Методические указания конспект лекций по дисциплине «Прикладная механика и основы конструирования» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Донбасская государственная машиностроительная академия

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

конспект лекций по дисциплине

«ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ»

для студентов специальности АПП, ЭСА, ЛП

Утверждено

на заседании кафедры

«Основы конструирования

механизмов и машин»

Протокол № 11 от 23.06.09

Краматорск 2009

МОДУЛЬ 1 – «ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН»

ПМиОК – наука изучающая основные принципы проектирования механизмов и машин и методы их теоретического и экспериментального исследования.

Механизм – система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел, в требуемое движение других тел (часы, приборы).

Машина – это устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии материалов и информации, с целью облегчения или замены физического и умственного труда.

Машины: энергетические (двигатели), рабочие (краны), информационные (ЭВМ), кибернетические (искусственный интеллект).

Работа машины обычно сопровождается преобразованием движения одних тел в требуемое движение других.

Функции механизма:

преобразование движения одних или нескольких тел в требуемое движение других; трансформация силы; выполнение операций.

Структура и классификация механизмов

Деталь – отдельно изготовляемое твердое тело.

Звено – одна деталь или система жестко связанных друг с другом деталей (при этом имеется ввиду как твердое тело так и деформируемые и гибкие тела).

Механизмы изучаемые в курсе ТММ – кулачковые, зубчатые, рычажные.

Кинематическая пара – подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев.

Элементом пары называется совокупность поверхностей, линий и точек звена входящих в соприкосновение с другим звеном пары.

Низшие КП – если звенья контактируют по поверхности.

Высшие КП – если звенья контактируют по линии или в точке.

Рычажный механизм – это механизм, звенья которого образуют только низшие КП: вращательные, поступательные, цилиндрические и сферические. Плоский рычажный механизм может быть образован только из вращательных и поступательных пар.

Классификация КП по степени свободы

Свободное тело в пространстве имеет 6 степеней свободы. Под степенью свободы понимают возможность каждого из независимых, бесконечно малых перемещений. (3 поступательных и 3 вращательных).

Кинематическая пара накладывает на относительное движение, образующих ее звеньев некоторое число ограничений называемым условием связи КП.

Обозначим  H – число степеней свободы звена.

       K – число ограничений.

H+K=6;

1≤H≤5;

1≤K≤5.

КП по числу ограничений, которые пара накладывает на относительное движение ее звеньев, делят на 5 классов. Т. е. класс механизма определяется количеством ограничений.

Вращательная пара – это одноподвижная пара, которая допускает только одно вращательное движение одного звена относительно другого.

               

Поступательная пара – это одноподвижная пара, которая допускает только поступательное движение одного звена относительно другого.

               

Шар на плоскости. k=1 ⇒ H=6-k=5.

       I класс

Сферический шарнир k=3, H=6-k=3.

  III класс

Сферический шарнир с пальцем k=4, H=6-k=2;

  IV класс

Цилиндрическая пара k=4, H=2

        IV класс

Винтовая

  V класс

Пара V класса, так как из двух возможных относительных движений независимым является только 1.

Система звеньев образующих между собой КП называется кинематической цепью.

Кинематическая цепь: плоская и пространственная.

Плоской кинематической цепью называется цепь, в которой при закреплении одного из звеньев все другие совершают плоское движение в одной или параллельных плоскостях.

Кинематическая цепь: замкнутая и незамкнутая.

Механизм – такая кинематическая цепь, в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев относительно любого из них все остальные звенья совершают однозначно определенное движение.

Плоским называется механизм, все подвижные звенья которого совершают плоское движение в одной или в параллельных плоскостях.

Ведущими называются звенья к которым приложены силы, приводящие механизм в движение. Все остальные звенья называются ведомыми.

Входное звено – звено, которому сообщается заданное движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение других звеньев.

Выходное звено – звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм.

При схематическом изображении механизма на чертежах вместо конструктивного изображения КП и звеньев удобно ввести условное их изображение и представить механизм в виде кинематической или структурной схемы.

Кинематическая схема механизма – условное изображение построенное в определенном масштабе с точным соблюдением всех тех размеров и форм, от которых зависит взаимное движение звеньев механизма.

Главное отличие кинематической схемы от структурной в том, что она выполнена в масштабе.

Подвижность механизмов

Механизмы пространственные

Подвижность механизма это число степеней свободы всех подвижных звеньев механизма относительно стойки.

Подвижность механизма определяется для определения количества входных звеньев.

Обозначим        n – количество подвижных звеньев.

       pi – количество КП i-го класса.

               

W=6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1

В механизме могут встретиться местная подвижность и избыточная связи, которые не влияют на кинематику движения всего механизма.

Wм – местная подвижность

qu – избыточная связь.

Общая формула Сомова-Малышева: W=6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1-Wм+qu

Плоские механизмы

Звено в плоскости имеет 3 степени свободы. На все звенья плоского механизма еще до их объединения в пары наложены 3 общих ограничения.

Формула Чебышева: W=3n-2p5-p4-Wм+qu

Все пары V класса – это пары поступательные либо вращательные.

Манипуляторы

Манипулятором называется техническое устройство, предназначенное для воспроизведения рабочих функций рук человека

Первые конструкции манипуляторов не только по назначению, но и по внешнему виду напоминали руку человека. 0 – корпус; 1 – плечо; 2 – предплечье; 3 – кисть или захват; 4 – палец.

В дальнейшем появились более сложные манипуляторы и сходство с рукой человека стало утрачиваться, но сохранилось назначение – воспроизводить движения рук человека.

Основной механизм манипулятора – пространственный рычажный механизм с незамкнутой кинематической цепью и несколькими степенями свободы

В зависимости от типа управления манипулятора: ручное и автоматическое.

С ручным управлением оператор воздействует на звенья механизма механическим и дистанционным способом. С автоматическим управлением – по программе.

Привод манипулятора предназначен для приведения в движение звеньев манипулятора и передвижения самого робота.

В основном используют одноподвижные вращательные и поступательные КП.

Привод манипулятора бывает: электрический, механический, гидравлический, пневматический и комбинированный.

Электрический привод наиболее компактен и легок в эксплуатации и монтаже.

Пневматический привод применяется при небольшой грузоподъемности. Имеет низкую стоимость и сравнительно большой срок службы.

Гидропривод при большой грузоподъемности и при необходимости плавного изменения скорости.

Показатели манипулятора: маневренность, угол и коэффициент сервиса, число степеней свободы, рабочее пространство.

Определяем степень свободы по формуле Сомова-Малышева  W=6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1

Маневренность – число степеней свободы механизма при неподвижном фиксированном положении схвата. Обозначают – М.

М=6(n-1)-5p5-4p4-3p3-2p2-p1

Маневренность дает возможность звеньям манипулятора обходить препятствия или же располагаться в более удобной позиции при одном и том же положении схвата.

Рабочее пространство – пространство в котором может находится исполнительное устройство при функционировании манипулятора.

Принцип образования механизмов

Три типа рычажных механизмов: кривошипно-ползунный, кривошипно-кулисный, кривошипно-коромысловый.

Стойка – неподвижное звено. Всегда имеет номер 0.

Входное звено всегда обозначают номером 1.

Кривошип – звено, соединенное вращательной КП со стойкой и совершающее полный оборот вокруг своей оси. (Как правило, кривошип является входным звеном, если привод механизма от двигателя).