18)Маневренность пространственных рычажных механизмов
Наиболее распространенными представителями пространственныхры-
чажных механизмов являются манипуляторы (рис. 2.5, а).
Манипулятор – это пространственный рычажный механизм, осуществ-
ляющий действия, аналогичные действиям руки человека.
Манипуляторы предназначены для изменения положения объектов.
Звенья манипуляторов промышленных роботов образуют только ра-
зомкнутые кинематические цепи, содержащие кинематические пары разных
классов, что позволяет подобным механизмам иметь подвижность больше
единицы. Однако для манипуляторов характерно наличие возможности из-
менения структуры механизма в процессе его работы. В соответствии со
служебным назначением возможны два варианта.
Первый вариант: требуется изменить положение неподвижного пред-
мета (рис. 2.5, а). В начальный момент времени предмет, положение которого
требуется изменить, лежит на неподвижной плоскости и находится в состоя-
нии покоя. Соответственно, предмет и плоскость накладывают друг на друга
определенные связи. При этом если взаимосвязь плоскости и предмета не из-
меняет его кинематического состояния, то их можно рассматривать как одно
неподвижное звено, являющееся стойкой. В момент времени, соответствую-
щий захвату выходным звеном рассматриваемого предмета, данное звено
также становится неподвижным и его необходимо рассматривать как элемент
стойки (рис. 2.5, б). Соответственно, число подвижных звеньев в структуре
механизма уменьшается на единицу, а разомкнутая кинематическая цепь, ко-
торой до этого момента обладал механизм, становится замкнутой, что приво-
дит к уменьшению его подвижности. В следующий момент времени возник-
нет необходимость отрыва предмета от неподвижной плоскости с целью его
дальнейшего перемещения. Однако для выполнения подобного действия ма-
нипулятор, обладающий в данный момент времени замкнутойкинематиче-
ской цепью, должен иметь подвижностью, как минимум равную единице.
Как только предмет будет отделен от неподвижной плоскости, он утратит ра-
нее существовавшие взаимосвязи с этой плоскостью, и в дальнейшем его не-
обходимо рассматривать вместе с выходным звеном как одно подвижное
звено. В момент времени восстановления подвижности выходным звеном
кинематическая цепь манипулятора опять становится разомкнутой, что при-
водит к прежней подвижности механизма и способности перемещать предмет
по заданному закону.
Второй вариант: требуется установить деталь в отверстие определен-
ной формы, выполненное в неподвижной поверхности. В момент времени,
соответствующий установке выходным звеном детали в отверстие, выходное
звено остается подвижным, а кинематическая цепь манипулятора замыкается
(рис. 2.5, в). При этом число подвижных звеньев сохраняется, а подвижность
механизма изменяется пропорционально подвижности новой кинематической
пары, образованной деталью и неподвижной поверхностью, в которую она
устанавливается. В момент прекращения связи выходного звена с деталью
кинематическая цепь становится разомкнутой, а механизм восстанавливает
свои свойства.
Из рассмотренных ситуаций следует, что обеспечение работоспособно-
сти манипулятора возможно только при выполнении следующего условия:
m ≥ 1.
где m – маневренность манипулятора.
Маневренность – это подвижность манипулятора при неподвижном
выходном звене.
Маневренность пространственных механизмов определяетсяповыра-
жению, полученному на основе формулы Сомова:
19) Синтез механизмов.
выполняется в два этапа. Первый этап называется
структурным синтезом, а второй – метрическим синтезом. Общими крите-
риями, которыми руководствуются на каждом этапе, являются: минимизация
габаритно-массовых характеристик и себестоимости механизма, а также
обеспечение технологичности звеньев и выполнение условий работоспособ-
ности. Однако каждый этап преследует разные цели.
Охарактеризуем каждый из этапов в отдельности.
Структурный синтез – это процесс проектирования новой или модер-
низации (усовершенствования) уже существующей структуры механизма,
обладающей требуемыми свойствами: заданное число подвижностей, отсут-
ствие местных подвижностей и избыточных связей, минимум звеньев, ис-
пользование кинематических пар определенного вида.
На этапе структурного синтеза осуществляется формирование струк-
турной схемы механизма, которая определяет число звеньев, количество, вид
и подвижность кинематических пар, а также число избыточных связей и ме-
стных подвижностей. Введение в структурную схему механизма каждой из-
быточной связи и местной подвижности должно быть доказательно обосно-
вано. Основными условиями при выборе структурной схемы являются задан-
ные параметры: требуемое число подвижностей, отсутствие местных под-
вижностей и избыточных связей, минимизация количества звеньев, использо-
вание кинематических пар определенного вида или класса. В то же время оп-
ределяющими условиями являются: заданный закон движения и расположение
осей входного и выходного звеньев. Если оси входного и выходного звеньев
механизма параллельны, то выбирается плоская структурная схема. При пе-
ресекающихся или скрещивающихся осях входного и выходного звеньев ис-
пользуется пространственная схема. В большинстве случаев задача струк-
турного синтеза сводится к выбору структурной схемы механизма из набора
типовых схем.
Структурный синтез плоских рычажных механизмов выполняется в со-
ответствии со структурной классификацией Л. В. Ассура (см. рис. 2.3). В ка-
честве примера рассмотрим структурный синтез кривошипно-ползунного
механ
изма
(рис. 2.6).
Результат первой задачи структурного анализа показывает, что под-
вижность механизма равна единице, следовательно, в качестве первичного
механизма выбираем группу звеньев соответствующей подвижности, звенья
которой образуют вращательную кинематическую пару пятого класса
(рис. 2.6, а). К выбранному первичному механизму присоединяем структур-
ную группу звеньев 2-го класса 2-го порядка 2-го вида (рис. 2.6, б). Получен-
ный таким образом механизм будет обладать рациональной структурой, т. е.
его структурная схема не будет содержать дефектов структуры (рис. 2.6, в).
Более сложные структурные схемы можно получить последовательным
присоединением требуемого числа структурных групп соответствующего
класса, вида и порядка. При этом необходимо следить, чтобы структура ме-
ханизма оставалась рациональной при выполнении всех остальных заданных
условий.
Результатом выполнения этапа структурного синтеза является струк-
турная схема механизма, удовлетворяющая принятым критериям.
Метрический синтез – это процесс определения основныхгеометриче-
ских размеров звеньев механизма и конфигураций профилей рабочих по-
верхностей, которые наилучшим образом удовлетворяют заданным условиям
и обеспечивают оптимальное сочетание качественных показателей.
Задачами метрического синтеза являются:
1) синтез кинематической схемы механизма по заданным положениям
входного или выходного звена;
2) синтез кинематической схемы механизма по заданным геометриче-
ским параметрам;
3) синтез кинематической схемы механизма по заданному закону дви-
жения выходного звена;
4) синтез кинематической схемы механизма по заданным кинематиче-
ским параметрам: средней скорости выходного звена, коэффициенту нерав-
номерности средней скорости;
5) синтез кинематической схемы механизма по заданной величине угла
давления или угла передачи.
Кинематическая схема – это графическое изображение механизма, вы-
полненное в определенном масштабном коэффициенте с использованием ус-
ловных обозначений, рекомендованных ГОСТ.
Кинематическая схема содержит информацию о числе звеньев и виде
движений, ими совершаемых, о числе подвижности и классе кинематических
пар, о числе и виде кинематических цепей и о размерах звеньев.
При решении задач метрического синтеза рычажных механизмов руко-
водствуются следующими критериями:
1) условие проворачиваемости звеньев – спроектированный механизм
должен обеспечивать для входного или выходного звеньев возможность по-
ворота на угол более 360°;
2) конструктивные ограничения на габариты механизма – спроектиро-
ванный механизм должен обладать габаритными размерами, укладывающи-
мися в заданные диапазоны;
3) точность обеспечения заданного закона движения или заданных по-
ложений звеньев механизма – спроектированный механизм должен обеспе-
чивать выполнение заданного закона движения или заданных положений
звеньев с требуемой точностью;
4) ограничение по условиям передачи силовых факторов – текущее
значение угла давления спроектированного механизма не должно превышать
допустимой величины;
5) другие условия и требования, учитывающие специфику функциони-
рования и эксплуатации механизма.
К методам синтеза механизмов относятся синтез методами анализа
и методы прямого синтеза (аналитический, графический и графоаналити-
ческий).
20)Метрический синтез рычажных механизмов.
Метрическийсинтез– это процесс определения основных геометриче-
ских размеров звеньев механизма и конфигураций профилей рабочих по-
верхностей, которые наилучшим образом удовлетворяют заданным условиям
и обеспечивают оптимальное сочетание качественных показателей.
Задачами метрического синтеза являются:
1) синтез кинематической схемы механизма по заданным положениям
входного или выходного звена;
2) синтез кинематической схемы механизма по заданным геометриче-
ским параметрам;
3) синтез кинематической схемы механизма по заданному закону дви-
жения выходного звена;
механизмов графоаналитическими методами осу-
ществляется в определенном масштабном коэффициенте.
Масштабный коэффициент – это отношение какой-либо действитель-
ной величины l, взятой в метрах, к длине отрезка ⏐l⏐, измеряемого в милли-
метрах и изображающего эту величину в составе кинематической схемы.
Масштаб длин – это отношение длины отрезка ⏐l⏐, изображающего
какую-либо величину в миллиметрах, к действительной величине l в метрах.
Рекомендуется синтез кинематических схем механизмов выполнять в
масштабном коэффициенте кривошипа, м/мм:
где OA l – действительная длина кривошипа; OA – произвольный отрезок.