TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Dr inż. Artur Handke Katedra Inżynierii Biomedycznej, Mechatroniki i Teorii Mechanizmów Wydział Mechaniczny ul. Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław Budynek B5 pokój 303 (F) Tel.: 0-71- 320-2710 PONIEDZIAŁEK 7 00-9 00 ŚRODA 11 15-13 15, CZWARTEK 9 15-12 15 SOBOTA : 6 30-7 30 e-mail: artur.handke@pwr.edu.pl web: http://tmm.pwr.wroc.pl

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Podręczniki: Miller S.: Teoria maszyn i mechanizmów. Analiza układów mechanicznych. Oficyna wydawnicza PWr. Wrocław 1996. Gronowicz A. i inni: Teoria maszyn i mechanizmów. Zestaw problemów analizy i projektowania. Oficyna Wydawnicza PWr. Wrocław 1999. Gronowicz A.: Podstawy analizy układów kinematycznych. Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 2003. Strona www: http://tmm.pwr.wroc.pl

Wykład 1 Wykład 2 Wykład 3 Wykład 4 Wykład 5 Wykład 6 Wykład 7 Wykład 8 Wykład 9 Wykład 10 TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Program SAM (Simulation and Analysis of Mechanisms) ver. 6.1 lub ver. 7.0 ARTAS.NL

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Układy mechaniczne: Elementy składowe nie przemieszczają się względem siebie (konstrukcje nośne budowli, mosty, maszty, wsporniki, korpusy...)

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Układy kinematyczne: Elementy składowe przemieszczają się względem siebie (pojazdy, samoloty, roboty, koparki, ładowarki, zawieszenia, silniki, obrabiarki, mechanizmy...)

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW Kurs ma nauczyć: - budowy i działania, projektowania układów kinematycznych, - metod analizy kinematycznej i dynamicznej układów kinematycznych, - budowy i własności wybranych grup układów, Wiedza istotna dla: - projektowania, konstruowania i eksploatowania

Podstawy analizy strukturalnej układów kinematycznych Układem kinematycznym nazywamy dowolny zespół elementów składowych (członów) połączonych ze sobą w sposób umożliwiający ruch względny stworzony przez naturę lub człowieka do wypełniania celowych funkcji. Analiza strukturalna zajmuje się badaniem struktury (budowy) i analizą własności ruchowych układów kinematycznych.

Podstawy analizy strukturalnej układów kinematycznych Łańcuch kinematyczny: Złożenie członów i par kinematycznych Mechanizm: Łańcuch kinematyczny z przynajmniej jednym członem nieruchomym bądź przytwierdzonym do układu odniesienia, stworzony aby umożliwić kontrolowany ruch na wyjściu układu w odpowiedzi na podany ruch wejściowy. Manipulator: Urządzenie do chwytania i kontroli ruchu przedmiotów. Maszyna: Kombinacja członów ułożona w sposób umożliwiający przeciwstawienie się siłom natury w celu wykonania określonej pracy poprzez zdefiniowany ruch.

Przykłady prostych mechanizmów PRZEKŁADNIA WALCOWA zewnętrze zazębienie wewnętrzne zazębienie CZWOROBOK PRZEGUBOWY PŁASKI dźwignia człon posiadający tylko pary obrotowe

Przykłady prostych mechanizmów PRZEKŁADNIA ŚLIMAKOWA ŚLIMACZNICA ŚLIMAK CZWOROBOK PRZEGUBOWY PRZESTRZENNY

Budowa układów kinematycznych Układ rzeczywisty

Budowa układów kinematycznych Schemat kinematyczny Napęd Połączenie ruchowe Człon

Człony Człon to element układu kinematycznego, który wchodzi w połączenia ruchowe z innymi członami. Podział funkcjonalny członów: człon nieruchomy (podstawa ) - 0 człony czynne (napędowe) 2 człony bierne (napędzane) 1 człony pośredniczące 3

Człony podział ze względu na stan skupienia

Człony podział ze względu na węzłowość

Człony schematyzacja

Proste człony Korbowód Koło zębate

Wahacz Proste człony

Proste człony Łącznik Krzywka 22

STOPNIE SWOBODY Każdy układ mechaniczny może zostać sklasyfikowany względem stopni swobody, które posiada. Liczba stopni swobody układu jest równa liczbie niezależnych parametrów, niezbędnych do jednoznacznego określenia jego pozycji w czasie. Stopień swobody jest określany względem wyznaczonego układu odniesienia.

Pary kinematyczne Para kinematyczna

Pary kinematyczne Para kinematyczna to ruchowe połączenie dwóch członów, połączenie dające łączonym członom możliwość wykonywania ruchów względnych. Podziały par kinematycznych: - według rodzaju styku tworzących członów - według stopni swobody ruchu względnego

Pary kinematyczne podział według rodzaju styku tworzących członów Pary kinematyczne dzielimy na: niższe, wyższe, mieszane.

Pary kinematyczne podział według stopni swobody ruchu względnego Pary kinematyczne dzielimy na klasy według liczby stopni swobody jednego członu względem drugiego członu pary. Stopnie swobody swobodnego członu (6 stopni swobody) Pary: I klasy jeden stopień swobody II klasy dwa stopnie swobody III klasy trzy stopnie swobody IV klasy cztery stopnie swobody V klasy pięć stopni swobody

Pary kinematyczne podział na klasy Para I klasy - obrotowa Para I klasy - postępowa Para II klasy - cylindryczna Para III klasy - sferyczna

Pary kinematyczne podział na klasy Para III klasy - płaszczyznowa Para IV klasy Para V klasy

Pary kinematyczne płaskie Klasy par płaskich: I jeden stopień swobody II dwa stopnie swobody Stopnie swobody swobodnego płaskiego członu (3 stopnie swobody)

Pary kinematyczne płaskie podział na klasy TR R Para II - krzywkowa Para I - obrotowa R T TR Para II - zębata Para I - postępowa T TR Para II - jarzmowa

Łańcuchy kinematyczne Łańcuchem kinematycznym nazywamy szereg członów połączonych ze sobą parami kinematycznymi. a) c) e) b) d) Łańcuchy dzielimy na: - otwarte (a) - zamknięte (b, c, d, e) - płaskie (a, b, c, d) - przestrzenne (e) - ruchliwe (a, b, d, e) - nieruchliwe sztywne (c)

RUCHLIWOŚĆ

RUCHLIWOŚĆ MECHANIZM CZWOROBOK PRZEGUBOWY 2- łącznik 3- wahacz 1- dźwignia Ruch wejściowy (napęd) Ruch wyjściowy 0 podstawa

Ruchliwość mechanizmu: W W to liczba stopni swobody wszystkich członów względem podstawy W>0 - łańcuchy ruchliwe W=0 - łańcuchy nieruchliwe (sztywne) W<0 - łańcuchy nieruchliwe (przesztywnione)

Łańcuchy kinematyczne ruchliwość W Struktura mechanizmu: n- liczba członów p 1 liczba par I klasy p 2 liczba par II klasy p 3 liczba par III klasy p 4 liczba par IV klasy p 5 liczba par V klasy W UKŁADZIE PRZESTRZENNYM (3D) n-1 - liczba członów ruchomych 6(n-1) - liczba stopni swobody członów ruchomych 6-i - liczba stopni swobody odebranych przez jedną parę i-tej klasy W= 6(n-1) -5p 1-4p 2-3p 3-2p 4 -p 5

Łańcuchy kinematyczne płaskie ruchliwość W W UKŁADZIE PŁASKIM (2D) Struktura mechanizmu płaskiego: n- liczba członów p 1 liczba par I klasy p 2 liczba par II klasy n-1 - liczba członów ruchomych 3(n-1) - liczba stopni swobody członów ruchomych 3-i - liczba stopni swobody odebranych przez jedną parę i-tej klasy W= 3(n-1) -2p 1 -p 2

Łańcuchy kinematyczne ruchliwość W III I 6 5 I I 4 7 I III 3 1 I I 2 8 III n=8 p 1 =6 p 3 =3 p 2 = p 4 = p 5 =0 W= 6(n-1) 5p 1 4p 2 3p 3 2p 4 p 5 W= 6(8-1) -5x6 3x3 = 3

Łańcuchy kinematyczne ruchliwość W W=3 Układ kinematyczny jest jednobieżny jeżeli liczba członów czynnych (napędów) jest równa ruchliwości. Mechanizmem nazywamy jednobieżny łańcuch kinematyczny zaprojektowany do przekształcanie ruchu jednego lub kilku członów na ruch innych członów.

Łańcuchy kinematyczne ruchliwość W 1 5 I 54 I 34 I 15 3 4 II 23 I I 13 12 2 n = 5 p 1 = 5 p 2 =1 W= 3(n-1) 2p 1 p 2 W= 3(5-1) 2x5-1 = 1

Interpretacja ruchliwości W R = W W L + R B W R - ruchliwość rzeczywista W - ruchliwość teoretyczna W L - ruchliwość lokalna R B - więzy bierne

Ruchliwość lokalna W L n=4 p 1 =3 p 2 =1 W = 3(n-1) - 2p 1 - p 2 W=2

Ruchliwość lokalna W L k 2 p p 1 2 2 1 W T 1 2 1 1 2 3 n p p? W 1 1 T W R

Ruchliwość lokalna W L W L k 3 p p 1 2 W T W R 3 1 2 1

Ruchliwość lokalna W L PORÓWNANIE W T 1 W T 2

Ruchliwość lokalna W L W L k 3 p p 1 2 W T 3 1 2 L RUCHLIWOŚĆ LOKALNA CZŁONU 3 ROLKA 3 MOŻE SIĘ OBRACAĆ WOKÓŁ WŁASNEJ OSI 1 W R W 1

Ruchliwość lokalna W L n=4 p 1 =4 p 2 =0 W T = 3(n-1) - 2p 1 - p 2 W T = 1 W L = 0 W R = 1

Ruchliwość lokalna W L Specyficzna geometria: BC = linia prosta n=4 p 1 =4 p 2 =0 W T = 3(n-1) - 2p 1 - p 2 W T = 1 W L = 1 W R = 0 Mechanizm może być złożony w 4 konfiguracjach!

Ruchliwość lokalna WL