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MECANISMOS E MMECANISMOS E MÁÁQUINASQUINAS Prof. Alexandre Augusto Pescador Prof. Alexandre Augusto Pescador SardSardáá INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO •Cinemática e dinâmica de máquinas: envolve projeto de máquinas em função dos movimentos requeridos. •Mecanismo: é um componente de uma máquina que consiste de dois ou mais corpos arranjados de forma que o movimento de um produz o movimento dos outros. INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO •Cinemática: estudo do movimento de mecanismos sem referência às forças que agem no sistema. •Dinâmica: é o estudo do movimento de corpos individuais e mecanismos sobre a influência de forças e torques. INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO •Síntese: é um procedimento no qual um produto (por exemplo, um mecanismo) é projetado para satisfazer um conjunto de requirimentos. •Análise: verificação se os requisitos de performance são satisfeitos. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Barra (Link): é um dos corpos rígidos ou membros que fazem parte da cadeia cinemática. •Partes de máquinas típicas têm mudanças de dimensões da ordem de um centésimo do comprimento da parte. •Estrutura: É a barra fixa ou estacionária em um mecanismo. •Quando não há barra fixa, deve-se considerar uma fixa e determinar o movimento das outras relativas a esta. Exemplo: bloco do motor é considerado fixo, apesar do carro estar se movendo. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Juntas ou par cinemático: as conexões entre links que permitem movimentos relativos restritos. •Exemplo: Junta de revolução: um grau de liberdade (rotação em um plano). TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Juntas ou par cinemático: as conexões entre links que permitem movimentos relativos restritos. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Juntas ou par cinemático: as conexões entre links que permitem movimentos relativos restritos. •Pares inferiores: dois elementos de um par inferior têm contato superficial (esfera, cilindro, prisma, plano); •Pares superiores: dois elementos de um par superior têm contato linear ou pontual (engrenagens, came e seguidor). •Pares inferiores são desejados do ponto de vista de projeto de forma que o carregamento na junta e o desgaste resultante é distribuído ao longo da superfície de contato. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Cadeia cinemática: conjunto de links e pares (juntas); •Cadeia cinemática fechada: cada link é conectado a dois ou mais links. •Cadeia cinemática aberta: qualquer cadeia que não satisfaça o critério anterior; TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Movimento planar, mecanismos articulados planares: EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOSEXEMPLOS EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA HOMOCINJUNTA HOMOCINÉÉTICATICA EXEMPLOS EXEMPLOS –– JUNTA JUNTA –– CRUZETACRUZETA Manipuladores: Projetados para simular o braço humano e movimento da mão; • Manipulador robótico: corrente cinemática de vários graus de liberdade. •Juntas do tipo revolução e prismática são geralmente utilizadas, devido a serem relativamente fáceis de acionar, por exemplo, utilizando-se motores elétricos ou cilindros pneumáticos. •Na porção final livre do manipulador é montado um efetuador, dispositivo para realizar o trabalho específico do robô (ferramenta, maçarico de solda, nariz de pintura). TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES •Robôs: manipuladores programáveis, ou seja, máquina capaz de executar uma variedade grande de tarefas através da especificação de conjuntos de comandos. •Utilização: •ambientes perigosos para o ser humano; •exploração subaquática; • manipulação de material tóxico; • manufatura. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Robôs têm vários graus de liberdade para produzir várias capacidades de movimento para poder realizar diferentes tarefas programadas; •Por exemplo, o manipulador planar tem três graus de liberdade, que é o número mínimo para produzir movimento planar geral. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES mecanismos articulados (linkage): •cadeia cinemática unida por pares inferiores •Montagem de corpos rígidos unidos por juntas cinemáticas. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Movimento planar, mecanismos articulados planares: Se todos os pontos em um mecanismo articulado se movem em planos paralelos, o sistema descreve movimento planar e o linkage pode ser descrito como linkage planar. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Movimento espacial, mecanismos articulados espaciais: • Caso geral em em que o movimento não pode ser descrito acontecendo somente em planos paralelos. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Inversão: • O movimento absoluto de um mecanismo articulado depende de qual barra é fixa, ou seja, qual barra é selecionada como estrutura. Ciclo e período: • Ciclo: representa a seqüência completa de posições das barras em um mecanismo. •Período: o tempo necessário para completar um ciclo. TERMINOLOGIA E DEFINITERMINOLOGIA E DEFINIÇÇÕESÕES Número de graus de liberdade de um mecanismo articulado: é o número de parâmetros independentes necessário para especificar a posição de cada barra referente à estrutura ou barra fixa. É também denominado MOBILIDADE. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) • Um corpo rígido sem deslocamentos prescritos têm seis graus de liberdade: translações em três direções e rotações ao longo de três eixos de coordenadas. • Se o corpo tem movimento restrito em um plano, existem três graus de liberdade: translação em duas coordenadas e rotação em relação ao plano. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) RESTRIÇÕES DEVIDO À JUNTAS: cada junta reduz a mobilidade de um sistema. • Uma junta de um grau de liberdade reduz a barra para um grau de liberdade. •Em geral, cada junta de um grau de liberdade reduz a mobilidade do sistema através de cinco restrições; •Cada junta de dois graus de liberdade proporciona quatro restrições. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) Para um mecanismo espacial com nL barras (incluindo a barra fixa com seis graus de liberdade), o número de graus de liberdade do mecanismo articulado é: GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) cLespacial nnDF 16 onde nc é o número de restrições como definido acima. Para nJ juntas com conectividade individual fi , tem-se que: Jn i iJc fnn 1 6 Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 Para o robô abaixo, com 7 barras e seis juntas de revolução, cada junta tendo um grau de liberdade: GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) 656176 16 cLespacial nnDF 6161676 espacialDF Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 Cadeia cinemática fechada a seguir: quatro barras, duas juntas de revolução e duas juntas esféricas. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) liberdadedegraus DFespacial 2 33111446 Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 Na prática, se a rotação de 2 ao redor do seu próprio eixo não for considerada, o mecanismo se reduz a 1 g.l. Cadeia cinemática fechada a seguir: quatro barras, 4 juntas de revolução (RRRR). GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) liberdadedegraus DFespacial 211111446 Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 Cadeia cinemática fechada a seguir: quatro barras, 3 juntas de revolução e 1 junta cilíndrica. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) liberdadedegrau DFespacial 1 21111446 Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 • O número de graus de liberdade de um mecanismo depende da orientação das juntas assim como o número de barras e juntas. •O número de restrições devido às juntas pode ser menor do que o dado pelas equações anteriores. Exemplo: o número de juntas de revolução de um mecanismo articulado RRRR pode ser orientado de forma que o mecanismo articulado tenha 1 grau de liberdade e não –2. GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE)GRAUS DE LIBERDADE (MOBILIDADE) Jn i iJLespacial fnnDF 1 16 •São casos especiais. •Exemplo 1: RRRC se torna um mecanismo articulado planar, biela – manivela, se as barras e juntas forem orientadas de forma que as barras descrevam um movimento planar. •Este mecanismo representa a maior parte de pistões de motores, compressores e bombas. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES •São casos especiais. •Exemplo 2: RRRR se torna um mecanismo articulado planar, denominado mecanismo de quatro barras. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES •Estrutura: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES •Mecanismo de seis barras com 1 g.l. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES • As juntas ou pares que se aplicam a mecanismos planares são: Revolução ou pino Inferior 1 Prisma ou par deslizante Inferior 1 Came Superior 2 Engrenagens Superior 2 Conectividade do par no movimento planar Tipo de par Junta MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES DETERMINAÇÃO DOS GRAUS DE LIBERDADE • Cada barra fixa têm três graus de liberdade no movimento plano; • Barra fixa tem três graus de liberdade; • Uma junta tipo pino produz duas restrições porque o movimento de ambas as barras deve ser o mesmo na junta (em duas direções de coordenadas); •Assim, o número de graus de liberdade para um mecanismo planar feito de nL barras e nJ´ pares de um grau-de-liberdade é dado por: ´213 JLplanar nnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES DETERMINAÇÃO DOS GRAUS DE LIBERDADE • ou para nJ juntas com conectividade individual fi: Jn i iJLplanar fnnDF 1 13 MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES • para o mecanismo de quatro barras na Figura abaixo, nL = 4, nJ´ = 4 e DF pode ser determinado através de: 11111144313 1 Jn i iJLplanar fnnDF 142143213 ´ JLplanar nnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES • para o mecanismo de cinco barras na Figura abaixo, nL = 5, nJ´ = 5 e DF pode ser determinado através de: 211111155313 1 Jn i iJLplanar fnnDF 252153213 ´ JLplanar nnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES • para o mecanismo abaixo, tem-se um pino duplo em B, nL = 6, nJ´ = 7 e DF pode ser determinado através de: 17176313 1 Jn i iJLplanar fnnDF 172163213 ´ JLplanar nnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES • Mecanismos abaixo são equivalentes, nL = 4, nJ´ = 4 e DF pode ser determinado através de: 14144313 1 Jn i iJLplanar fnnDF 142143213 ´ JLplanar nnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES DETERMINAÇÃO DOS GRAUS DE LIBERDADE • O número de graus de liberdade para um mecanismo planar feito de nL barras, nJ´ pares de um grau-de-liberdade e nJ´´ pares de dois-graus- de-liberdade é dado por: ´´´213 JJLplanar nnnDF MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CONFIGURAÇÕES DE UM GRAU DE LIBERDADE • Deve satisfazer o critério de Grübler para mecanismos de pares inferiores. 1213 ´ JLplanar nnDF 0432 ´ LJ nn • nL deve ser necessariamente sempre par. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CONFIGURAÇÕES DE UM GRAU DE LIBERDADE 04232 ´ Jn • nL deve ser necessariamente sempre par. •Exemplo, nL = 2, tem-se nJ´ = 1. •Duas barras unidas por um pino. 1´ Jn •Exemplo, nL = 4, tem-se nJ´ = 4. •Mecanismo de quatro barras. 04432 ´ Jn 4´ Jn •Exemplo, nL = 6, tem-se nJ´ = 4. •Mecanismos abaixo. 04632 ´ Jn 7´ Jn MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CONFIGURAÇÕES DE UM GRAU DE LIBERDADE MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF •Se uma barra pode realizar uma rotação completa em relação às outra três, o mecanismo é denominado mecanismo de Grashof MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF ba LLLL minmax •Deve-se eliminar combinações do tipo: Pois é óbvio que essas barras não podem ser montadas para formar um mecanismo de quatro barras fechado. Lmax é a maior barra; Lmin é a menor barra; La e Lb são as barras de tamanho intermediário; MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF Projeto de Mecanismo manivela - balancim MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF Posições limites da barra 3 (oscilador) ocorrem quando a manivela e a barra de conexão são colineares. Pode-se utilizar desiguladade de triângulos: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF ba LLLL minmax Desigualdade de triângulos: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF ba LLLL minmax Desigualdade de triângulos: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES Mecanismo de barra arrastada (drag link): Se a barra fixa for a menor, as outras barras vão girar ao redor dela. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES Mecanismo duplo balancim: A barra acopladora é a menor. A barra acopladora pode gerar continuamente enquanto as barras adjacentes oscilam através de uma faixa limitada. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF ba LLLL minmax Mecanismo de mudança de ponto, ou posição cruzada: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF ba LLLL minmax Mecanismo de Grashof: manivela-balancim, duplo- balancim, mecanismos de posição cruzada. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES CLASSIFICAÇÃO DE MECANISMOS DE QUATRO BARRAS – CRITÉRIO DE GRASHOF Mecanismos de quatro barras que não satisfazem o critériode Grashof são chamados mecanismos duplo osciladores do segundo tipo ou triplo osciladores. MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES Exemplo 1: Para L1 = 100 mm, L2 = 200 mm, L3 = 300 mm e L0 = barra fixa, ache as faixas de valores de L0 se o mecanismo é: a) Mecanismo de Grashof; b) Manivela – balancim; c) Mecanismo duplo-balancim; d) Mecanismo cruzado; e) Triplo balancim. a) Os mecanismos de Grashof são o manivela-balancim, duplo- balancim e mecanismo ponto cruzado.; b) Condição para que a manivela seja o menor componente é feita fazendo-se L0 > 100 mm: MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES ba LLLL minmax 3002001000 L 4000 L Se Lo for a maior. 0200100300 L 2000 L Se Lo for intermediária. mmLmm 400200 0 MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES 1002 L c) Duplo balancim: requer que a barra de acoplamento seja a menor: O que não é possível, pois L2 = 200 mm. d) Mecanismo cruzado: ba LLLL minmax Se Lo for o maior. 3002001000 L mmL 4000 MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES d) Mecanismo de quatro barras cruzado: ba LLLL minmax Se Lo for o maior: 3002001000 L mmL 4000 Se Lo for o menor: 200100300 0 L 00 L Se Lo for intermediário: 200100300 0 L mmL 2000 MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES e) Triplo balancim: ba LLLL minmax Se Lo for o maior: 3002001000 L mmL 4000 Se Lo for o menor: 200100300 0 L 00 L Se Lo for intermediário: 200100300 0 L mmL 2000 MECANISMOS ARTICULADOS PLANARESMECANISMOS ARTICULADOS PLANARES Porém, nenhuma barra pode exceder a soma das outras três: 3002001000 L 6000 L mmL 2000 0 mmL 600400 0 ou: ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Ângulo de transmissão: é o ângulo entre a linha de centro da barra de conexão e a linha de centro do mecanismo impulsionado. O ângulo ótimo para um mecanismo planar é de 900. Um ângulo maior que 400 e menor que 1400 é geralmente satisfatório. ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO • Se a barra 1 aciona , o ângulo alcança valores extremos, que pode levar a operações insatisfatórias. • A direção da força transmitida de 2 para 3 resulta num torque muito pequeno na barra 3, porém uma força alta no mancal 3, podendo causar um desgaste excessivo. • Se o torque de atrito exceder o torque de movimento, o mecanismo pode travar e causar a flambagem da manivela. ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Considerando-se o mecanismo de quatro barras a seguir: Assim, pode-se obter o ângulo de transmissão em qualquer instante. 110 2 1 22 cos2 LLLLL od cos2 32 2 3 2 2 2 LLLLLd 32 22 3 2 2 2 cos LL LLL d ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Ângulo máximo de transmissão corresponde a: 01(max) LLLd 10(min) LLLd ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO • Exemplo 1.3: Dado o comprimento da manivela L1 = 100 mm, comprimento do acoplador L2 = 200 mm e seguidor L3 = 300 mm. Ache a faixa de valores para a barra fixa Lo se o mecanismo é biela-manivela, considerando o ângulo de transmissão. mmL 48,3120 Para min = 450, e usando-se as leis do co-seno min322322 2 10 cos2 LLLLLL 02220 45cos3002002300200100 L ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Usando-se esses valores, tem-se: 32 2 10 2 3 2 2 max 2 cos LL LLLL 3002002 10048,312300200cos 222 max 0 max 5,109 ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Se ao invés, começarmos o problema com max = 1350: mmL 53,3630 max322322 2 10 cos2 LLLLLL 02220 135cos3002002300200100 L 32 2 min 2 3 2 2 min 2 cos LL LLL d 32 2 10 2 3 2 2 min 2 cos LL LLLL 0 min 69,59 ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Faixa de utilização de L0: mmLmm 52,36348,312 0 • As posições limites do seguidor corresponde as duas posições onde as barras 1 e 2 são colineares: 30 2 21 2 3 2 ' 3 2 cos LL LLLLo 30048,3122 20010030048,312cos 222 ' 3 o61,58'3 ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Outra posição limite onde as barras 1 e 2 são colineares: 30 2 12 2 3 2 ' 3 2 cos LL LLLLo 30048,3122 10020030048,312cos 222 ' 3 o65,18'3 ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO Ângulo de transmissão e posição das barras versus posição da manivela. ÂNGULO DE TRANSMISSÃOÂNGULO DE TRANSMISSÃO • Transmissão ótima ocorre quando a manivela, barra de conexão e o seguidor são mutuamente perpendiculares. 1321 uuu rrr REFERÊNCIAS BIBLIOGRREFERÊNCIAS BIBLIOGRÁÁFICASFICAS Martin, G.H., Kinematics and Dynamics of Machines, Second Edition, McGrawHill, 1982. Wilson, Sadler
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