Упругие механизмы

Sergey_engineer
Идет загрузка
Загрузка
30.11.2019
4210
16
печатает на WANHAO DUPLICATOR I3 MINI
Применение

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

38

Есть очень интересный класс механизмов, которые в англоязычной научной литературе называются Compliant mechanisms. Какого-либо официального или хотя бы неофициально устоявшегося перевода на русский я не нашел. Про эти механизмы нет даже русскоязычной страницы в Википедии. Поэтому, на основании определения, которое дает англоязычная Википедия, я бы назвал их «Упругие механизмы».

Работа этих механизмов основывается на способности материалов упруго деформироваться. Ларри Хауэлл (Larry Howell), изучающий и разрабатывающий упругие механизмы, относит к таковым предметы, показанные на рисунке. Лично я и половину из них с натяжкой назвал бы механизмами))

Все, что показано на этом рисунке объединяет то, что работоспособными их делает способность упруго деформироваться. Скрепки, которые держат стопку бумаги, создают давление на бумагу за счет упругих сил, возникающих в материале. Черная защелка и красная крышка от бутылки кетчупа защелкиваются и закрываются упруго деформируясь. 

Если бы этого не было, то они бы просто ломались уже при первом или втором срабатывании. Либо их вообще бы невозможно было согнуть.

Все эти предметы выглядят не так уж интересно. Поэтому далее я покажу несколько механизмов, к которым, как правило, и применяется термин «Упругие механизмы». Начнем с одного из самых простых и наглядных. Это двухпозиционный переключатель, показанный на фото.

На фото переключатель показан в двух возможных положениях. Как вы поняли, весь переключатель это одна напечатанная деталь. Печатался он материалом FLEX, как и все механизмы, описанные ниже. На следующей картинке показана схема переключателя и 3D-модель. 

Глядя на них, можно увидеть основные принципы создания упругих механизмов:

- как правило, весь механизм выполнен в виде одной цельной детали (это делает их особенно привлекательными в свете применения 3D-печати);

- шарниры и другие подвижные сопряжения заменяются элементами малой жесткости (как правило, это тонкие перемычки).

- размеры механизма и углы поворота отдельных его частей должны подбираться так, чтобы деформации не выходили за пределы упругих.

На данном видео демонстрируется работа двухпозиционного переключателя:

Здесь небольшое отступление. Возможно, не все знают, что деформации делятся на упругие и пластические. Упругие деформации – это такие деформации, которые полностью исчезают после снятия нагрузки. А пластические – остаются даже после снятия нагрузки. Например: у нас есть ровный кусок проволоки. Давайте его согнем руками, взявшись за концы. Если, после того как мы его отпустим, кусок проволоки вернется к изначальному прямому положению, то это будет означать, что деформации были только упругими. А если же проволока так и останется согнутой, значит, она деформировалась пластически.

Далее можно сказать об основных преимуществах упругих механизмов:

- зачастую весь механизм это одна деталь, что опрощает сборку (остается только установить механизм на его рабочее место);

- из первого пункта следует, что в самом механизме полностью отсутствуют люфты;

- высокая степень повторяемости перемещений отдельных звеньев механизма;

- возможность создания механизмов микроскопических размеров.

Пример последнего преимущества можно увидеть на этой картинке:

К недостаткам можно отнести:

- отсутствие возможности передавать бесконечное вращение;

- сложность их проектирования и анализа.

После того как был смоделирован и распечатан переключатель, стало интересно попробовать сделать еще что-нибудь. И здесь мне на помощь пришел широко известный в кругах инженеров справочник Ивана Ивановича Артоболевского «Механизмы в современной технике» [1]. Пусть вас не вводит в заблуждение название многотомника 1979 года. Хотя даже до сих пор многое из этих справочников актуально и применимо. Кто не знаком с этим справочником, очень рекомендую.

Упругих механизмов в этом справочнике нет, но я решил пойти своим путем. Особое внимание я уделил разделу шарнирно-рычажных механизмов из первого тома. Все механизмы в справочнике пронумерованы по порядку, поэтому, помимо названия, я буду указывать номер механизма из справочника Артоболевского.

Начнем с механизма № 615 «Шарнирно-рычажный четырехзвенный прямолинейно направляющий механизм Чебышева». Кинематическая схема исходного механизма и модель для распечатки упругого механизма показаны на рисунке.

Суть работы механизма в том, что при вращении звена 1 точка А на некотором участке будет приближенно двигаться по прямой, показанной пунктиром. При этом в перпендикулярном к пунктирной линии направлении механизм не позволяет сместить точку А. Проверим, на сколько это будет выполняться для упругого механизма. Распечатанная модель была шарнирно закреплена на дощечке и проверена на работоспособность.

На данном видео демонстрируется работа механизма Чебышева:

Мои ожидания оправдались. Упругий механизм ведет себя аналогично классическому шарнирному. Только отмечу, что из-за того, что печать велась флексом механизму недостает жесткости при попытке сместить точку А перпендикулярно пунктирной линии.

Следующий механизм № 623 «Шарнирно-рычажный четырехзвенный прямолинейно направляющий механизм Робертса». Кинематическая схема и модель на рисунке.

Суть работы механизма в том, что при вращении любой из боковых качалок точка А будет приближенно двигаться по прямой, показанной пунктиром. Дополнительно, в процессе отрисовки кинематики, я обнаружил еще два положения, в которых механизм Робертса может воспроизводить движение по прямой. Эти положения показаны на следующем рисунке в виде двух наклонных пунктирных линий.

На рисунке показано положение элементов механизма при движении по одной из наклонных линий. При движении по другой – механизм будет выглядеть зеркально. Фото напечатанного механизма Робертса:

На данном видео демонстрируется работа механизма Робертса:

При изучении работ, посвященных упругим механизмам, меня заинтересовала эта статья [2]. В ней описывается методика проектирования упругих механизмов. И мне захотелось сделать по этой методике что-нибудь простенькое. Сейчас расскажу что получилось, а заодно и будет наглядно виден алгоритм проектирования. В качестве исходных данных нужно задаться входными и выходными точками и направлениями действия нагрузок (перемещений) в них. Для своего механизма я выбрал следующую схему:

 

Точка А – это вход механизма, точка Б – выход. Суть работы будущего механизма должна быть такой: мы перемещаем точку А в направлении стрелки и, как результат, точка Б должна сместиться в направлении своей стрелки. На первый взгляд кажется, что решение очевидно и будет выглядеть так:

 

Да, это будет верным решением, если нет дополнительных ограничений. Допустим, что к исходным данным добавляется область, в которой мы не можем ничего разместить. К примеру, наш механизм нужно вставить в какое-либо устройство, в котором не так уж много свободного места:

Заштрихованный квадрат – это область, в которой мы не можем размещать элементы механизма. Тогда, в соответствии с методикой из работы [2] мы можем соединить точки вот так:

Далее требуется добавить связи к точкам А и Б, чтобы они двигались только в указанных стрелками направлениях:

Механизм уже почти работоспособен. Далее требуется добавить связь в точке С так, чтобы она не могла двигаться горизонтально:

Такая схема уже оказалась полностью работоспособной. На основе полученной кинематики моделируем упругую версию и распечатываем.

Далее я, ради интереса, прибавлял и убирал дополнительные связи и звенья в этот механизм, а также менял углы наклона связей. В итоге получился вот такой механизм с одной интересной особенностью.

Как и предыдущий, он точно также передает движение от точки А к точке Б. Но особенность в том, что он передает движение только в одну сторону. Если попытаться передать движение наоборот от точки Б к точке А, то на выходе мы ничего не получим, точка А останется неподвижной. Это получилось за счет несимметричного расположения связей в точках В и Г:

На данном видео демонстрируется работа спроектированных механизмов:

На этом пока все.

1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Справочное пособие. В 7 томах. Т. 1: Элементы механизмов. Простейшие рычажные и шарнирно-рычажные механизмы. – 2-е изд., переработанное. – М.; «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1979, - 496 с.

2. Krishnan G., Kim C., Kota S. Building block method: a bottom-up modular synthesis methodology for distributed compliant mechanisms // Mechanical Sciences, №3, –2012, p.15-23.

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

38
Комментарии к статье

Комментарии

30.11.2019 в 21:50
2

Я бы назвал это однокомпонентные упругие механизмы. Поскольку в других решениях на этом же принципе - используюся узлы из нескольких деталей.

01.12.2019 в 03:37
1

Спасибо, всё правильно, полезно и интересно.

Добавлю лишь ещё одну особенность упругих шарниров: отсутствие трение покоя. Где обычный подшипник скольжения или даже качения сначала поупирается, и только с некоторого усилия рывком сдвинется с места, упругий сразу начнёт отклоняться от малейшего усилия.

01.12.2019 в 18:00
1

Кстати серийный пример упругого механизма с КДПВ может увидеть любой желающий, разобрав обычный микрик. Хоть концевик от принтера, хоть кнопку из мышки. Там главная часть — хитрая пружинка, которая характерным щелчком резко замыкает-размыкает контакты, даже если нажимать на саму кнопку очень-очень медленно. Причём даёт хорошую повторяемость, щёлкая всегда ровно на определённом усилии, через что тот концевик имеет неплохую точность.

01.12.2019 в 18:15
0

Да, такой переключатель вполне можно рассматривать как пример. Пример будет еще нагляднее, если упругая пластина из этого переключателя была выполнена как одно целое с одним из контактов. Сейчас посмотрел устройство таких переключателей - как я понял, пластина - это отдельная деталь.

02.12.2019 в 06:25
0

Спасибо. В этом видео Дерек как раз берет интервью у Ларри Хауэлла - самого известного на просторах интернета специалиста по таким механизмам. В одной из его презентаций даже находил описание секрета слона с неподвижным хоботом)))

02.12.2019 в 08:12
2

 На синге у них довольно интересная подборка моделей: https://www.thingiverse.com/BYU_CMR/designs

02.12.2019 в 15:24
0

Только вчера такую хрень сломал, теперь хоть знаю, что это был упругий механизм..


02.12.2019 в 18:37
0

Это какая-то защелка?

02.12.2019 в 22:36
0

Да, фиксатор топливного шланга. Фото не мое, со странички https://www.drive2.ru/l/6396429/ , там объясняется для чего он нужен.

04.12.2019 в 19:18
1

Полезный материал! Вот такой бы в школе давать.

04.12.2019 в 19:30
0

Да, что-то подобное вполне можно давать старшеклассникам на уроках физики в разделе механики для разогрева интереса. Если же изучать подобные механизмы глубже, то без термеха будет сложно.

05.12.2019 в 14:09
0

зачёт. Палец вверх.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Sirius Hardlight - Принтер который вы искали

Печатаем гибкую, эластичную, мягкую деталь полимерником

КОМПАС-3D v18 Home. Основы 3D-проектирования. Часть 16.3. Создание игрушечного паровоза. Крыша и тележка паровоза

Boot or not to boot или ректальная реанимация MKS TFT32.

Контейнеры для филамента, которые я использую.

Спасение новогодней елки