Экспериментальный метод кинематического исследования.

При экспериментальном исследовании кинематики механизмов кинематические характеристики звеньев и точек механизма определяются и регистрируются с помощью чувствительных элементов - датчиков, которые используя различные физические эффекты преобразуют кинематические параметры в пропорциональные электрические сигналы. Эти сигналы регистрируются измерительными самопишущими приборами (самописцами, осциллографами и др.). В последнее время для регистрации и обработки экспериментальных данных все более широко используются специальные или универсальные компьютеры. Для примера рассмотрим экспериментальную установку для исследования кинематических характеристик синусного механизма:

Рис. 3.14

В этой экспериментальной установке:

· для измерения перемещения выходного звена используется потенциометрический датчик перемещения, в котором пропорционально положению движка потенциометра изменяется его сопротивление;

· для измерения скорости выходного звена используется идукционный датчик скорости, в котором напряжение на концах катушки движущейся в поле постоянного магнита пропорционально скорости катушки;

· для измерения ускорения выходного звена используется тензометрическиий акселерометр. Он состоит из пластинчатой пружины один конец которой закреплен на выходном звене механизма, а на втором закреплена масса. На пластину наклеены проволочные тензопреобразователи. При движении выходного звена с ускорением инерционность массы вызывает изгиб пластины , деформацию тензопреобразователей и изменение их сопротивления пропорциональное ускорению выходного звена.

Передаточные функции механизмов с несколькими подвижностями (W>1).

Рассмотрим простой двухподвижный манипулятор

Рис. 3.15

Функция положения для выходного звена этого механизма является функцией двух переменных

и ее производная определится как производная функции двух переменных:

где w_q10 и w_q21 - частные производные по обобщенным координатам.

Лекция 4

Силовой анализ механизмов.

Классификация сил, действующих в механизмах.

Все силы, действующие в механизмах, условно подразделяются на:

• внешние, действующие на исследуемую систему со стороны внешних систем и совершающие работу над системой. Эти силы в свою очередь подразделяются на:
• движущие, работа которых положительна (увеличивает энергию системы);
• сопротивления, работа которых отрицательна (уменьшает энергию системы). Силы сопротивления делятся на:
• силы полезного (технологического) сопротивления - возникающие при выполнении механической системы ее основных функций (выполнение требуемой работы по изменению координат, формы или свойств изделия и т.п.);
• силы трения (диссипативные) - возникающие в месте связи в КП и определяемые условиями физико-механического взаимодействия между звеньями (работа всегда отрицательна);
• взаимодействия с потенциальными полями (позиционные) - возникают при размещении объекта в потенциальном поле, величина зависит от потенциала точки, в которой размещается тело (работа при перемещении из точки с низким потенциалом в точку с более высоким - положительна; за цикл, т.е. при возврате в исходное положение, работа равна нулю). Потенциальное поле - силы тяжести или веса. Существуют электромагнитные, электростатические и другие поля.
• внутренние, действующие между звеньями механической системы. Работа этих сил не изменяет энергии системы. В механических системах эти силы называются реакциями в КП.
• расчетные (теоретические) - силы, которые не существуют в реальности, а только используются в различных расчетах с целью их упрощения:
• силы инерции - предложены Д'Аламбером для силового расчета подвижных механических систем. При добавлении этих сил к внешним силам, действующим на систему, устанавливается квазистатическое равновесие системы и ее можно рассчитывать, используя уравнения статики (метод кинетостатики).
• приведенные (обобщенные) силы - силы. совершающие работу по обобщенной координате равную работе соответствующей реальной силы на эквивалентном перемещении точки ее приложения.

Необходимо отметить, что под силами понимаются равнодействующие соответствующих распределенных в месте контакта КП нагрузок. Все вышесказанное относительно сил распространяется и на моменты сил.

Силы в кинематических парах плоских механизмов (без учета трения).

Сила, как векторная величина характеризуется относительно звеньев механизма тремя параметрами: координатами точки приложения, величиной и направлением. Рассмотрим с этих позиций реакции в КП плоских механизмов.

1. Поступательная КП. В поступательной КП связи, наложенные на относительное движение звеньев запрещают относительное поступательное движение по оси y и относительное вращение. Заменяя эти связи реакциями, получим реакцию F_ij и реактивный момент M_ij (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4

При силовом расчете поступательной КП определяются:

• реактивный момент M_ij,
• величина реакции F_ij

известны: точка приложения силы - геометрический центр кинематической пары A_{1 п.}и направление - нормаль к контактирующим поверхностям звеньев.
Число связей в КП S^пл = 2, подвижность звеньев в КПW^пл =1, число неизвестных при силовом расчете n_s = 2.

2. Вращательная КП. Во вращательной КП связи, наложенные на относительное движение звеньев запрещают относительное поступательное движение по осям y и x. Заменяя эти связи реакциями, получим реакцию F_ij (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5

При силовом расчете поступательной КП определяются:

• направление реакцииF_ij;
  величина реакции F_ij;

известна: точка приложения силы - геометрический центр кинематической пары B_{1 в.}.
Число связей в КП S^пл = 2, подвижность звеньев в КП W^пл=1, число неизвестных при силовом расчете n_s = 2.

3. Высшая КП. В высшей паре связи,наложенные на относительное движение звеньев, запрещают движение в направлении нормали к контактирующим поверхностям (ось y). Заменяя эту связь реакцией, получим реакцию F_ij (см.рис. 4.5).
При силовом расчете в высшей КП определяются:

• величина реакции F_ij;

известны: точка приложения силы - точка контакта рабочих профилей кинематической пары С_2вп;
направление вектора силы - контактная нормаль к профилям.

Рис. 4.6

Число связей в КП S ^пл = 1, подвижность звеньев в КП W^пл =2, число неизвестных при силовом расчете n_s = 1.

Силовой расчет типовых механизмов.

Постановка задачи силового расчета: для исследуемого механизма при известных кинематических характеристиках и внешних силах определить уравновешивающую силу или момент (управляющее силовое воздействие) и реакции в кинематических парах механизма.

Виды силового расчета:

• статический - для механизмов находящихся в покое или движущихся с малыми скоростями, когда инерционные силы пренебрежимо малы, или в случаях, когда неизвестны массы и моменты инерции звеньев механизма (на этапах, предшествующих эскизному проектированию); Уравнения статического равновесия:

• 
  где F_i - внешние силы, приложенные к механизму или его звеьям,
  M_i- внешние моменты сил, приложенные к механизму или его звеьям.
• кинетостатический - для движущихся механизмов при известных массах и моментах инерции звеньев, когда пренебрежение инерционными силами приводит к существенным погрешностям; Уравнения кинетостатического равновесия:

• 
  где F_иi-инерционные силы, приложенные к звеньям, M_иi-моменты сил инерции, приложенные к звеньям.
• кинетостатический с учетом трения - может быть проведен когда определены характеристики трения в КП и размеры элементов пар.