CC BY
18
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
УДК 621.833
Р. П. ПОГРЕБНЯК1*
'"Каф. «Прикладна мехашка», Нацiональна металургшна академш Украши, пр. Гагаргна, 4, Днгпро, Укра!на, 49005, тел. +38 (056) 743 32 76, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-4685-1818
ПОВТОРЮВАН1 ЗВ'ЯЗКИ У СХЕМАХ СТРИЖНЬОВОГО ПОВЗУННО-ШАТУННОГО МЕХАН1ЗМУ ЗАХОПЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ
Мета. Робота мае за мету провести структурный аналiз захоплювального пристрою, який е механiзмом змшно! структури iз зовнiшнiми неутримуючими зв'язками. Також потрiбно визначити кiлькiсть повторю-ваних зв'язшв у внутрiшнiх i зовнiшнiх контурах схеми механiзму та з'ясувати способи !х зменшення. Методика. Досягнення поставлено! мети здiйснюеться засобами теорп механiзмiв i машин за допомогою ушверсально! структурно! теорi! Озолса для анатзу механiзму захвату як мехашзму iз внутрiшнiми i зовш-шнiми зв'язками. Результати. Проектування схем мехатчних захватних пристро!в рiдко передбачае етап структурного анал1зу i синтезу мехашзму. Надаеться перевага обов'язковим шнематичному та кшетостатич-ному розрахункам, компоновщ та конструюванню. Якщо структурний анатз i виконуеться, то найчастiше вш обмежуеться обчислюванням числа ступенiв свободи мехашзму. Десятиланковий стрижньовий механiзм захвату побудований на основi спареного паралелограмного кривошипно-повзунного механiзму з ведучим повзуном. Ведучий повзун впливае на шатуни, що з'еднанi коромислами зi станиною. На продовженш ша-тунiв шаршрно закрiпленi ланки, що мiстять затискш елементи захвата. Доданi дiади утворюють паралелог-рам i забезпечують плоскопаралельний рух затискних елементiв захвату. Структурний анал1з виконувався за схемами для двох сташв механiзму: до затиску об'екту i в станi затиснутого об'екта. Основш внутрiшнi структурнi параметри к1нематично! схеми: число ланок - 10, число з'еднань - 13, число контурiв - 4, рухо-мiсть - 1, к1льк1сть внутршшх повторюваних зв'язк1в - 11. Число зовшшшх зв'язк1в - 12, фактична рухо-мiсть механiзму - 1, робоча рухомють механiзму - 0, число втрачених рухомостей зовнiшнiх тш вiд дi! зов-нiшнiх зв'язшв - 6, к1льк1сть зовнiшнiх повторюваних зв'язшв - 5. Наукова новизна. Вперше проведений структурний аналiз спареного повзунно-шатунного мехашзму захоплювального пристрою як мехашзму змшно! структури з внутршшми та зовшшшми зв'язками. Виконаш поконтурний пошук, анал1з та усунення шюдливих повторюваних зв'язк1в у внутрiшнiх та зовшшньому контурах механiзму. Практична значимкть. Запропонованi практичнi рекомендац1! щодо змши рухливостей к1нематичних пар для зменшення шлькосп повторюваних зв'язк1в у внутршшх контурах та введення розвантажувального з'еднання у зовнiшнiй контур механiзму.
Ключовi слова: мехашчний захват; структурний аналiз; рухомiсть механiзму; повторювальнi зв'язки; зо-внiшнi зв'язки
Вступ
Робочий орган промислового робота, який призначений для захоплення й утримання об'екта машпулювання, називають захоплюва-льним (захватним, захватом) пристроем. Меха-шзми захват1в робот1в i ман1пулятор1в е окре-мими пристроями з шдивщуальним приводом. Кшематичш схеми захват1в не складш, мають невелику кшьюсть рухомих ланок, переважно з одшею рухомютю.
Основы переваги механ1зм1в без повторюваних зав'язюв [4, 8] наступи:
- таю мехашзми статично визначет й не мають додаткових реакцш, не викликаних д1ею зовшшнього корисного навантаження;
- вони не чутлив1 до пружних деформацш i незначного вщхилення розм1р1в ланок мехаш-зму i станини;
- легко збираються, не потребують шдгону й прироб^ки;
- у них рiдше утворюються зазори й менше зношування у кшематичних парах;
- мають вищу надшшсть i нижчу вартiсть експлуатаци.
Тому шд час проектування й модершзаци механiзмiв захватiв необхiдно закладати в !х конструкщю статично визначш схеми, оскшьки
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
за вшх iнших рiвних умов вони гарантують отримання бiльш ефективного мехашзму.
Механiзми захватiв мають змiнну структуру з рiзними основними параметрами схем, тому 1х аналiз проводять двiчi: до та пiсля затиску об'екта затискними елементами захвату, пiд час якого накладаються зовнiшнi зв'язки, серед них е неутримуючi [2]. Структурний аналiз окремих кулiсних механiзмiв захватiв виконаний у роботах [6, 7, 14].
Десятиланковий стрижньовий мехашзм захвату побудований на основi спареного парале-лограмного кривошипно-повзунного механiзму
3 ведучим повзуном. Ведучий повзун 1 (рис. 1, а) впливае на шатуни 2 i 6, що з'еднанi коромислами 3 i 7 зi станиною 0. На продов-женнi шатунiв шаршрно закрiпленi ланки 4 й 8, що мютять затискнi елементи захвату. Додаш дiади 4-5 та 8-9 утворюють паралелограм i за-безпечують плоскопаралельний рух затискних елеменлв захвату. Кiнематичний синтез мехашзму мае бути виконаний таким чином, що траекторiя точок на кшцях шатунiв 2 i 6 на пев-нiй дiлянцi руху описуе пряму лшю, а шатуни
4 й 8 здшснюють прямолiнiйний рух. Структурний аналiз i ращональний кiнематичний синтез стрижньового кулюного механiзму захвата виконаний у робот [7].
Рис. 1. Кшематична схема повзунно-шатунного мехашзму захвата Fig. 1. Kinematic scheme of the slider-crank mechanism of gripping device
Зазвичай вантажозахватнi паралелограмш механiзми мають пiдвищену вантажошдйом-шсть, i без спецiального профiлювання затиск-них елементiв об'ектом манiпулювання е деталi призматично1 форми.
Сьогоднi накопичений значний досвщ дос-лiдження й проектування рiзних схем i конс-трукцiй захваив рiзного призначення [1, 3, 5, 9, 11, 12, 15]. При цьому проектування схем ме-хашчних захватних пристро!в, на жаль, майже нiколи не передбачае етапу структурного анал> зу й синтезу мехашзму. Перевага надаеться обов'язковому кшематичному й кшетостатич-ному розрахункам, компонуванню й конструю-ванню [5, 9]. Якщо структурний аналiз i вико-нуеться, то найчаспше вiн обмежуеться обчис-люванням числа ступенiв свободи мехашзму, а для машпулятора в цшому ще й з'ясуванням його маневреность Найважливiший структурний параметр будь-якого мехашзму - наявшсть у схемi повторюваних (надлишкових) зв'язкiв -часто залишаеться не визначеним, а, отже, i не застосовано дiй щодо 1х зменшення.
Мета
Основна мета роботи - провести структурний аналiз повзунно-шатунного захоплюваль-ного пристрою, який е мехашзмом змiнноi структури iз зовнiшнiми неутримуючими зв'язками. Також потрiбно визначити кiлькiсть i розташування повторюваних зв'язкiв у внут-ршшх i зовнiшнiх контурах схеми мехашзму та з'ясувати способи 1х зменшення.
Методика
Досягнення поставлено! мети здшснюеться засобами теорii механiзмiв i машин за допомо-гою унiверсальноi структурно! теори Озолса для аналiзу мехашзму захвата як мехашзму iз внутршшми i зовнiшнiми зв'язками.
Результати
Складний структурний аналiз iз визначен-ням повторювальних зав'язкiв (ПЗ) зручно ви-конувати не за кiнематичною схемою, а побу-дованiй на 11 основi структурнiй [4], або за схемою з використанням графiв [8]. Ведуча пара на структурнш схемi зображена подвiйним концентричним колом, ведуч ланки - фiгурами
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
з точковим штрихуванням, арабськими цифрами позначен ланки, римськими - клас (число зв'язюв) кiнематичних пар. Зпдно [4] будь-який механiзм, навт просторовий, може бути зображений пласкою структурною схемою.
Перший етап - до затиску об'екту. Одно-шарова симетрична складна напiввiдкрита з чотирма базовими ланками структурна схема механiзму (рис. 2, а) складаеться з дев'яти ру-хомих ланок, тринадцяти з'еднань i чотирьох контурiв (четвертого класу). Основш внутрiшнi структурнi параметри кшематичного ланцюга: число ланок п = 10, число з'еднань р = 13 та число контурiв к = 4 . Перевiрка за основною геометричною залежнiстю
р=п + к -1 (13=10 + 4 -1) свiдчить про прави-
льнiсть побудови структурно! схеми.
Основна рухомють плаского механiзму може бути порахована за вщомою пласкою формулою Малишева [8]
W = 3(п-1) - 2ру - р1У,
де р/к - число однорухомих пар (V класу), р1У - число дворухомих пласких пар (IV класу). У схемi всi 13 пар однорухомi (ведуча пара 0-1 мае другу рухомють у площиш, перпенди-кулярнiй площинi схеми, тому у площиш схеми ця пара е парою V класу), i число ступетв сво-боди мехашзму дорiвнюе одиницi W=3(10 -1)-2-13=1.
Загальне число ПЗ знайдемо за формулою Озолса [4]
а = W + 6k - f,
(1)
де загальне число рухливостеи ус1х з еднань складе f = 12-1 + 1-2 = 14, а о = 1 + 64-14 = 11 У симетричних i тополопчно однакових чотирьох контурах утворюються по три ПЗ. Загаль-на для обох контурiв обертальна рухомiсть са-мовстановлення ведучого повзуна, що викорис-товуеться при збираннi в одному контурi (на-приклад, 0-1-2-3) i зменшуе кiлькiсть ПЗ, вже не може бути використана для самовстанов-лення в шшому (0-1-6-7). Тому в одному кон-турi (0-1-2-3) утворюються два ПЗ, а в шшому (0-1-6-7) - три.
У контурах паралелограмiв 1-2-4-5 i 1-6-8-9 можлива непаралельнють осеИ шарнiрiв може
створити вигин i скручування шатунiв, i цi де-формацii будуть викликаш дiею ПЗ, а не дiею зовнiшньоi сили [10, 13].
а - а
б - b
0
V 7
V 7
Рис. 2. Структурш схеми повзунно-шатунного мехашзму захвата на pi3Hm етапах його роботи:
а - до затиску об'екта; б - об'ект затиснутий
Fig. 2. Structural diagrams of the slider-crank mechanism of gripping device at different stages of its operation:
a - before clamping the object; b - the object is clamped
0
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 4 (76)
Ефективним способом зменшення кшькост ПЗ е зниження класу кiнематичних пар. На рис. 2, б в дужках представлен рекомендован для замiни класи кшематичних пар, яю дозволять зменшити кшьюсть ПЗ у внутршшх контурах. Сполуки шатунiв 3 i 7 з коромислами 2 i 6, а також о6идв1 пари шатунiв 5 i 9 виконаш сферичними шарнiрами III класу. Мюцева рух-ливють ланок 4 i 8 за очевидними причинами не може бути дозволена встановленням сфери-чних кiнцевих шарнiрiв. тод1 загальна рухомють вс1х пар складе / = 6 -1 + 1- 2 + 6 • 6 = 26, з'являться дв1 мюцев! рухливосп - обертання шатунiв 5 i 9 навколо сво!х поздовжшх осей, яю додадуться до основно! рухомосп, а кшь-кють внутршшх ПЗ за формулою (1) складе а = (1 + 2) + 6 • 4 - 26 = 1, тобто залишиться один ПЗ загальний для контур1в 0-1-6-7 та 0-1-2-3.
Другий етап - об 'ект затиснутий (рис. 2, б). Структура мехашзму змшилася i на-кладенi зовшшн зв'язки. Оскшьки мехашзми захватiв завжди мають зовшшн зв'язки, то зп-дно унiверсальнiй структурнш теорп Озолса розглядати !х потр16но з двох позицш. По-перше, в ¡золяци вщ зовшшшх тш, з якими вш мае зовшшш зв'язки (iзольовано вщ об'екта маншулювання); число ступенiв свободи при усунених зовшшшх зв'язках називають факти-чною рухомютю механiзму (Жф). По-друге, в
робочому сташ, коли ддать зовшшт зв'язки (об'ект затиснутий); рухомють при ддачих зовшшшх зв'язках - робоча рухомють мехашзму (Ж ). менша за Жф на кшькють накладених
зовшшшх зв'язюв. Перший випадок вщповщае стану механiзму вшьного в1д об'екту машпу-лювання, другий - стану мехашзму, коли об' ект затиснутий.
Оскшьки тепер мехашзм мае зовшшш зв'язки, то для подальшого анал!зу доцшьно використовувати зовшшню структурну формулу, яка дозволяе встановити у такому мехашзм! кшькють зовшшшх ПЗ:
ü
=sa - (W - W) - wa
(2)
де £а - число зовшшшх зв'язюв, Wa - число втрачених рухомостей зовшшшх тш вщ ди зовшшшх зв'язюв.
Пюля затиску детал1 а в схем1 утворюеться ще один контур 1-5-4-а-8-9, а мехашзм i зовш-
шне тшо повнютю втрачають рухомють Жр = 0. При пласких затискних елементах та достат-нього тертя м1ж ними i об'ектом захвату остан-нш не може рухатися вщносно механiзму, тому вважаемо, що у зовшшшх парах 4-а i а-8 за цих умов утворюються жрухом1 з'еднання VI класу. Важливо вщзначити, що зовшшт з'еднання стають здатними передати силу уздовж ос х i здiйснювати вс голономн [2] фрикщйт зв'язки тшьки тод1, якщо о6идв1 ланки 8 i 4 за-тискають об'ект.
Кшькють зовшшшх ПЗ за залежнютю (2): аа = 12 - (1 - 0) - 6 = 5 . Три ПЗ утворюються шд час накладання фрикцшних голономних зв'язюв, дв1ч1 обмежують передачу моменту навколо ос у i передачу сил уздовж осей х i г. Ю-нематично було б достатньо, щоб зазначенi фри-кцшн1 зв'язки накладав один затискний елемент захвата. Решта два з виявлених зовшшшх ПЗ вимагають суворого дотримання паралельностi поверхонь затискних елемеипв захвата i 61чних поверхонь деталi в двох взаемно перпендикуля-рних площинах. Для !х усунення без змши фор-ми контактуючих поверхонь необхщне введення в схему розвантажувального з'еднання, здатного компенсувати перекоси при затиску об'екта. Таким з'еднанням може бути сферична пара 10-8 (рис. 1, знизу праворуч). Пюля И введення непа-ралельнiсть сторш об'екту буде компенсована самовстановленням. Усунення цих ПЗ тим бшьш важлив^ що !х д1я мае багаторазовий ¡мпульсний характер, повторюеться при затисканнях i поро-джуе два реактивних моменти, яю не викликанi дiею сил затиску.
На рис. 2, б (внизу) показана структурна схема механiзму розглянутого захвата, яка поз-бавлена шюдливих ПЗ. Пюля введення триру-хомого розвантажувального з'еднання перед накладенням зовшшшх зв'язюв фактична рухомють складе = 1 + 3 = 4; тут додаються
три мюцевих рухливосп ланки 10. Тепер отри-маемо аа = 12 - (4 - 0) - 6 = 2, тобто залиша-ються два голономних зовшшшх ПЗ, що по-двшно обмежують перемщення об'екта затис-кання за двома координатами у площиш г0у. 1х д1я зменшуе питомий тиск у зон контакту та шдвищуе вантажопiдйомнiсть механiзму захвата, тому вони не шюдлив1 [16].
Захватний пристрш, виконаний за пропоно-ваною схемою, де кшькють внутршшх та зовш-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 4 (76)
шнiх повторюваних зв'язкiв мiнiмальне, безумо- пошуку та усунення шкiдливих повторюваних
вно мае бшьш високi експлуатацiИнi показники. зв'язюв.
У наИбiльш поширених мехашзмах захватiв
Наукова новизна та практична iз паралельними та спареними мехашзмами за-
значимiсть звичаИ велика кшьюсть повторюваних зв'язкiв
0 ~ „ у внутрiшнiх та зовнiшнiх контурах i змiнна
Вперше проведении структурнии анашз спа- J J *
структура. Для виявлення та усунення внутрь
реного повзунно-шатунного механiзму захоп-лювального пристрою як механiзму змiнноi
структури з внутрiшнiми та зовшшшми л л
D ~ лу О. Озолса.
зв язками. Виконаш поконтурнии пошук, аналiз J
шшх та зовнiшнiх повторюваних зв язюв зруч-но застосувати узагальнену структурну форму-
Пiсля аналiзу, пошуку i усунення внутрш-нiх повторюваних зв'язюв, необхiдниИ аналiз
та усунення шюдливих повторюваних зв язкiв у
внутршшх та зовнiшньому контурах механiзму.
о • • •.. схеми зi змiненою структурою, коли утворю-
Запропоноваш практичнi рекомендацп щодо . „ .
змiни рухливостеИ кiнематичних пар для змен-шення кiлькостi повторюваних зв'язюв у внут-рiшнiх контурах та введення розвантажуваль-ного з'еднання у зовнiшнiИ контур механiзму.
еться зовшшнш незалежниИ контур мiж ланками мехашзму i затиснутим об'ектом маншулю-вання. Усунення шкiдливих повторюваних зв'язюв у зовнiшньому контурi можливi за ра-хунок зниження класу зовшшшх кiнематичних Висновки пар або введення розвантажувального
з'еднання для компенсаци перекосiв поверхонь HадiИнiсть механiзмiв ^хБагщ як i надiИ- затискних елеменпв i об'екта манiпулювання.
нiсть будь-яких механiзмiв, суттево залежить
вiд правильносп побудови механiзму, вдалого
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. БоренштеИн, Ю. П. Исполнительные механизмы захватывающих устроИств / Ю. П. БоренштеИн. - Ленинград : Машиностроение, 1982. - 302 с.
2. Герц, Г. Принципы механики, изложенные в новоИ связи / Г. Герц. - Москва, 1959. - 380 с.
3. Механика промышленных роботов : учеб. пособие для втузов : в 3 кн. / под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. Кн. 2 : Расчет и проектирование механизмов / Е. И. Воробьев, О. Д. Егоров, С. А. Попов. - Москва : Высш. шк, 1988. - 367 с.
4. Озол, О. Г. Основы конструирования и расчета механизмов / О. Г. Озол. - Рига : ЗваИгзне, 1979. - 360 с.
5. Павленко, I. I. Загальна методика розрахунку та проектування конструкцш захватних пристро!в проми-слових робопв / I. I. Павленко, М. О. Годунко, I. Д. К1р1ченко // Зб. наук. пр. Юровогр. нац. техн. ун-ту. Техшка в с.-г. вир-в1, галузеве машинобуд., автоматизащя. - Кировоград, 2013. - N 26. - С. 67-70.
6. Погребняк, Р. П. Пошук та усунення надлишкових зв'язшв у захоплюючих пристроях (захоплювачах) мехашзм1в машпулятор1в / Р. П. Погребняк // Металлургическая и горнорудная промышленность. -2015. - N 7 (296). - С. 91-95.
7. Погребняк, Р. П. СтруктурниИ анал1з i кшематичниИ синтез стрижньового кул1сного мехашзму захвата / Р. П. Погребняк // ЩдИомно-транспортна техшка. -2017. - N 2 (54). - С. 47-56.
8. Решетов, Л. Н. Самоустанавливающиеся механизмы / Л. Н. Решетов. - Москва : Машиностроение, 1979. - 334 с.
9. Челпанов, И. Б. Схваты промышленных роботов / И. Б. Челпанов, С. Н. Колпашников. - Ленинград : Машиностроение, 1989. - 287 с.
10. Atarer, F. Design alternatives of network of Altmann linkages / F. Atarer, K. Korkmaz, G. Kiper // International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. - 2017. - Vol. 5. - Iss. 4. -P. 495-503. doi: 10.2495/CMEM-V5-N4-495-503
11. Belfiore, N. P. An atlas of linkage-type robotic grippers / N. P. Belfiore, E. Pennestri // Mechanism and Machine Theory. - 1997. - Vol. 32. - Iss. 7. - P. 811-833. doi: 10.1016/s0094-114x(97)00006-2
12. Robot grippers / Gareth J. Monkman, Stefan Hesse, Ralf Steinmann, Henrik Schunk. - Weinheim : Wiley-VCH; 2007. - 463 р. doi: 10.1002/9783527610280
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
НЕТРАДИЦШШ ВИДУ ТРАНСПОРТУ. МАШИНИТА МЕХАН1ЗМИ
13. Pfurner, М. Algebraic analysis of overconstrained single loop four link mechanisms with revolute and prismatic joints / M. Pfurner, T. Stigger, M. L. Husty // Mechanism and Machine Theory. - 2017. - Vol. 114. -P. 11-19. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.03.014
14. Pogrebnyak, R. P. Structural analysis and rational design parallelogram arm gripping device / R. P. Pogrebnyak // Теория и практика металлургии. - 2015. - N 1-2. - С. 123-125.
15. Robot Grippers (International trends in manufacturing technology) / Ed. by Pham D. Т., Haginbotham W. B. -Bedford : IFS, 1986. - 443 р.
16. Schlenoff, С. Robust grasp preimages under unknown mass and friction distributions / C. Schlenoff, S. Balakirsky, H. Christensen // Integrated Computer-Aided Engineering. - 2018. - Vol. 25. - Iss. 2. - P. 99110. doi: 10.3233/ICA-180568
Р. П. ПОГРЕБНЯК1*
'"Каф. «Прикладная механика», Национальная металлургическая академия Украины, пр. Гагарина, 4, Днипро, Украина, 49005, тел. +38 (056) 743 32 76, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-4685-1818
ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ СВЯЗИ В СХЕМАХ СТЕРЖНЕВОГО ПОЛЗУННО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ЗАХВАТЫВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Цель. Работа своей целью имеет проведение структурного анализа захватывающего устройства как механизма переменной структуры с внешними неудерживающими связями. Также необходимо определить количество повторяющихся связей во внутренних и внешних контурах схемы механизма и выяснить способы их уменьшения. Методика. Решение поставленной задачи осуществляется средствами теории механизмов и машин с помощью универсальной структурной теории Озолса для анализа механизма схвата как механизма с внутренними и внешними связями. Результаты. Проектирование схем механических захватных устройств редко предусматривает этап структурного анализа и синтеза механизма, отдается предпочтение обязательным кинематическому и кинетостатическому расчетам, компоновке и конструированию. Если структурный анализ и выполняется, то чаще всего он ограничивается вычислением числа степеней свободы механизма. Десятизвенный стержневой механизм схвата построен на основе спаренного параллелограммно-го кривошипно-ползунного механизма с ведущим ползуном. Ведущий ползун воздействует на шатуны, соединенные коромыслами со станиной. На продолжении шатунов шарнирно закреплены звенья, несущие зажимные элементы схвата. Добавленные диады образуют параллелограмм и обеспечивают плоскопараллельное движение зажимных элементов схвата. Структурный анализ выполнялся по схемам для двух состояний механизма: до зажима объекта и в состоянии зажатого объекта. Основные внутренние структурные параметры кинематической схемы: число звеньев - 10, число соединений - 13, число контуров - 4, подвижность - 1, количество внутренних повторяющихся связей - 11. Число внешних связей - 12, фактическая подвижность механизма - 1, рабочая подвижность механизма - 0, число утраченных подвижностей внешнего тела от действия внешних связей - 6, количество внешних повторяющихся связей - 5. Научная новизна. Впервые проведен структурный анализ спаренного ползунно-шатунного механизма захватывающего устройства как механизма переменной структуры с внутренними и внешними связями. Выполнены поконтурный поиск, анализ и устранение вредных повторяющихся связей во внутренних и внешних контурах механизма. Практическая значимость. Предложены практические рекомендации по изменению подвижностей кинематических пар для уменьшения количества повторяющихся связей во внутренних контурах и введения разгрузочного соединения в наружном контуре механизма.
Ключевые слова: механический схват; структурный анализ; подвижность механизма; повторяющиеся связи; внешние связи
R. P. POGREBNYAK1*
'*Dep. «Applied Mechanics», National Metallurgical Academy of Ukraine, Gagarin Av., 4, 49005, Dnipro, tel. +038 (056) 743 32 76, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-4685-1818
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
НЕТРАДИЦШШ ВИДУ ТРАНСПОРТУ. МАШИНИТА МЕХАHIЗМИ
REPEATED CONNECTIONS IN THE SCHEMES OF LINK SLIDER-CRANK MECHANISM OF GRIPPING DEVICE
Purpose. The article is aimed to carry out a structural analysis of gripping device as a mechanism with a variable structure and external unilateral constraints, as well as to determine the number of repeated connections in the internal and external contours in the mechanism diagram, and to recommend the ways to reduce them. Methodology. Solution of the set problem is realized by means of the mechanisms and machines theory using the universal structural theory of Ozols for analyzing the gripping device as a mechanism with internal and external constraints. Findings. The design of schemes of mechanical gripping devices rarely provides for a stage of structural analysis and synthesis of the mechanism. The preference is given to mandatory kinematic and kinetostatic calculations, layout and design. If structural analysis is carried out, then most often it is limited to calculating the number of the mechanism freedom degrees. The ten-link gripping device is built on the basis of coupled parallelogram slider-crank mechanism with a leading slider. The leading slider acts on the connecting rods connected by the rocker with the frame. The connecting rods bear the clamping elements of the gripping device. The added dyads form a parallelogram and provide a plane-parallel movement of the gripping elements of clamp. Structural analysis was performed using structural schemes for two states of the mechanism: before clamping the object and in the state of the clamped object. The main internal structural parameters of the kinematic scheme: the number of links - 10, the number of connections - 13, the number of contours - 4, the mobility - 1, the number of internal repeated connections - 11. The number of external connections - 12, the actual mobility of the mechanism - 1, the working mobility of the mechanism is - 0, the number of lost mobilities of the external body from the action of external connections - 6, the number of external repeated connections - 5. Originality. Structural analysis of the coupled slider crank mechanism of the gripping device as a mechanism of a variable structure with internal and external connections is carried out for the first time. It is performed contour search, analysis and elimination of useless repeated connections in the internal and external contours of the mechanism. Practical value. Practical recommendations for changing the mobility of kinematic pairs are proposed to reduce the number of repeated connections in internal contours and to provide unloading connection in the outer contour of the mechanism.
Keywords: mechanical gripping device; structural analysis; mobility of mechanism; repeated connections; external connections
REFERENCES
1. Borenshteyn, Y. P. (1982). Ispolnitelnye mekhanizmy zakhvatyvayushchikh ustroystv. Leningrad: Ma-shinostroyeniye. (in Russian)
2. Gerts, G. (1959). Printsipy mekhaniki, izlozhennyye v novoy svyazi. Moscow. (in Russian)
3. Vorobov, Y. I., Yegorov, O. D., & Popov, S. A. (1988). Mekhanika promyshlennykh robotov. In K. V. Frolov, Y. I. Vorobov (Eds.). Raschet i proyektirovanie mekhanizmov. Moscow: Vysshaya shkola. (in Russian)
4. Ozol, O. G. (1979). Osnovy konstruirovaniya i rascheta mekhanizmov. Riga: Zvaygzne. (in Russian)
5. Pavlenko, I. I., Godunko, M. O., & Kirichenko I. D. (2013). Zagalna metodika rozrakhunku ta proektuvannya konstruktsiy zakhvatnikh pristroiv promislovikh robotiv. Zbirnik naukovikh prats Kirovogradskogo natsional-nogo tekhnekhnichnogo universitetu. Tekhnika v silskogospodarskomu virobnitstvi, galuzeve mashino-buduvannya, avtomatizatsiya, 2, 67-70. (in Ukranian)
6. Pogrebnyak, R. P. (2015). Poshuk ta usunennya nadlishkovikh zv'yazkiv u zakhoplyuyuchykh pristroyakh (zakhoplyuvachakh) mekhanizmiv manipulyatoriv. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost, 7, 91-95. (in Ukranian)
7. Pogrebnyak, R. P. (2017). Strukturniy analiz i kinematychniy sintez strizhnovogo kulisnogo mekhanizmu zakhvata. Pidyomno-transportna tekhnika, 2(54), 47-56. (in Ukranian)
8. Reshetov, L. N. (1979). Samoustanavlivayushchiesya mekhanizmy. Moscow: Mashinostroyeniye. (in Russian)
9. Chelpanov, I. B., & Kolpashnikov, S. N. (1989). Skhvaty promyshlennykh robotov. Leningrad: Ma-shinostroyenie. (in Russian)
10. Atarer, F., Korkmaz K., & Kiper G. (2017). Design alternatives of network of Altmann linkages. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements, 5(4), 495-503. doi: 10.2495/CMEM-V5-N4-495-503 (in English)
11. Belfiore, N. P., & Pennestri, E. (1997). An atlas of linkage-type robotic grippers. Mechanism and Machine Theory, 32(7), 811-833. (in English)
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 4 (76)
12. Monkman, G., Hesse, S., Steinmann, R., & Schunk, H. (2007). Robot grippers. Weinheim: WILEY-VCH. doi: 10.1002/9783527610280 (in English)
13. Pfurner, M., Stigger, T., & Husty, M. L. (2017). Algebraic analysis of overconstrained single loop four link mechanisms with revolute and prismatic joints. Mechanism and Machine Theory, 114, 11-19. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.03.014 (in English)
14. Pogrebnyak, R. P. (2015). Structural analysis and rational design parallelogram arm gripping device. Theory and Practice Steel Industry. 1-2, 123-125. (in English)
15. Pham, D. T., & Haginbotham, W. B. (Eds.). (1986). Robot Grippers. (International trends in manufacturing technology). Bedford: IFS. (in English)
16. Schlenoff, C., Balakirsky, S. & Christensen, H. (2018). Robust grasp preimages under unknown mass and friction distributions. Integrated Computer-Aided Engineering. 25(2), 99-110. doi: 10.3233/ICA-180568 (in English)
HagiMmna go pegKoneriï: 27.04.2018 npHHHOTa go gpyKy: 31.07.2018
