedas con el objetivo de construir un prototipo para demostrar el principio de trabajo propuesto.

Estimation of a Growth Factor to Achieve Scalable ad hoc Networks

Abstract Introduction: this study focuses on determining the conditions that guarantee scalability in a hierarchical architecture based on the resources available in the different layers of the network. Methods: a model based on the truncated geometric distribution that allows the characterization of the available resources in an ad hoc network was proposed. From this characterization, the concept of growth factor φ was introduced as a constant value that represents the appropriate relationship from among the available resources in two successive layers of the network to ensure scalability. The ns-3 software was used to develop simulation scenarios that were explored to develop the estimation process of the growth factor φ in the ad hoc networks of two- and three-layer hierarchical architectures. Results: The results showed that the growth of resources among the layers in an ad hoc network can be expressed in a linear model. Moreover, a relation was found between the estimated value of j and the golden ratio as a way to inspire the design of artificial systems based on attributes that can be found in nature.

Resumen Introducción: este estudio se centra en determinar las condiciones necesarias para garantizar escalabilidad en arquitecturas jerárquicas a partir de la disponibilidad de recursos en la red. Método: Se propuso un modelo basado en la distribución geométrica truncada con el fin de caracterizar los recursos disponibles y se introdujo el concepto de factor de crecimiento φ, como una forma de representar una relación adecuada entre la cantidad de recursos disponibles en dos capas sucesivas de la red para garantizar escalabilidad. Se diseñaron escenarios de simulación en el software ns-3 para estimar el valor de φ en arquitecturas jerárquicas de dos y tres niveles. Resultados: los resultados evidencian que la relación entre los recursos de dos capas sucesivas en una red ad hoc puede ser expresada a través de un modelo lineal. Finalmente, se encontró un relación entre el valor estimado del factor de crecimiento y la Razón Dorada, siendo esta una forma de inspirar el diseño de sistemas artificiales a partir de atributos presentes en la naturaleza.

Analysis of the Amount of Heat Flow Between Cooling Channels in Three Vented Brake Discs

Abstract Introduction: The objective of this study was to analyze the behavior of the temperature, velocity and heat flow in the ventilation duct of three brake disc designs using computational fluid dynamics (CFD). Methods: The design software SolidWorks was used for the analysis. The three disc designs differed in geometry and application. The numerical results for the flow of heat through the ventilation channels were compared with mathematically obtained results. Results: The numerical results showed that the discs performed well under severe operating conditions (80 Km/h and an ambient temperature of 22°C). It is very important in brake disc design to select the appropriate geometry, particularly the number and the cross section of the ducts, and the type of material. Conclusions: Numerical methods offer advantages for selecting the geometry and the material and for modeling the fluid flow to optimize the heat dissipation to provide the maximum performance for properly maintained components.

Resumen Introducción: El objetivo de este estudio fue analizar el comportamiento de la temperatura, velocidad y flujo de calor en el conducto de ventilación de tres diseños de discos de freno utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD). Métodos: Se utilizó el software de diseño SolidWorks para el análisis. Los tres diseños de disco diferían en geometría y aplicación. Resultados: Los resultados numéricos para el flujo de calor a través de los canales de ventilación se compararon con los resultados obtenidos matemáticamente. Los resultados numéricos mostraron que los discos se desempeñaron bien bajo condiciones de operación severas (80 Km/h y una temperatura ambiente de 22°C). Es muy importante en el diseño del disco de freno seleccionar la geometría apropiada, particularmente el número y la sección transversal de los conductos, y el tipo de material. Conclusiones: Los métodos numéricos ofrecen ventajas para seleccionar la geometría y el material y para modelar el flujo de fluido para optimizar la disipación de calor para proporcionar el máximo rendimiento para componentes adecuadamente mantenidos.

IP Remote Control System for a Lighting Layout

Abstract Introduction: This paper presents a monitoring and control system prototype using the internet protocol (IP) for a residential lighting layout. The prototype aims to develop energy efficiency processes by reducing electric energy consumption without decreasing user comfort and quality of life. Methods: The system is based on a web application to remotely turn the power on and off, which enables the monitoring of its consumption while being grounded in a prospective analysis. The prototype has hardware and software components. Results: The prototype has hardware is implemented with the Arduino® platform, which enables the assignment of an IP address using an Ethernet Shield card. This address provides bidirectional communication possibilities. The device is connected by a data acquisition system, which is designed and constructed to measure energy consumption from voltage and current measurements using an ADE7763® integrated circuit and an ACS714® current sensor. In this physical structure, a web application has been developed to monitor consumption and develop a control process with communication protocols through power line communication (PLC). Conclusions: The main contributions of this investigation are grounded in the use of economics and small devices that will enable low-cost energy-efficient project development in both domestic and industrial electric installations.

Resumen Introducción: Este artículo presenta un prototipo de sistema, monitoreo y control mediante protocolo de Internet (IP), para una salida de iluminación residencial con el objetivo de desarrollar procesos de eficiencia energética que reduzcan el consumo de energía eléctrica sin disminuir el confort y la calidad de vida de los usuarios; Método: Se basa en una aplicación web para controlar el encendido y apagado remotamente, permitiendo el seguimiento de su consumo y fundamentado en un análisis prospectivo. Resultados: El prototipo tiene componentes de hardware y software, el primero implementado con la plataforma Arduino®, que permite asignar una dirección IP con ayuda de la tarjeta Ethernet Shield, esta dirección ofrece posibilidades de comunicación bidireccional, estos dispositivos están conectados mediante un sistema de adquisición de datos diseñado y construido para medir el consumo de energía a partir de medidas de tensión y corriente eléctrica utilizando el circuito integrado ADE 7763® y el sensor de corriente ACS714®. En esa estructura física se ha desarrollado una aplicación web, con el fin de monitorizar las medidas de consumo y desarrollar el proceso de control, todos los protocolos de comunicación previa a través de la línea de alimentación PLC (Power Line Communication). Conclusiones: Las principales contribuciones de esta investigación se basan en el uso de la economía y pequeños dispositivos que permitirán el desarrollo de proyectos de energía de bajo costo y eficiencia en instalaciones eléctricas nacionales e industriales.

Thermal and Permeability Properties of Metal Aluminum Foams for Functional Applications

Abstract Objective: To determine the coefficients of permeability and thermal conductivity of aluminum metal foams, thermal transference and pressure drop tests were carried out. Methods: Metal foam samples measuring 50 mm in diameter and 20 mm in thickness with pore sizes ranging between 0.5 and 2.0 mm were used for both tests. An adaptation in a fluid flow system was made to perform the pressure drop tests, and Darcy’s law was used to calculate the permeability values. A thermal box test and Fourier’s law were used to obtain the conductivity coefficients. Results: The results showed that the pore size has an important influence on the values of permeability and thermal conductivity. Finally, the results were compared with those reported by other researchers and were found to be consistent with those found in previous work. Conclusions: Our interest is to enhance knowledge regarding aluminum metal foams and show their potential use in applications that involve fluid flow and heat transfer.

Resumen Objetivo: Se hicieron pruebas de transferencia térmica y de caída de presión para determinar los coeficientes de permeabilidad y de conductividad térmica de espumas metálicas de aluminio fabricadas mediante el proceso IPS (Infiltración de Preformas Solubles). Método: Para ambas pruebas, se utilizaron muestras de espumas metálicas con 50mm de diámetro y 20mm de espesor, con tamaños de poro de 0.5, 1.0 y 2.0mm y una densidad relativa de 0.34. Para la realización de las pruebas de caída de presión, se realizó una adaptación de un sistema de flujo de fluidos y, los valores de permeabilidad se calcularon utilizando la ley de Darcy. Por otra parte, para obtener los coeficientes de conductividad se utilizó el ensayo de la caja térmica y la ley de Fourier. Resultados: Se encontró que hay una influencia importante del tamaño de los poros en los valores de permeabilidad y de conductividad térmica obtenidos. Por último, los resultados se compararon con los obtenidos por otros investigadores, determinando que estos son muy consistentes con los encontrados en el presente trabajo. Conclusiones: Nuestro interés es mejorar el conocimiento sobre las espumas metálicas y en este sentido, proponer la posibilidad de su uso en aplicaciones que involucran flujo de fluidos y transferencia de calor.