Bağlantı (mekanik) - Linkage (mechanical) - Wikipedia

Değişken stroklu motor (Autocar El Kitabı, Dokuzuncu baskı)

Bir mekanik bağlantı kuvvetleri ve hareketi yönetmek için birbirine bağlı bir cisim grubudur. Bir cismin veya bağlantının hareketi geometri kullanılarak incelenir, bu nedenle bağlantının katı olduğu kabul edilir.^[1] Bağlantılar arasındaki bağlantılar örneğin ideal hareket, saf dönüş veya kaymayı sağlayacak şekilde modellenir ve eklemler olarak adlandırılır. Sert bağlantılar ve ideal eklemlerden oluşan bir ağ olarak modellenen bir bağlantıya, kinematik zincir.

Bağlantılar açık zincirlerden, kapalı zincirlerden veya açık ve kapalı zincirlerin bir kombinasyonundan yapılabilir. Bir zincirdeki her bir bağlantı, bir bağlantı ile bir veya daha fazla başka bağlantıya bağlanır. Böylece, bir kinematik zincir, bağlantıların yollar ve eklemlerin köşeler olduğu bir grafik olarak modellenebilir ve buna bağlantı grafiği denir.

Konuşlandırılabilir ayna bağlantısı, bir dizi eşkenar dörtgen veya makas bağlantısından yapılmıştır.

Genişletilmiş makaslı kaldırma

İdeal bir eklemin hareketi genellikle Öklid yer değiştirmeleri grubunun bir alt grubu ile ilişkilidir. Alt gruptaki parametrelerin sayısına özgürlük derecesi Eklemin (DOF): Mekanik bağlantılar genellikle belirli bir giriş kuvvetini ve hareketi istenen bir çıkış kuvveti ve hareketine dönüştürmek için tasarlanmıştır. Çıkış kuvvetinin giriş kuvvetine oranı olarak bilinir. mekanik avantaj Bağlantının, giriş hızının çıkış hızına oranı olarak bilinir. hız oranı. Hız oranı ve mekanik avantaj, ideal bir bağlantıda aynı sayıyı verecek şekilde tanımlanmıştır.

Bir bağlantının sabit veya sabit olduğu bir kinematik zincire mekanizma denir,^[2] ve sabit olacak şekilde tasarlanmış bir bağlantıya yapı.

Kullanımlar

Joystick uygulamaları için uzamsal 3 DOF bağlantısı.

Belki de en basit bağlantı, kaldıraç, bu bir etrafında dönen bir bağlantıdır dayanak noktası yere veya sabit bir noktaya bağlı. Bir kuvvet kolu döndürürken, dayanak noktasından uzaktaki noktalar dayanak noktasına yakın noktalardan daha büyük bir hıza sahiptir. Çünkü güç Kolun içine doğru güç çıkışı eşittir, dayanak noktasından uzak bir noktada (daha yüksek hızda) uygulanan küçük bir kuvvet, dayanak noktasına yakın bir noktada (daha az hızla) uygulanan daha büyük bir kuvvete eşittir. Kuvvetin yükseltildiği miktara denir mekanik avantaj. Bu kaldıraç yasasıdır.

Birine uygulanan kuvvetin ikinciye iletilmesi için bir çubukla bağlanan iki kaldıraç olarak bilinir. dört çubuklu bağlantı. Kollara denir kranklar ve dayanak noktalarına pivot denir. Bağlantı çubuğuna kuplör de denir. Bu montajdaki dördüncü çubuk, krankların monte edildiği zemin veya şasidir.

Bağlantılar önemli bileşenlerdir makineler ve araçlar. Örnekler, kuvveti yükseltmek için kullanılan dört çubuklu bağlantıdan cıvata kesici veya bağımsız sağlamak süspansiyon bir otomobilde, karmaşık bağlantı sistemlerine robotik kollar ve yürüme makineleri. İçten yanmalı motor onun oluşturduğu sürgülü krank dört çubuklu bağlantı kullanır piston, Bağlantı Çubuğu, ve krank mili gücü genişleyen yanan gazlardan döner güce dönüştürmek için. Nispeten basit bağlantılar genellikle karmaşık görevleri gerçekleştirmek için kullanılır.

Bağlantıların ilginç örnekleri şunları içerir: cam sileceği, bisiklet süspansiyonu, bacak mekanizması yürüyen bir makinede ve hidrolik aktüatörler için ağır ekipman. Bu örneklerde, bağlantıdaki bileşenler paralel düzlemlerde hareket eder ve düzlemsel bağlantılar. Üç boyutlu uzayda hareket eden en az bir bağlantıya sahip bir bağlantıya mekansal bağlantı. Robotik sistemlerin iskeletleri, mekansal bağlantıların örnekleridir. Bu sistemlerin geometrik tasarımı, modern Bilgisayar destekli tasarım yazılım.

Tarih

Arşimet^[3] kolun çalışmasına uygulanan geometri. 1500'lerde Arşimet'in işi ve İskenderiye Kahramanı makine teorisinin birincil kaynaklarıydı. Öyleydi Leonardo da Vinci makinelere ve mekanizmaya yaratıcı bir enerji getiren.^[4]

1700'lerin ortalarında buhar makinesi önemi artıyordu ve James Watt buharın genleşmesi ve yoğunlaşması için farklı silindirler kullanılarak verimin artırılabileceğini fark etti. Bu, bir krankın dönüşünü doğrusal bir kızağa dönüştürebilecek bir bağlantı arayışına yol açtı ve onun ne olduğunu keşfetmesiyle sonuçlandı. Watt bağlantısı. Bu, yaklaşık olarak bile olsa, düz çizgiler oluşturabilecek bağlantıların incelenmesine yol açtı; ve matematikçiye ilham verdi J. J. Sylvester kim ders verdi Peaucellier bağlantısı, dönen bir kranktan tam bir düz çizgi oluşturur.^[5]

Sylvester'ın eseri ilham aldı A. B. Kempe, belirli bir cebirsel eğriyi izleyen bir sistemde toplama ve çarpma için bağlantıların birleştirilebileceğini gösterdi.^[6] Kempe'nin tasarım prosedürü, geometri ve bilgisayar biliminin kesişme noktasındaki araştırmalara ilham verdi.^[7][8]

1800'lerin sonlarında F. Reuleaux, A. B. W. Kennedy ve L. Burmester kullanarak bağlantı sistemlerinin analizini ve sentezini resmileştirdi tanımlayıcı geometri, ve P. L. Chebyshev bağlantıların incelenmesi ve icat edilmesi için analitik teknikleri tanıttı.^[5]

1900'lerin ortalarında F. Freudenstein ve G. N. Sandor^[9] bir bağlantının döngü denklemlerini çözmek ve istenen bir işlev için boyutlarını belirlemek için yeni geliştirilen dijital bilgisayarı kullandı ve bağlantıların bilgisayar destekli tasarımını başlattı. Yirmi yıl içinde bu bilgisayar teknikleri, karmaşık makine sistemlerinin analizinin ayrılmaz bir parçasıydı.^[10][11] ve robot manipülatörlerinin kontrolü.^[12]

R. E. Kaufman^[13][14] bilgisayarın polinom denklemlerinin köklerini hızlı bir şekilde hesaplama becerisini, birleştirmek için grafik kullanıcı arabirimi ile birleştirdi Freudenstein'ın Reuleaux'nun geometrik yöntemleriyle teknikler ve Burmester ve form KINSYN, bağlantı tasarımı için etkileşimli bir bilgisayar grafik sistemi

Modern bağlantı çalışmaları, robotlarda, takım tezgahlarında ve kablo tahrikli ve gerginlik sistemlerinde görünen eklemli sistemlerin analizini ve tasarımını içerir. Bu teknikler aynı zamanda biyolojik sistemlere ve hatta proteinlerin incelenmesine de uygulanmaktadır.

Hareketlilik

Basit bağlantılar karmaşık hareketler üretebilir.

İdeal mafsallarla bağlanan bir rijit bağlantılar sisteminin konfigürasyonu, bir döner mafsal etrafındaki açılar ve bitişik bağlantılar arasında ölçülen prizmatik eklemler boyunca kaymalar gibi bir dizi konfigürasyon parametresi ile tanımlanır. Bağlantının geometrik kısıtlamaları, tüm konfigürasyon parametrelerinin minimum bir küme cinsinden hesaplanmasına izin verir. giriş parametreleri. Girdi parametrelerinin sayısına hareketlilikveya özgürlük derecesi, bağlantı sisteminin.

Bir sistem n uzayda hareket eden katı cisimler 6n sabit bir çerçeveye göre ölçülen serbestlik derecesi. Bu çerçeveyi gövde sayısına dahil edin, böylece hareketlilik sabit çerçeve seçiminden bağımsız olur, o zaman elimizde M = 6(N - 1), nerede N = n + 1, hareketli gövde sayısı artı sabit gövdedir.

Bu sistemde gövdeleri birbirine bağlayan bağlantılar, serbestlik derecelerini ortadan kaldırır ve hareketliliği azaltır. Spesifik olarak, menteşeler ve sürgülerin her biri beş kısıtlama getirir ve bu nedenle beş derecelik serbestliği kaldırır. Kısıtlamaların sayısını tanımlamak uygundur c eklemin özgürlüğü açısından bir eklemin dayattığı f, nerede c = 6 − f. Bir serbestlik derecesine sahip eklemler olan menteşe veya sürgü durumunda, f = 1 ve bu nedenle c = 6 − 1 = 5.

Böylece, oluşan bir bağlantı sisteminin hareketliliği n hareketli bağlantılar ve j her biri ile eklemler f_ben, ben = 1, ..., j, serbestlik dereceleri şu şekilde hesaplanabilir:

${ displaystyle M = 6n- toplam _ {i = 1} ^ {j} (6-f_ {i}) = 6 (N-1-j) + toplamı _ {i = 1} ^ {j} f_ {i},}$

nerede N sabit bağlantıyı içerir. Bu olarak bilinir Kutzbach-Grübler denklemi

İki önemli özel durum vardır: (i) basit bir açık zincir ve (ii) basit bir kapalı zincir. Basit bir açık zincir şunlardan oluşur: n bağlantılı bağlantıları uçtan uca taşıma j bir ucu toprak bağlantısına bağlı olan eklemler. Böylece, bu durumda N = j + 1 ve zincirin hareketliliği

${ displaystyle M = toplam _ {i = 1} ^ {j} f_ {i}.}$

Basit bir kapalı zincir için, n hareketli bağlantılar uçtan uca bağlanır n+1 eklemler öyle ki iki uç bir döngü oluşturan toprak bağlantısına bağlanır. Bu durumda bizde N=j ve zincirin hareketliliği

${ displaystyle M = toplam _ {i = 1} ^ {j} f_ {i} -6.}$

Basit bir açık zincire örnek bir seri robot manipülatördür. Bu robotik sistemler, altı adet bir serbestlik dereceli döner veya prizmatik eklemle birbirine bağlanan bir dizi bağlantıdan yapılmıştır, bu nedenle sistem altı derecelik serbestliğe sahiptir.

Basit bir kapalı zincire örnek, RSSR uzaysal dört çubuklu bağlantıdır. Bu eklemlerin serbestliklerinin toplamı sekizdir, bu nedenle bağlantının hareketliliği ikidir, burada serbestlik derecelerinden biri, iki S eklemini birleştiren çizgi etrafında bağlayıcının dönüşüdür.

Düzlemsel ve küresel hareket

Bağlantı hareketliliği

Kilitleme pense dört çubuklu, bir özgürlük derecesi mekanik bağlantı. Ayarlanabilir taban pivotu bunu iki serbestlik derecesine dönüştürür beş çubuklu bağlantı.

Bağlantı sistemini tasarlamak yaygın bir uygulamadır, böylece tüm cisimlerin hareketi paralel düzlemler üzerinde uzanacak şekilde sınırlandırılır, düzlemsel bağlantı. Bağlantı sistemini, tüm gövdelerin eşmerkezli küreler üzerinde hareket etmesini sağlayacak şekilde inşa etmek de mümkündür. küresel bağlantı. Her iki durumda da, bağlantının serbestlik derecesi şimdi altı yerine üçtür ve eklemlerin getirdiği kısıtlamalar artık c = 3 − f.

Bu durumda hareketlilik formülü şu şekilde verilir:

${ displaystyle M = 3 (N-1-j) + toplamı _ {i = 1} ^ {j} f_ {i},}$

ve özel durumlarımız var.

• düzlemsel veya küresel basit açık zincir,

${ displaystyle M = toplam _ {i = 1} ^ {j} f_ {i},}$

• düzlemsel veya küresel basit kapalı zincir,

${ displaystyle M = toplam _ {i = 1} ^ {j} f_ {i} -3.}$

Düzlemsel basit kapalı zincire bir örnek, dört adet bir serbestlik dereceli eklem içeren dört çubuklu bir döngü olan ve bu nedenle hareket kabiliyetine sahip olan düzlemsel dört çubuklu bağlantıdır.M = 1.

Eklemler

Bağlantı sistemleri için en bilinen bağlantılar, isyan veya menteşeli, bir R ile gösterilen eklem ve prizmatik veya bir P ile gösterilen kayma eklemi. Uzamsal bağlantılar için kullanılan diğer birçok eklem, döner ve prizmatik eklemlerin kombinasyonları olarak modellenmiştir. Örneğin,

• silindirik mafsal, döner ve prizmatik eklemlerin eksenleri paralel olacak şekilde inşa edilmiş bir RP veya PR seri zincirinden oluşur,
• evrensel bağlantı döner mafsalların eksenleri 90 ° 'lik bir açıyla kesişecek şekilde yapılandırılmış bir RR seri zincirinden oluşur;
• küresel eklem menteşeli eklem eksenlerinin her birinin aynı noktada kesiştiği bir RRR seri zincirinden oluşur;
• düzlemsel eklem, üç serbestlik derecesine sahip düzlemsel RRR, RPR ve PPR seri zinciri olarak inşa edilebilir.

Bağlantıların analizi ve sentezi

Bir bağlantının analizi için birincil matematiksel araç, sistemin kinematik denklemleri olarak bilinir. Bu, zemin çerçevesine göre yüzen bir bağlantıyı konumlandıran bağlantı içindeki bir seri zincir boyunca bir katı gövde dönüşümü dizisidir. Bu yüzen bağlantıyı toprağa bağlayan bağlantı içindeki her seri zincir, sistemin konfigürasyon parametreleri tarafından karşılanması gereken bir dizi denklem sağlar. Sonuç, girdi parametreleri için bir dizi değer için sistemin konfigürasyon parametrelerini tanımlayan bir dizi doğrusal olmayan denklemdir.

Freudenstein giriş parametreleri ve bağlantının konfigürasyonu arasında belirli bir ilişkiyi elde etmek için bir düzlemsel dört çubuklu bağlantının tasarımı için bu denklemleri kullanmak için bir yöntem sundu. Düzlemsel dört çubuklu bağlantı tasarımına başka bir yaklaşım, L. Burmester ve denir Burmester teorisi.

Düzlemsel tek serbestlik dereceli bağlantılar

Hareketlilik formülü, tek serbestlik dereceli bir bağlantı sağlayan düzlemsel bir bağlantıdaki bağlantıların ve eklemlerin sayısını belirlemenin bir yolunu sağlar. Düzlemsel bir bağlantının hareketliliğine ihtiyaç duyarsak M = 1 ve f_ben = 1, sonuç

${ displaystyle M = 3 (N-1-j) + j = 1, !}$

veya

${ displaystyle j = { frac {3} {2}} N-2. !}$

Bu formül, bağlantının çift sayıda bağlantıya sahip olması gerektiğini gösterir, bu nedenle

• N = 2, j = 1: bu, iki çubuklu bir bağlantıdır. kaldıraç;
• N = 4, j = 4: bu, dört çubuklu bağlantı;
• N = 6, j = 7: bu bir altı çubuklu bağlantı [Üç eklemi olan, üçlü bağlantılar adı verilen iki bağlantıya sahiptir ve bu bağlantıların nasıl bağlandığına bağlı olarak bu bağlantının iki topolojisi vardır. Watt topolojisinde, iki üçlü bağlantı bir eklem ile bağlanır. Stephenson topolojisinde iki üçlü bağlantı ikili bağlantılarla birbirine bağlanır;^[15]
• N = 8, j = 10: sekiz çubuklu bağlantının 16 farklı topolojisi vardır;
• N = 10, j = 13: 10 çubuklu bağlantı 230 farklı topolojiye sahiptir,
• N = 12, j = 16: 12 çubuk 6856 topolojiye sahiptir.

Sunkari ve Schmidt'i görün^[16] 14 ve 16 bar topolojilerinin sayısının yanı sıra iki, üç ve dört serbestlik derecesine sahip bağlantıların sayısı için.

Düzlemsel dört çubuklu bağlantı muhtemelen en basit ve en yaygın bağlantıdır. Bir giriş krank dönüşünü veya sürgü yer değiştirmesini bir çıkış dönüşüne veya sürgüye dönüştüren tek serbestlik dereceli bir sistemdir.

Dört çubuklu bağlantı örnekleri şunlardır:

• giriş krankının tamamen döndüğü ve çıkış bağlantısının ileri geri sallandığı krank külbütör;
• giriş krankının döndüğü ve çıkış sürgüsünün ileri geri hareket ettiği sürgü-krank;
• giriş krankının tamamen döndüğü ve çıkış krankını tamamen dönme hareketinde sürüklediği sürükle-bağlantı mekanizmaları.

Her bağlantıya atanmış bağlantı uzunluklarına sahip dört çubuklu bağlantı türleri - en kısa bağlantıyı inceleyin S ve en uzun bağlantı L bu mekanizmaların her biri.

Diğer ilginç bağlantılar

1 sen < 10.

• Pantograf (dört çubuk, iki DOF)
• Beş çubuk bağlantı genellikle iki bağlantı için iç içe geçme dişlilerine sahiptir ve bu da bir DOF bağlantısı oluşturur. Dört çubuklu bağlantılardan daha fazla tasarım esnekliği ile daha fazla güç aktarımı sağlayabilirler.
• Jansen'in bağlantısı sekiz çubuklu bacak mekanizması kinetik heykeltıraş tarafından icat edildi Theo Jansen.
• Klann bağlantısı bir oluşturan altı çubuklu bir bağlantıdır bacak mekanizması;
• Geçiş mekanizmaları, katlanabilecekleri ve kilitlenebilecekleri şekilde boyutlandırılmış dört çubuklu bağlantılardır. Geçiş konumları, hareketli bağlantılardan ikisinin eşdoğrusallığı ile belirlenir.^[17] Bağlantı, katlanmadan hemen önce bir mafsal konumuna ulaşacak şekilde boyutlandırılır. Yüksek mekanik avantaj, giriş krankının bağlantıyı geçiş konumunun ötesine itmeye yetecek kadar deforme etmesine izin verir. Bu, girişi yerinde kilitler. Kelepçe olarak geçiş mekanizmaları kullanılır.

Düz çizgi mekanizmaları

• James Watt'ın paralel hareket ve Watt bağlantısı
• Peaucellier-Lipkin bağlantısı, döner girişten mükemmel bir düz çizgi çıkışı oluşturan ilk düzlemsel bağlantı; sekiz çubuk, bir DOF.
• Bir Scott Russell bağlantısı, doğrusal hareketi girdiye dik bir çizgide (neredeyse) doğrusal harekete dönüştürür.
• Chebyshev bağlantısı, dört çubuklu bağlantıya sahip bir noktanın neredeyse düz hareketini sağlar.
• Hoekens bağlantısı, dört çubuklu bağlantıya sahip bir noktanın neredeyse düz hareketini sağlar.
• Sarrus bağlantısı, bir yüzeyin diğerine dik bir yönde hareketini sağlayan.
• Hart'ın tersi, kayan kılavuzlar olmadan mükemmel bir düz çizgi hareketi sağlar.^[18]

Biyolojik bağlantılar

Bağlantı sistemleri, hayvanlarda yaygın olarak dağılmıştır. Hayvanlardaki farklı bağlantı türlerine ilişkin en kapsamlı genel bakış Mees Muller tarafından sağlanmıştır,^[19] Biyolojik sistemler için özellikle uygun olan yeni bir sınıflandırma sistemi tasarladı. İyi bilinen bir örnek, çapraz bağlar diz.

Biyolojik ve mühendislik bağlantıları arasındaki önemli bir fark, döner çubukların biyolojide nadir olması ve ek mekanik kısıtlamalar nedeniyle (özellikle kan verme gerekliliği) genellikle teorik olarak yalnızca küçük bir aralıkta mümkün olmasıdır.^[20] Biyolojik bağlantılar sıklıkla Uysal. Genellikle bağlar tarafından bir veya daha fazla çubuk oluşturulur ve genellikle bağlar üç boyutludur. Birleştirilmiş bağlantı sistemleri, beş, altı ve hatta yedi çubuklu bağlantıların yanı sıra bilinmektedir.^[19] Dört çubuklu bağlantılar olsa da en yaygın olanıdır.

Bağlantılar, aşağıdaki gibi eklemlerde bulunabilir diz nın-nin dört ayaklılar, hock of koyun ve kafatası mekanizması kuşlar ve sürüngenler. İkincisi, birçok kuşta üst gaganın yukarı doğru hareketinden sorumludur.

Bağlantı mekanizmaları özellikle sıktır ve çok yönlüdür. kemikli balıklar, gibi Wrasses, sahip olan gelişti birçok uzman besleme mekanizmaları. Özellikle gelişmiş olan bağlantı mekanizmaları çene çıkıntısı. İçin emme beslemesi Ağzın koordineli olarak açılmasından ve bukkal boşluğun 3-D genişlemesinden bağlı dört çubuklu bir bağlantı sistemi sorumludur. Diğer bağlantılar sorumludur çıkıntı of premaksilla.

Bağlantılar ayrıca atın dizinde olduğu gibi, hayvanın aktif kas kasılması olmadan ayakta uyumasını sağlayan kilitleme mekanizmaları olarak da mevcuttur. İçinde pivot besleme Bazı kemikli balıklar tarafından kullanılan dört çubuklu bir bağlantı, ilk önce kafayı iki çubuğun hizalanmasıyla ventral olarak bükülmüş bir konumda kilitler. Kilitleme mekanizmasının serbest bırakılması, başı yukarı doğru iter ve ağzı 5–10 ms içinde ava doğru hareket ettirir.

Resim Galerisi

^[21][22][23]

• 

  1

• 

  0

• 

  Dört çubuklu bir bağlantının sabit ve hareketli merkez çubukları

• 

  Raf ve pinyonlu dört çubuklu bağlantı

• 

  RTRTR mekanizması

• 

  RTRTR mekanizması

• 

  Beş çubuklu dişli mekanizmaları

• 

  3B kaydırıcı-krank mekanizması

• 

  Hareketli Pinochio karakteri

• 
• 

  Crawford konik grafik

• 

  Dışa katlanır açılabilir mekanizma

• 

  İçe doğru katlanır açılabilir mekanizma

Ayrıca bakınız