stringtranslate.com

Соединение (механическое)

Двигатель с регулируемым ходом поршня (Справочник Autocar, девятое издание)

Механическая связь представляет собой совокупность систем, связанных для управления силами и движением . Движение тела или звена изучается с помощью геометрии , поэтому звено считается жестким . [1] Соединения между звеньями моделируются как обеспечивающие идеальное движение, например чистое вращение или скольжение , и называются соединениями. Связь, моделируемая как сеть жестких звеньев и идеальных соединений, называется кинематической цепью .

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

Развертываемое зеркальное соединение состоит из ряда ромбовидных или ножничных рычагов.
Удлиненный ножничный подъемник

Движение идеального сустава обычно связывают с подгруппой группы евклидовых перемещений. Количество параметров в подгруппе называется степенями свободы (ГРИП) соединения. Механические связи обычно предназначены для преобразования заданной входной силы и движения в желаемую выходную силу и движение. Отношение выходной силы к входной силе известно как механическое преимущество рычажного механизма, а отношение входной скорости к выходной скорости известно как передаточное отношение . Передаточное число и механическое преимущество определены таким образом, чтобы в идеальном соединении они давали одинаковое число.

Кинематическая цепь, в которой одно звено неподвижно или неподвижно, называется механизмом [2] , а звено, предназначенное для стационарного положения, называется конструкцией .

История

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

В середине 1700-х годов значение парового двигателя приобретало все большее значение, и Джеймс Уатт понял, что эффективность можно повысить, используя различные цилиндры для расширения и конденсации пара. Это побудило его искать механизм, который мог бы преобразовать вращение кривошипа в линейное скольжение, и привело к открытию так называемого механизма Уотта . Это привело к изучению связей, которые могли бы образовывать прямые линии, хотя бы приблизительно; и вдохновил математика Дж. Дж. Сильвестра , который читал лекции о связи Поселье , которая генерирует точную прямую линию от вращающегося кривошипа. [5]

Работы Сильвестра вдохновили А. Б. Кемпе , который показал, что связи для сложения и умножения можно собрать в систему, описывающую заданную алгебраическую кривую. [6] Процедура проектирования Кемпе вдохновила исследования на стыке геометрии и информатики. [7] [8]

В конце 1800-х годов Ф. Рело , А.Б. Кеннеди и Л. Бурместер формализовали анализ и синтез систем связей с помощью начертательной геометрии , а П. Л. Чебышев ввел аналитические методы исследования и изобретения связей. [5]

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

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

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

Мобильность

Простые связи способны производить сложное движение.

Конфигурация системы жестких звеньев, соединенных идеальными соединениями, определяется набором параметров конфигурации, таких как углы вокруг поворотного соединения и скольжения по призматическим соединениям, измеренные между соседними звеньями. Геометрические ограничения связи позволяют рассчитывать все параметры конфигурации с точки зрения минимального набора, который является входными параметрами . Количество входных параметров называется подвижностью или степенью свободы системы рычагов.

Система n твердых тел, движущихся в пространстве, имеет 6 n степеней свободы, измеренных относительно неподвижной системы отсчета. Включив эту систему отсчёта в счёт тел, чтобы подвижность не зависела от выбора фиксированной системы отсчёта, тогда имеем M  = 6( N  − 1), где N  =  n  + 1 — количество движущихся тел плюс неподвижное тело. .

Суставы, соединяющие тела в этой системе, лишают степеней свободы и уменьшают подвижность. В частности, петли и ползунки налагают по пять ограничений и, следовательно, удаляют пять степеней свободы. Удобно определить количество ограничений c , которые накладывает сустав, через свободу соединения f , где c  = 6 −  f . В случае шарнира или ползунка, которые представляют собой соединения с одной степенью свободы, мы имеем f  = 1 и, следовательно, c  = 6 - 1 = 5.

Таким образом, подвижность рычажной системы, образованной из n движущихся звеньев и j суставов, каждый из которых имеет f i , i  = 1, ..., j , степени свободы, может быть вычислена как:

где N включает фиксированную ссылку. Это известно как уравнение Куцбаха – Грюблера.

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

В простой замкнутой цепи n подвижных звеньев соединены встык с помощью n +1 шарниров так, что два конца соединены с заземляющим звеном, образуя петлю. В этом случае N = j и подвижность цепи равна

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

Примером простой замкнутой цепи является пространственная четырехзвенная связь РССР (оборота-сфера-сфера-оборота). Сумма свобод этих шарниров равна восьми, поэтому подвижность звена равна двум, где одна из степеней свободы представляет собой вращение муфты вокруг линии, соединяющей два S-образных шарнира.

Плоское и сферическое движение

Мобильность связей
Стопорные плоскогубцы представляют собой механическую связь с четырьмя стержнями и одной степенью свободы . Регулируемый базовый шарнир представляет собой пятизвенную рычажную систему с двумя степенями свободы .

Обычной практикой является проектирование системы рычагов таким образом, чтобы движение всех тел лежало в параллельных плоскостях, образуя так называемую плоскую связь . Также возможно построить систему связей так, что все тела движутся по концентрическим сферам, образуя сферическую связь . В обоих случаях степень свободы связи теперь равна трем, а не шести, а ограничения, налагаемые соединениями, теперь равны c  = 3 −  f .

В этом случае формула мобильности имеет вид

и у нас есть особые случаи,

Примером плоской простой замкнутой цепи является плоская четырехзвенная рычажная система, которая представляет собой четырехзвенную петлю с четырьмя шарнирами по одной степени свободы и поэтому имеет подвижность  М  = 1.

Суставы

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

Анализ и синтез связей

Основной математический инструмент для анализа связи известен как кинематические уравнения системы. Это последовательность трансформаций твердого тела по последовательной цепи внутри рычажного механизма, который позиционирует плавающее звено относительно наземной рамы. Каждая последовательная цепь в звене, соединяющем это плавающее звено с землей, предоставляет набор уравнений, которым должны удовлетворять параметры конфигурации системы. В результате получается набор нелинейных уравнений, определяющих параметры конфигурации системы для набора значений входных параметров.

Фрейденштайн представил метод использования этих уравнений для проектирования плоской четырехзвенной связи для достижения заданного соотношения между входными параметрами и конфигурацией связи. Другой подход к конструкции плоского четырехзвенного механизма был предложен Л. Бурместером и называется теорией Бурместера .

Плоские связи с одной степенью свободы

Формула подвижности позволяет определить количество звеньев и соединений в плоской связи, которая дает связь с одной степенью свободы. Если мы требуем, чтобы подвижность плоской связи была M  = 1 и fi  = 1, результат будет следующим :

или

Эта формула показывает, что связь должна иметь четное количество связей, поэтому мы имеем

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

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

Примеры четырехзвенных связей:

Типы четырехзвенных звеньев с присвоенной каждому звену длиной - обратите внимание на самое короткое звено S и самое длинное звено L каждого из этих механизмов.

Другие интересные связи

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

Прямолинейные механизмы

Биологические связи

Системы связей широко распространены у животных. Наиболее полный обзор различных типов связей у животных был сделан Мисом Мюллером [19] , который также разработал новую систему классификации, особенно хорошо подходящую для биологических систем. Известный пример – 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). [20] Биологические связи часто соответствуют действительности . Часто один или несколько стержней образованы связками, и часто связи бывают трехмерными. Известны спаренные рычажные системы, а также пяти-, шести- и даже семизвенные системы. [19] Однако наиболее распространенными являются четырехзвенные рычаги .

Связи можно найти в суставах, таких как колено четвероногих , скакательный сустав овец, а также в черепном механизме птиц и рептилий. Последний отвечает за движение верхней части клюва вверх у многих птиц.

Рычажные механизмы особенно часты и разнообразны в голове костистых рыб , например губанов , у которых развилось множество специализированных механизмов питания . Особенно развиты рычажные механизмы выдвижения челюстей . При аспирационном питании система связанных четырехстержневых рычагов отвечает за скоординированное открытие рта и трехмерное расширение полости рта. Другие связи ответственны за выпячивание предчелюстной кости .

Связи также присутствуют в качестве фиксирующих механизмов, например, в колене лошади, что позволяет животному спать стоя, без активного сокращения мышц. При поворотном кормлении , используемом некоторыми костистыми рыбами, четырехстержневой рычажный механизм сначала фиксирует голову в согнутом вентральном положении за счет совмещения двух стержней. При отпускании фиксирующего механизма голова поднимается вверх, а рот перемещается в сторону добычи в течение 5–10 мс.

Галерея

[21] [22] [23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мубарак, П.; Бен-Цви, П. (2013). «О двухстержневом кулисном механизме и его применении для трехсторонней жесткой активной стыковки». Журнал механизмов и робототехники . 5 (1): 011010. дои : 10.1115/1.4023178.
  2. ^ ОЭД
  3. ^ Кутсер, Т. (1986). «От кинематически сгенерированных кривых к мгновенным инвариантам: эпизоды в истории мгновенной плоской кинематики». Теория механизма и машин . 21 (6): 489–498. дои : 10.1016/0094-114x(86)90132-1.
  4. ^ AP Usher, 1929, История механических изобретений, издательство Гарвардского университета (перепечатано Dover Publications, 1968)
  5. ^ ab FC Moon, «История динамики машин и механизмов от Леонардо до Тимошенко», Международный симпозиум по истории машин и механизмов (HS Ян и М. Чеккарелли, ред.), 2009. doi : 10.1007/978-1 -4020-9485-9-1
  6. ^ AB Kempe, «Об общем методе описания плоских кривых n-й степени с помощью связей», Труды Лондонского математического общества, VII: 213–216, 1876 г.
  7. ^ Джордан, Д.; Штайнер, М. (1999). «Конфигурационные пространства механических связей». Дискретная и вычислительная геометрия . 22 (2): 297–315. дои : 10.1007/pl00009462 .
  8. ^ Р. Коннелли и Э.Д. Демейн, «Геометрия и топология полигональных связей», Глава 9, Справочник по дискретной и вычислительной геометрии, ( Дж. Э. Гудман и Дж. О'Рурк, ред.), CRC Press, 2004 г.
  9. ^ Фрейденштайн, Ф.; Шандор, GN (1959). «Синтез механизмов генерации пути с помощью программируемого цифрового компьютера». Журнал техники для промышленности . 81 (2): 159–168. дои : 10.1115/1.4008283.
  10. ^ Шет, ПН; Уикер, Джей-Джей (1972). «IMP (Программа интегрированных механизмов), компьютерная система анализа проектирования механизмов и связей». Журнал техники для промышленности . 94 (2): 454–464. дои : 10.1115/1.3428176.
  11. ^ CH Suh и CW Radcliffe, Кинематика и проектирование механизмов, Джон Уайли, стр: 458, 1978
  12. ^ Р.П. Пол, Роботы-манипуляторы: математика, программирование и управление, MIT Press, 1981.
  13. ^ RE Kaufman и WG Maurer, «Интерактивный синтез связей на маленьком компьютере», Национальная конференция ACM, 3–5 августа 1971 г.
  14. ^ А. Дж. Рубель и Р. Э. Кауфман, 1977, «KINSYN III: новая созданная человеком система для интерактивного компьютерного проектирования плоских связей», ASME Transactions, Журнал инженерного дела для промышленности, май
  15. Цай, Лунг-Вэнь (19 сентября 2000 г.). Л. В. Цай, Проектирование механизмов: перечень кинематических структур в зависимости от функции, CRC Press, 2000. ISBN 9781420058420. Проверено 13 июня 2013 г.
  16. ^ Сункари, РП; Шмидт, Л.К. (2006). «Структурный синтез плоских кинематических цепей путем адаптации алгоритма типа Маккея». Теория механизма и машин . 41 (9): 1021–1030. doi :10.1016/j.mechmachtheory.2005.11.007.
  17. ^ Роберт Л. Нортон; Проектирование машин, 5-е издание
  18. ^ «Истинные прямолинейные связи с прямолинейной перекладиной» (PDF) .
  19. ^ Аб Мюллер, М. (1996). «Новая классификация плоских четырехстержневых связей и ее применение к механическому анализу систем животных». Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. Б. _ 351 (1340): 689–720. дои : 10.1098/rstb.1996.0065. ПМИД  8927640.
  20. Докинз, Ричард (24 ноября 1996 г.). «Почему у животных нет колес?». Санди Таймс . Архивировано из оригинала 21 февраля 2007 года . Проверено 29 октября 2008 г.
  21. ^ Симионеску, Пенсильвания (2014). Инструменты компьютерного построения графиков и моделирования для пользователей AutoCAD (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4822-5290-3.
  22. ^ Симионеску, Пенсильвания (21–24 августа 2016 г.). MeKin2D: Пакет для кинематики плоских механизмов (PDF) . Технические конференции по проектированию и инженерному проектированию ASME 2016 и конференция по компьютерам и информации в инженерии. Шарлотт, Северная Каролина, США. стр. 1–10 . Проверено 7 января 2017 г.
  23. ^ Симионеску, Пенсильвания (2016). «Переформулировка оптимального синтеза функциональных генераторов на примерах плоского четырехстержневого и кривошипно-шатунного механизмов». Международный журнал механизмов и робототехнических систем . 3 (1): 60–79. дои : 10.1504/IJMRS.2016.077038 . Проверено 2 января 2017 г.
  24. ^ «Сообщество PTC: Группа: Кинематические модели в Mathcad» . Сообщества.ptc.com . Проверено 13 июня 2013 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки