stringtranslate.com

Сцепление (механическое)

Двигатель с переменным ходом поршня (Autocar Handbook, девятое издание)

Механическая связь — это совокупность систем, соединенных для управления силами и движением . Движение тела или связи изучается с помощью геометрии, поэтому связь считается жесткой . [1] Соединения между связями моделируются как обеспечивающие идеальное движение, например, чистое вращение или скольжение , и называются шарнирами. Связь, смоделированная как сеть жестких связей и идеальных шарниров, называется кинематической цепью .

Связи могут быть построены из открытых цепей, закрытых цепей или комбинации открытых и закрытых цепей. Каждое звено в цепи соединено шарниром с одним или несколькими другими звеньями. Таким образом, кинематическую цепь можно смоделировать как граф, в котором звенья являются путями, а шарниры — вершинами, который называется графом связей.

Разворачиваемая зеркальная тяга состоит из ряда ромбовидных или ножничных тяг.
Удлиненный ножничный подъемник

Движение идеального сустава обычно связано с подгруппой группы евклидовых перемещений. Число параметров в подгруппе называется степенями свободы (DOF) сустава. Механические связи обычно проектируются для преобразования заданной входной силы и движения в желаемую выходную силу и движение. Отношение выходной силы к входной силе известно как механическое преимущество связи, в то время как отношение входной скорости к выходной скорости известно как отношение скоростей . Отношение скоростей и механическое преимущество определяются таким образом, чтобы они давали одинаковое число в идеальной связи.

Кинематическая цепь, в которой одно звено закреплено или неподвижно, называется механизмом [2] , а рычажный механизм, предназначенный для обеспечения неподвижности, называется конструкцией .

История

Архимед [3] применил геометрию к изучению рычага. В 1500-х годах работы Архимеда и Герона Александрийского были основными источниками теории машин. Именно Леонардо да Винчи привнес изобретательскую энергию в машины и механизмы. [4]

В середине 1700-х годов паровой двигатель приобрел все большую значимость, и Джеймс Уатт понял, что эффективность можно повысить, используя различные цилиндры для расширения и конденсации пара. Это подтолкнуло его к поиску рычажного механизма, который мог бы преобразовать вращение кривошипа в линейное скольжение, и привело к открытию им так называемого рычажного механизма Уатта . Это привело к изучению рычажных механизмов, которые могли бы генерировать прямые линии, пусть даже и приблизительно; и вдохновило математика Дж. Дж. Сильвестра , который читал лекции о рычажном механизме Поселье , который генерирует точную прямую линию из вращающегося кривошипа. [5]

Работа Сильвестра вдохновила А. Б. Кемпе , который показал, что связи для сложения и умножения могут быть собраны в систему, которая прослеживает заданную алгебраическую кривую. [6] Процедура проектирования Кемпе вдохновила исследования на стыке геометрии и компьютерных наук. [7] [8]

В конце 1800-х годов Ф. Рело , А. Б. У. Кеннеди и Л. Бурместер формализовали анализ и синтез систем рычажных механизмов с использованием начертательной геометрии , а П. Л. Чебышев ввел аналитические методы для изучения и изобретения рычажных механизмов. [5]

В середине 1900-х годов Ф. Фрейденштейн и Г. Н. Шандор [9] использовали недавно разработанный цифровой компьютер для решения уравнений контура связи и определения его размеров для желаемой функции, положив начало автоматизированному проектированию связей. В течение двух десятилетий эти компьютерные методы стали неотъемлемой частью анализа сложных систем машин [10] [11] и управления роботами-манипуляторами. [12]

RE Kaufman [13] [14] объединил способность компьютера быстро вычислять корни полиномиальных уравнений с графическим пользовательским интерфейсом, чтобы объединить методы Фрейденштейна с геометрическими методами Рело и Бурместера и сформировать KINSYN, интерактивную компьютерную графическую систему для проектирования рычажных механизмов.

Современное изучение связей включает анализ и проектирование сочлененных систем, которые появляются в роботах, станках, а также в системах с тросовым приводом и тенсегрити. Эти методы также применяются к биологическим системам и даже к изучению белков.

Мобильность

Простые связи способны производить сложные движения.

Конфигурация системы жестких звеньев, соединенных идеальными шарнирами, определяется набором параметров конфигурации, таких как углы вокруг вращательного шарнира и скольжения вдоль призматических шарниров, измеренные между соседними звеньями. Геометрические ограничения звена позволяют вычислить все параметры конфигурации в терминах минимального набора, которые являются входными параметрами . Количество входных параметров называется подвижностью , или степенью свободы , системы звеньев.

Система из n твердых тел, движущихся в пространстве, имеет 6 n степеней свободы, измеренных относительно неподвижной системы отсчета. Включим эту систему отсчета в число тел, так что подвижность не зависит от выбора неподвижной системы отсчета, тогда получим M  = 6( N  − 1), где N  =  n  + 1 — число движущихся тел плюс неподвижное тело.

Соединения, которые соединяют тела в этой системе, устраняют степени свободы и уменьшают подвижность. В частности, шарниры и ползуны накладывают по пять ограничений и, следовательно, устраняют пять степеней свободы. Удобно определить число ограничений c , которые накладывает сочленение, в терминах свободы сочленения f , где c  = 6 −  f . В случае шарнира или ползуна, которые являются сочленениями с одной степенью свободы, мы имеем f  = 1 и, следовательно, c  = 6 − 1 = 5.

Таким образом, подвижность системы связей, образованной из n подвижных звеньев и j шарниров, каждое из которых имеет f i , i  = 1, ..., j , степеней свободы, можно вычислить как,

где N включает фиксированную связь. Это известно как уравнение Куцбаха-Грублера

Есть два важных особых случая: (i) простая открытая цепь и (ii) простая закрытая цепь. Простая открытая цепь состоит из n подвижных звеньев, соединенных конец к концу j шарнирами, один конец которых соединен с заземляющим звеном. Таким образом, в этом случае N  =  j  + 1 и подвижность цепи равна

Для простой замкнутой цепи n подвижных звеньев соединены конец к концу с помощью n +1 соединений так, что два конца соединены с заземляющим звеном, образуя петлю. В этом случае мы имеем N = j и подвижность цепи равна

Примером простой открытой цепи является серийный робот-манипулятор. Эти роботизированные системы состоят из ряда звеньев, соединенных шестью одностепенными вращательными или призматическими шарнирами, поэтому система имеет шесть степеней свободы.

Примером простой замкнутой цепи является пространственная четырехзвенная связь RSSR (вращательно-сферическая-вращательно-сферическая). Сумма свобод этих шарниров равна восьми, поэтому подвижность связи равна двум, где одной из степеней свободы является вращение сцепки вокруг линии, соединяющей два S-шарнира.

Плоское и сферическое движение

Мобильность связей
Запирающиеся клещи являются примером механического соединения с четырьмя стержнями и одной степенью свободы . Регулируемый базовый шарнир делает это соединение с двумя степенями свободы и пятью стержнями .

Обычной практикой является проектирование системы связей таким образом, чтобы движение всех тел было ограничено лежащими на параллельных плоскостях, чтобы сформировать то, что известно как плоская связь . Также возможно сконструировать систему связей таким образом, чтобы все тела двигались на концентрических сферах, образуя сферическую связь . В обоих случаях степени свободы связи теперь равны трем, а не шести, и ограничения, накладываемые сочленениями, теперь равны c  = 3 −  f .

В этом случае формула подвижности имеет вид

и у нас есть особые случаи,

Примером плоской простой замкнутой цепи является плоский четырехзвенный шарнирный механизм, представляющий собой четырехзвенный контур с четырьмя шарнирами с одной степенью свободы и, следовательно, имеющий подвижность  M  = 1.

Суставы

Наиболее известными соединениями для систем связей являются вращательное или шарнирное соединение, обозначаемое буквой R, и призматическое или скользящее соединение, обозначаемое буквой P. Большинство других соединений, используемых для пространственных связей, моделируются как комбинации вращательных и призматических соединений. Например,

Анализ и синтез связей

Основной математический инструмент для анализа связи известен как кинематические уравнения системы. Это последовательность преобразований жесткого тела вдоль последовательной цепи внутри связи, которая определяет местоположение плавающего звена относительно наземной рамы. Каждая последовательная цепь внутри связи, которая соединяет это плавающее звено с землей, обеспечивает набор уравнений, которые должны удовлетворяться параметрами конфигурации системы. Результатом является набор нелинейных уравнений, которые определяют параметры конфигурации системы для набора значений входных параметров.

Фрейденштейн представил метод использования этих уравнений для проектирования плоской четырехзвенной связи, чтобы достичь заданного соотношения между входными параметрами и конфигурацией связи. Другой подход к проектированию плоской четырехзвенной связи был предложен Л. Бурместером и называется теорией Бурместера .

Плоские одностепенные шарнирные соединения

Формула подвижности дает способ определения числа связей и шарниров в плоской связи, что дает связь с одной степенью свободы. Если мы требуем, чтобы подвижность плоской связи была M  = 1 и f i  = 1, то результат будет

или

Эта формула показывает, что связь должна иметь четное число звеньев, поэтому мы имеем

См. работу Сункари и Шмидта [16] о числе 14- и 16-стержневых топологий, а также о числе связей, имеющих две, три и четыре степени свободы.

Плоская четырехзвенная связь, вероятно, является самой простой и распространенной связью. Это система с одной степенью свободы, которая преобразует вращение входного кривошипа или смещение ползуна в вращение или скольжение на выходе.

Примерами четырехзвенных шарнирных соединений являются:

Типы четырехзвенных шарнирных передач с длиной звеньев, назначенной каждому звену – обратите внимание на самое короткое звено S и самое длинное звено L каждого из этих механизмов.

Биологические связи

Системы связей широко распространены у животных. Наиболее полный обзор различных типов связей у животных был предоставлен Мисом Мюллером [17] , который также разработал новую систему классификации, которая особенно хорошо подходит для биологических систем. Известным примером являются крестообразные связки колена.

Важное различие между биологическими и инженерными связями заключается в том, что вращающиеся стержни редки в биологии и что обычно возможен лишь небольшой диапазон теоретически возможных из-за дополнительных функциональных ограничений (особенно необходимости доставки крови). [18] Биологические связи часто являются податливыми . Часто один или несколько стержней образованы связками, и часто связи являются трехмерными. Известны системы сопряженных связей, а также пяти-, шести- и даже семистержневые связи. [17] Четырехстержневые связи являются наиболее распространенными.

Связи можно обнаружить в суставах, таких как колено четвероногих , скакательный сустав овец и краниальный механизм птиц и рептилий. Последний отвечает за движение верхней части клюва вверх у многих птиц.

Механизмы сцепления особенно часто встречаются и многообразны в голове костистых рыб , таких как губаны , которые развили множество специализированных механизмов питания . Особенно развиты механизмы сцепления выдвижения челюстей . Для всасывающего питания система связанных четырехзвенных связей отвечает за координированное открытие рта и трехмерное расширение ротовой полости. Другие связи отвечают за выдвижение предчелюстной кости .

Связи также присутствуют в качестве запирающих механизмов, например, в колене лошади, что позволяет животному спать стоя, без активного сокращения мышц. При питании на шарнирах , используемом некоторыми костными рыбами, четырехзвенная связь сначала фиксирует голову в вентрально согнутом положении путем выравнивания двух звеньев. Освобождение запирающего механизма выталкивает голову вверх и перемещает рот в сторону добычи в течение 5–10 мс.

Примеры

Четырехзвенный генератор функций, аппроксимирующий функцию Log(u) для 1 < u < 10.

Прямолинейные механизмы

Галерея

[21] [22] [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мубарак, П.; Бен-Цви, П. (2013). «О двухстержневом скользящем рокерном механизме и его применении в трехпозиционной жесткой активной стыковке». Журнал механизмов и робототехники . 5 (1): 011010. doi :10.1115/1.4023178.
  2. ^ Оксфордский словарь английского языка
  3. ^ Koetsier, T. (1986). «От кинематически сгенерированных кривых к мгновенным инвариантам: эпизоды в истории мгновенной плоской кинематики». Теория механизмов и машин . 21 (6): 489–498. doi :10.1016/0094-114x(86)90132-1.
  4. AP Usher, 1929, История механических изобретений, Harvard University Press, (перепечатано Dover Publications 1968)
  5. ^ ab FC Moon, "История динамики машин и механизмов от Леонардо до Тимошенко", Международный симпозиум по истории машин и механизмов, (редакторы HS Yan и M. Ceccarelli), 2009. doi :10.1007/978-1-4020-9485-9-1
  6. ^ AB Kempe, «Об общем методе описания плоских кривых n-й степени с помощью рычажного механизма», Труды Лондонского математического общества, VII:213–216, 1876
  7. ^ Jordan, D.; Steiner, M. (1999). «Конфигурационные пространства механических связей». Дискретная и вычислительная геометрия . 22 (2): 297–315. doi : 10.1007/pl00009462 .
  8. ^ Р. Коннелли и Э. Д. Демейн, «Геометрия и топология полигональных связей», Глава 9, Справочник по дискретной и вычислительной геометрии, ( редакторы Дж. Э. Гудман и Дж. О'Рурк), CRC Press, 2004
  9. ^ Фройденштейн, Ф.; Шандор, Г. Н. (1959). «Синтез механизмов генерации траектории с помощью программируемого цифрового компьютера». Журнал инженерного дела для промышленности . 81 (2): 159–168. doi :10.1115/1.4008283.
  10. ^ Шет, П. Н.; Уикер, Дж. Дж. (1972). «IMP (Integrated Mechanisms Program), система анализа автоматизированного проектирования механизмов и связей». Журнал инженерного дела для промышленности . 94 (2): 454–464. doi :10.1115/1.3428176.
  11. ^ CH Suh и CW Radcliffe, Кинематика и проектирование механизмов, John Wiley, стр. 458, 1978
  12. ^ RP Paul, Роботы-манипуляторы: математика, программирование и управление, MIT Press, 1981
  13. ^ RE Kaufman и WG Maurer, «Интерактивный синтез связей на малом компьютере», Национальная конференция ACM, 3–5 августа 1971 г.
  14. ^ AJ Rubel и RE Kaufman, 1977, «KINSYN III: новая система, разработанная человеком для интерактивного автоматизированного проектирования планарных связей», ASME Transactions, Журнал инженерного дела для промышленности, май
  15. ^ Tsai, Lung-Wen (19 сентября 2000 г.). LW Tsai, Проектирование механизмов: перечисление кинематических структур в соответствии с функцией, CRC Press, 2000. ISBN 9781420058420. Получено 13.06.2013 .
  16. ^ Sunkari, RP; Schmidt, LC (2006). «Структурный синтез плоских кинематических цепей путем адаптации алгоритма типа Маккея». Теория механизмов и машин . 41 (9): 1021–1030. doi :10.1016/j.mechmachtheory.2005.11.007.
  17. ^ ab Muller, M. (1996). «Новая классификация плоских четырехзвенных связей и ее применение к механическому анализу животных систем». Phil. Trans. R. Soc. Lond. B . 351 (1340): 689–720. doi :10.1098/rstb.1996.0065. PMID  8927640.
  18. Докинз, Ричард (24 ноября 1996 г.). «Почему у животных нет колес?». Sunday Times . Архивировано из оригинала 21 февраля 2007 г. Получено 29 октября 2008 г.
  19. ^ Роберт Л. Нортон; Проектирование машин, 5-е издание.
  20. ^ «Истинные прямолинейные рычажные передачи, имеющие прямолинейный поступательный стержень» (PDF) .
  21. ^ Симионеску, П.А. (2014). Компьютерные инструменты построения графиков и моделирования для пользователей AutoCAD (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4822-5290-3.
  22. ^ Simionescu, PA (21–24 августа 2016 г.). MeKin2D: Suite for Planar Mechanism Kinematics (PDF) . Технические конференции по проектированию и инжинирингу ASME 2016 и конференция по компьютерам и информации в машиностроении. Шарлотт, Северная Каролина, США. стр. 1–10 . Получено 7 января 2017 г. .
  23. ^ Simionescu, PA (2016). «Пересмотр оптимального синтеза генераторов функций с примерами плоских четырехзвенных и кривошипно-ползунных механизмов». International Journal of Mechanisms and Robotic Systems . 3 (1): 60–79. doi : 10.1504/IJMRS.2016.077038 . Получено 2 января 2017 г.
  24. ^ "Сообщество PTC: Группа: Кинематические модели в Mathcad". Communities.ptc.com . Получено 13.06.2013 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки