Соответствующий механизм

Механизм, передающий силу посредством упругой деформации тела

В машиностроении податливый механизм — это гибкий механизм , который обеспечивает передачу силы и движения посредством упругой деформации тела . Он получает часть или все свое движение от относительной гибкости своих элементов, а не только от жестких соединений тела . Они могут быть монолитными (цельными) или бесшарнирными конструкциями. Некоторые распространенные устройства, которые используют податливые механизмы, — это защелки для рюкзаков и скрепки для бумаг. Одним из старейших примеров использования податливых структур является лук и стрела . ^[1] Податливые механизмы, изготовленные в плоскости, которые имеют движение, исходящее из указанной плоскости, известны как пластинчатые механизмы или ЛЭМ.

Методы проектирования

Проектирование совместимых механизмов продолжает оставаться активной областью исследований в середине 2020-х годов. ^[2] Было разработано много методов для проектирования совместимых механизмов, в целом, в двух категориях: ^[3]

Кинематические подходы

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

Модель псевдотвердого тела

Самый ранний кинематический подход основан на модели механизма псевдожесткого тела . ^[1] В этой модели гибкие сегменты моделируются как жесткие звенья, соединенные с вращательными соединениями с помощью торсионных пружин . Другие структуры могут быть смоделированы как комбинация жестких звеньев, пружин и амортизаторов . ^[3]^[4]

Проектирование на основе ограничений

В топологии свободы и ограничений (FACT) и синтезе на основе теории винтов сначала определяются и анализируются основные совместимые элементы по степени их ограничений, а затем они используются для построения сложных совместимых механизмов.

Подход структурной оптимизации

Эти подходы рассматривают всю структуру механизма как одно податливое тело. Вычислительные методы используются для оптимизации топологии структуры. Ожидаемая нагрузка и желаемое движение и передача силы являются входными данными, и система оптимизируется для веса, точности и минимальных напряжений . Более продвинутые методы сначала оптимизируют базовую конфигурацию связей, а затем оптимизируют топологию вокруг этой конфигурации. ^{[ необходима цитата ]} Другие методы оптимизации фокусируются на оптимизации топологии гибких соединений, принимая в качестве входных данных жесткий механизм и заменяя все жесткие соединения оптимизированными гибкими соединениями. ^[4] Чтобы предсказать поведение структуры, выполняется анализ напряжений методом конечных элементов для поиска деформации и напряжений по всей структуре.

Преимущества

Совместимые структуры часто создаются как альтернатива аналогичным механизмам, которые используют несколько частей. Существует два основных преимущества использования совместимых механизмов:

Низкая стоимость: совместимый механизм обычно может быть изготовлен в виде единой конструкции, что значительно упрощает количество требуемых деталей. ^{[ требуется ссылка ]} Цельная совместимая конструкция может быть изготовлена посредством литья под давлением, экструзии и 3D-печати, среди прочих методов. Это делает производство относительно дешевым и доступным. ^[1]
Лучшая эффективность: совместимые механизмы не страдают от некоторых проблем, которые влияют на многокомпонентные механизмы, такие как люфт или износ поверхности. Благодаря использованию гибких элементов совместимые механизмы могут легко сохранять энергию для высвобождения в более позднее время или преобразования в другие формы энергии. ^[1]

Недостатки

Полный диапазон механизма зависит от материала и геометрии конструкции; из-за природы гибких соединений ни один чисто податливый механизм не может достичь непрерывного движения, как в обычном соединении. Кроме того, силы, прилагаемые механизмом, ограничены нагрузками, которые структурные элементы могут выдержать без отказа. Из-за формы гибких соединений они, как правило, являются местами концентрации напряжений. Это, в сочетании с тем фактом, что механизмы имеют тенденцию выполнять циклическое или периодическое движение, может вызвать усталость и возможный отказ конструкции. Кроме того, поскольку часть или вся входная энергия хранится в конструкции в течение некоторого времени, не вся эта энергия высвобождается обратно, как хотелось бы. Однако это может быть желательным свойством для добавления демпфирования в систему. ^[1]

Приложения

Некоторые из самых старых применений податливых структур датируются несколькими тысячелетиями. Одним из самых старых примеров является лук и стрела. Некоторые конструкции катапульт также использовали гибкость руки для хранения и высвобождения энергии для запуска снаряда на большие расстояния. ^[1] Податливые механизмы используются в различных областях, таких как адаптивные структуры и биомедицинские устройства. Податливые механизмы могут использоваться для создания самоадаптирующихся механизмов , обычно используемых для захвата в робототехнике. ^[5]^[6] Поскольку роботы требуют высокой точности и имеют ограниченный диапазон, были проведены обширные исследования податливых механизмов роботов. Микроэлектромеханические системы являются одним из основных применений податливых механизмов. Эти системы выигрывают от отсутствия необходимой сборки и простой плоской формы структуры, которую можно легко изготовить с помощью фотолитографии . ^[7]

Гибкий привод или упругий привод , часто используемый для соединения электродвигателя с машиной (например, насосом ), является одним из примеров. Привод состоит из резинового «паука», зажатого между двумя металлическими собачками . Одна собачка закреплена на валу двигателя, а другая — на валу насоса. Гибкость резиновой части компенсирует любое небольшое несоосность между двигателем и насосом. См. rag joint и giubo . ^[^{требуется цитата}^]

Галерея изображений

Лазерный сварочный робот позиционирует заготовки с помощью соответствующего механизма между столом и приспособлением.
Совместимый механизм Iris – закрытый
Совместимый механизм Iris – открытый
Соответствующий клип
Бистабильный совместимый механизм переключения

Смотрите также

Ссылки

^ abcdef Хауэлл, Ларри (2013). Хауэлл, Ларри Л.; Маглби, Спенсер П.; Олсен, Брайан М. (ред.). Справочник по совместимым механизмам . Чичестер, Западный Суссекс, Соединенное Королевство. стр. 300. doi :10.1002/9781118516485. ISBN 9781119953456.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Ли, Чэнлинь; Чэнь, Ши-Чи (1 мая 2023 г.). «Проектирование совместимых механизмов на основе совместимых строительных элементов. Часть I: Принципы». Precision Engineering . 81 : 207–220 . doi :10.1016/j.precisioneng.2023.01.006.
^ аб Альбанези, Алехандро Э.; Фачинотти, Виктор Д.; Пучета, Мартин А. (ноябрь 2010 г.). «Обзор методов проектирования совместимых механизмов». Механика вычислений . 29 : 59–72 .
^ ab Megaro, Vittorio; Zehnder, Jonas; Bächer, Moritz; Coros, Stelian; Gross, Markus; Thomaszewski, Bernhard (2017). «Вычислительный инструмент проектирования для совместимых механизмов». ACM Transactions on Graphics . 36 (4): 1– 12. doi :10.1145/3072959.3073636. S2CID 3361104.
^ Дориа, Марио; Бирглен, Лайонел (2009-03-17). «Проектирование недостаточно активного податливого захвата для хирургии с использованием нитинола» (PDF) . Журнал медицинских приборов . 3 (1): 011007–011007–7. doi :10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181.
^ Хартиш, Ричард Маттиас; Ханингер, Кевин (2023-01-20). «Соответствующий захват с эффектом финрея для высокоскоростной роботизированной сборки электрических компонентов». arXiv : 2301.08431 [cs.RO].
^ Хауэлл, Ларри Л. (2001). Compliant Mechanisms (1-е изд.). США: John Wiley & Sons. стр. 15–18 . ISBN 047138478X.

Внешние ссылки

Почему машины, которые гнутся, лучше – видео на YouTube от Veritasium
[1] - Видео YouTube - Вычислительный инструмент проектирования совместимых механизмов от Disney Research Hub
[2] - Исследования механизмов, соответствующих требованиям BYU
Соответствующий требованиям Finray захват для высокоскоростной роботизированной сборки электрических вилок – видео на YouTube

[:2-1] Хауэлл, Ларри (2013). Хауэлл, Ларри Л.; Маглби, Спенсер П.; Олсен, Брайан М. (ред.). Справочник по совместимым механизмам . Чичестер, Западный Суссекс, Соединенное Королевство. стр. 300. doi :10.1002/9781118516485. ISBN 9781119953456.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

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

[review-3] аб Альбанези, Алехандро Э.; Фачинотти, Виктор Д.; Пучета, Мартин А. (ноябрь 2010 г.). «Обзор методов проектирования совместимых механизмов». Механика вычислений . 29 : 59–72 .

[:3-4] Megaro, Vittorio; Zehnder, Jonas; Bächer, Moritz; Coros, Stelian; Gross, Markus; Thomaszewski, Bernhard (2017). «Вычислительный инструмент проектирования для совместимых механизмов». ACM Transactions on Graphics . 36 (4): 1– 12. doi :10.1145/3072959.3073636. S2CID 3361104.

[5] Дориа, Марио; Бирглен, Лайонел (2009-03-17). «Проектирование недостаточно активного податливого захвата для хирургии с использованием нитинола» (PDF) . Журнал медицинских приборов . 3 (1): 011007–011007–7. doi :10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181.

[6] Хартиш, Ричард Маттиас; Ханингер, Кевин (2023-01-20). «Соответствующий захват с эффектом финрея для высокоскоростной роботизированной сборки электрических компонентов». arXiv : 2301.08431 [cs.RO].

[7] Хауэлл, Ларри Л. (2001). Compliant Mechanisms (1-е изд.). США: John Wiley & Sons. стр. 15–18 . ISBN 047138478X.