Совместимый механизм

В машиностроении — податливый механизм это гибкий механизм , который обеспечивает передачу силы и движения посредством упругой тела деформации . Он частично или полностью получает свое движение за счет относительной гибкости своих членов, а не только за счет суставов твердого тела . Это могут быть монолитные (цельные) или бесшовные конструкции. Некоторыми распространенными устройствами, в которых используются совместимые механизмы, являются защелки рюкзака и скрепки для бумаг. Одним из старейших примеров использования податливых структур является лук и стрелы . ^[1] Податливые механизмы, изготовленные в плоскости, движение которых выходит из этой плоскости, известны как механизмы возникновения пластинок или LEM.

Методы проектирования

Разработка совместимых механизмов продолжает оставаться активной областью исследований в середине 2020-х годов. ^[2] Для проектирования соответствующих механизмов было разработано множество методов, в основном разделенных на две категории: ^[3]

Кинематические подходы

Кинематический синтез рассматривает податливые механизмы как дискретные комбинации жестких и податливых элементов.

Модель псевдожесткого тела

Самый ранний кинематический подход основан на модели псевдотвердого тела механизма. ^[1] В этой модели гибкие сегменты моделируются как жесткие звенья, соединенные с вращающимися шарнирами с помощью торсионных пружин . Другие конструкции можно смоделировать как комбинацию жестких связей, пружин и демпферов . ^[3]^[4]

Проектирование на основе ограничений

В топологии свободы и ограничений (FACT) и синтезе на основе винтовой теории базовые податливые элементы сначала определяются и анализируются по степени их ограничений, прежде чем использоваться для построения сложных податливых механизмов.

Подход структурной оптимизации

Эти подходы рассматривают всю структуру механизма как один соответствующий орган. вычислительные методы используются Для оптимизации топологии конструкции . Вводятся ожидаемая нагрузка , желаемое движение и передача силы, и система оптимизируется по весу, точности и минимальным нагрузкам . Более продвинутые методы сначала оптимизируют базовую конфигурацию связи, а затем оптимизируют топологию вокруг этой конфигурации. ^{[ нужна ссылка ]} Другие методы оптимизации направлены на оптимизацию топологии изгибных соединений, принимая в качестве входных данных жесткий механизм и заменяя все жесткие соединения оптимизированными изгибными соединениями. ^[4] Чтобы спрогнозировать поведение конструкции, анализ напряжений методом конечных элементов проводится , чтобы найти деформации и напряжения во всей конструкции.

Преимущества

Соответствующие структуры часто создаются как альтернатива аналогичным механизмам, состоящим из нескольких частей. Использование совместимых механизмов имеет два основных преимущества:

Низкая стоимость: соответствующий механизм обычно можно изготовить в виде единой конструкции, что значительно упрощает количество необходимых деталей. ^{[ нужна ссылка ]} Цельная совместимая конструкция может быть изготовлена, среди прочего, с помощью литья под давлением, экструзии и 3D-печати. Это делает производство относительно дешевым и доступным. ^[1]
Повышенная эффективность: совместимые механизмы не страдают от некоторых проблем, свойственных многокорпусным механизмам, таких как люфт или поверхностный износ. Благодаря использованию гибких элементов податливые механизмы могут легко накапливать энергию для последующего высвобождения или преобразования в другие формы энергии. ^[1]

Недостатки

Полный диапазон механизма зависит от материала и геометрии конструкции; из-за природы сгибаемых суставов ни один чисто податливый механизм не может обеспечить непрерывное движение, такое как в нормальном суставе. Кроме того, силы, прикладываемые механизмом, ограничены нагрузками, которые элементы конструкции могут выдержать без разрушения. Из-за формы изгибных соединений они, как правило, являются местами концентрации напряжений. Это, в сочетании с тем фактом, что механизмы имеют тенденцию совершать циклические или периодические движения, может вызвать усталость и возможный выход из строя конструкции. Кроме того, поскольку некоторая или вся входная энергия сохраняется в конструкции в течение некоторого времени, не вся эта энергия высвобождается обратно должным образом. Однако это может быть желательным свойством для добавления демпфирования в систему. ^[1]

Приложения

Некоторые из самых старых применений податливых структур насчитывают несколько тысячелетий. Одним из древнейших примеров является лук и стрелы. В некоторых конструкциях катапульт также использовалась гибкость руки для накопления и высвобождения энергии для запуска снаряда на большие расстояния. ^[1] Совместимые механизмы используются в различных областях, таких как адаптивные структуры и биомедицинские устройства. Податливые механизмы можно использовать для создания самоадаптивных механизмов , обычно используемых для захвата в робототехнике. ^[5]^[6] Поскольку роботы требуют высокой точности и имеют ограниченный радиус действия, были проведены обширные исследования соответствующих механизмов роботов. Микроэлектромеханические системы являются одним из основных применений податливых механизмов. Преимуществом этих систем является отсутствие необходимой сборки и простая плоская форма конструкции, которую можно легко изготовить с помощью фотолитографии . ^[7]

или из примеров является гибкий привод упругий привод , часто используемый для соединения электродвигателя Одним с машиной (например, насосом ). Привод состоит из резинового «паука», зажатого между двумя металлическими собачками . Одна собачка прикреплена к валу двигателя , а другая к валу насоса. Гибкость резиновой части компенсирует любое незначительное смещение между двигателем и насосом. См. тряпичный сустав и губо . ^{[ нужна ссылка ]}

Галерея изображений

Робот для лазерной сварки позиционирует заготовки с помощью совместимого механизма между столом и приспособлением.
Соответствующий механизм диафрагмы – закрытый
Совместимый механизм диафрагмы – открытый
Совместимый клип
Бистабильный механизм переключения

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хауэлл, Ларри (2013). Хауэлл, Ларри Л; Мэглби, Спенсер П; Олсен, Брайан М. (ред.). Справочник по механизмам обеспечения соответствия . Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания. п. 300. дои : 10.1002/9781118516485 . ISBN 9781119953456 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Ли, Чэнлинь; Чен, Ши-Чи (1 мая 2023 г.). «Проектирование соответствующих механизмов на основе соответствующих строительных элементов. Часть I: Принципы». Точное машиностроение . 81 : 207–220. doi : 10.1016/j.precisioneng.2023.01.006 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Альбанези, Алехандро Э.; Фачинотти, Виктор Д.; Пучета, Мартин А. (ноябрь 2010 г.). «Обзор методов проектирования совместимых механизмов» . Вычислительная механика . 29 :59–72.
^ Перейти обратно: ^а ^б Мегаро, Витторио; Цендер, Йонас; Бэхер, Мориц; Корос, Стелиан; Гросс, Маркус; Томасжевский, Бернхард (2017). «Инструмент вычислительного проектирования совместимых механизмов». Транзакции ACM с графикой . 36 (4): 1–12. дои : 10.1145/3072959.3073636 . S2CID 3361104 .
^ Дориа, Марио; Бирглен, Лайонел (17 марта 2009 г.). «Дизайн малоприводного эластичного захвата для хирургии с использованием нитинола» (PDF) . Журнал медицинского оборудования . 3 (1): 011007–011007–7. дои : 10.1115/1.3089249 . ISSN 1932-6181 .
^ Хартиш, Ричард Матиас; Ханингер, Кевин (20 января 2023 г.). «Захват с эффектом плавных лучей для высокоскоростной роботизированной сборки электрических компонентов». arXiv : 2301.08431 [ cs.RO ].
^ Хауэлл, Ларри Л. (2001). Соответствующие механизмы (1-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. стр. 15–18. ISBN 047138478X .

Внешние ссылки

Почему машины, которые сгибаются, лучше – на YouTube видео от Veritasium
[1] – видео на YouTube – Инструмент вычислительного проектирования совместимых механизмов от Disney Research Hub
[2] - Исследование механизмов соответствия BYU
Совместимый захват Finray для высокоскоростной роботизированной сборки электрических вилок – на YouTube видео

[:2-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хауэлл, Ларри (2013). Хауэлл, Ларри Л; Мэглби, Спенсер П; Олсен, Брайан М. (ред.). Справочник по механизмам обеспечения соответствия . Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания. п. 300. дои : 10.1002/9781118516485 . ISBN 9781119953456 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[2] Ли, Чэнлинь; Чен, Ши-Чи (1 мая 2023 г.). «Проектирование соответствующих механизмов на основе соответствующих строительных элементов. Часть I: Принципы». Точное машиностроение . 81 : 207–220. doi : 10.1016/j.precisioneng.2023.01.006 .

[review-3] Перейти обратно: ^а ^б Альбанези, Алехандро Э.; Фачинотти, Виктор Д.; Пучета, Мартин А. (ноябрь 2010 г.). «Обзор методов проектирования совместимых механизмов» . Вычислительная механика . 29 :59–72.

[:3-4] Перейти обратно: ^а ^б Мегаро, Витторио; Цендер, Йонас; Бэхер, Мориц; Корос, Стелиан; Гросс, Маркус; Томасжевский, Бернхард (2017). «Инструмент вычислительного проектирования совместимых механизмов». Транзакции ACM с графикой . 36 (4): 1–12. дои : 10.1145/3072959.3073636 . S2CID 3361104 .

[5] Дориа, Марио; Бирглен, Лайонел (17 марта 2009 г.). «Дизайн малоприводного эластичного захвата для хирургии с использованием нитинола» (PDF) . Журнал медицинского оборудования . 3 (1): 011007–011007–7. дои : 10.1115/1.3089249 . ISSN 1932-6181 .

[6] Хартиш, Ричард Матиас; Ханингер, Кевин (20 января 2023 г.). «Захват с эффектом плавных лучей для высокоскоростной роботизированной сборки электрических компонентов». arXiv : 2301.08431 [ cs.RO ].

[7] Хауэлл, Ларри Л. (2001). Соответствующие механизмы (1-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. стр. 15–18. ISBN 047138478X .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]