Giáo trình Nguyên lý máy - Bài 2: Phân tích động học cơ cấu

Bài 2
Phân tích động học
cơ cấu
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 4
Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang
Đầu bào
chuyển
động tịnh
tiến qua lại
Bàn gá
phôi
Dao
Phôi
Động cơ
Yêu cầu
 Hành trình H
 Hệ số năng suất
 Lực cắt tác dụng
lên dao
 Số chu trình/đơn
vị thời gian
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 6
Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang
Lựa chọn cấu trúc
cơ cấu truyền động
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 7
Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang
Hình dung về chuyển động của cơ cấu với cấu trúc được chọn
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 8
Vấn đề đặt ra
 Hành trình đầu dao bào?
 Không gian làm việc của các khâu => thiết kế vỏ máy?
 Vận tốc cắt của đầu dao?
 Khâu nối với động cơ có quay được toàn vòng?
 
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 9
Tại sao phải phân tích động học?
 Bài toán vị trí: Tính quỹ đạo của điểm làm việc
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 10
Tại sao phải phân tích động học?
 Bài toán vị trí: Xét ví dụ máy xúc
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 11
Tại sao phải phân tích động học?
 Bài toán vị trí: Xét ví dụ robot công nghiệp Kuka
Không gian làm việc
của robot Kuka 6 BTD
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 12
Chọn LOẠI cơ
cấu, kích thước
động học
Phân tích động
học, lực, động
lực học
Thiết kế chi 
tiết máy
Vật liệu
Nguyên lý
làm việc
Công nghệ
chế tạo
Thiết kế nguyên lý máy
Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 13
Phân tích động học
 Cơ cấu (cấu
trúc/kích thước)
 Quy luật chuyển
động (mong
muốn) của khâu
dẫn
Đặc điểm
chuyển động
của các khâu
bị dẫn Phân tích lực
Phân tích
động lực học
Thiết kế kết
cấu các chi tiết
máy (khớp, 
khâu)
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 14
Nội dung của phân tích động học
1. Bài toán vị trí
• Biến thiên vị trí của các khâu bị dẫn
• Quỹ đạo của điểm làm việc
• Không gian hoạt động của cơ cấu -> thiết kế vỏ
máy
Dữ kiện: 
 Cấu trúc động học + kích thước động học
 biến thiên vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu dẫn
2. Bài toán vận tốc
• Biến thiên vận tốc của các khâu bị dẫn
• Vận tốc của điểm làm việc
3. Bài toán gia tốc
• Biến thiên gia tốc của các khâu bị dẫn
• Gia tốc của điểm làm việc
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 19
1. Bài toán vị trí
1.2. Một số khái niệm
 Họa đồ cơ cấu là hình biểu diễn vị trí của cơ cấu ứng
với một vị trí xác định của khâu dẫn
 Họa đồ chuyển vị là tập hợp của họa đồ cơ cấu ứng
với các vị trí khác nhau của khâu dẫn
 Chu kỳ động học là góc quay nhỏ nhất của khâu dẫn
để cơ cấu trở về vị trí ban đầu
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 20
1. Bài toán vị trí
1.3. Họa đồ cơ cấu
 Lấy ví dụ máy bào ngang
 Cho trước
 Lược đồ cơ cấu
 Kích thước các khâu (đã
tính được ở bước trước)
 Một vị trí xác định của
khâu dẫn j1
 Tìm
 Họa đồ cơ cấu
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 21
1. Bài toán vị trí
1.3. Họa đồ cơ cấu
 Lưu ý: Bài toán dựng hình cần
dùng một tỷ lệ xích
𝜇𝑙 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚
𝑚𝑚
 Các bước thực hiện
 Dựng phương xx, từ kích
thước a xác định vị trí giá AC
 Từ lAB và j1 xác định vị trí
khâu dẫn AB và thanh lắc
CD
 Từ lDE vị trí D tìm vị trí E: 
 Dựng đầu bào (khâu 6)
    ,E D DE xx
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 22
1. Bài toán vị trí
1.4. Họa đồ chuyển vị
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 25
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.1. Quan hệ vận tốc và gia tốc giữa các điểm
 Hai điểm A, B thuộc cùng một khâu
B A BAv v v 
BAv là vận tốc tương đối của 
B quanh A
BAv  BA, chiều thuận theo 
BA ABv l
là gia tốc tương đối của B đối
với A
gia tốc tương đối pháp tuyến, 
hướng B -> A; 
BAa
n
BAa 2n
BA ABa l 
n t
B A BA A BA BAa a a a a a    
gia tốc tương đối tiếp tuyến, t
BAa
t
BA ABa l
 BA, chiều thuận theo 
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 26
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.1. Quan hệ vận tốc và gia tốc giữa các điểm
 Hai điểm B1, B2 thuộc cùng hai khâu trùng nhau tức thời
i k B Bi k
r
B Bv v v 
vận tốc tương đối của
Bi đối với Bk; // với
phương trượt tương đối
B Bi k
rv
i k i k i k
k r
B B B B B Ba a a a  
gia tốc Cô-ri-ô-lít trong chuyển
động tương đối của Bk và Bi
gia tốc trong chuyển động
tương đối của Bk và Bi
2
i k i k
k
B B B Ba v 
i k
r
B Ba
i k
k
B Ba
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 27
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa
 Cho cơ cấu máy bào ngang tại vị trí
đang xét có
 Vị trí khâu dẫn j1 = 0 (nằm ngang)
 Vận tốc góc khâu dẫn 1 = const
 Kích thước động các khâu: lAC, lAB, 
lBC, lCD, lDE
 Yêu cầu
 Tính vận tốc của B3 và vận tốc góc
khâu 3: 3
 Tính gia tốc của B3 và gia tốc góc
khâu 3: 3
 Tính vận tốc và gia tốc cho điểm D, 
E và vận tốc góc khâu 5
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 28
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính vận tốc
 Phương trình liên hệ vận tốc (A1 ← B1 ← B2 ← B3 → C3)
3 3 3 2 3 2C B C BB B
vv vv  
1 1
1;
B ABv l
AB


 

 
?
CB



0
?
/ /CB



3 2 3 2
;B B B Bv v v  3 3 3 3 ;B C B Cv v v 2 1 ;B Bv v
𝜇𝑣 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠
𝑚𝑚
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 29
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính vận tốc
 Vận tốc góc khâu 3: →
 Để tính vận tốc cho điểm E và vận tốc góc khâu 5 ta viết
phương trình liên hệ vận tốc: (F4 ← F6 ← E6 ← E5 → D5)
𝜇𝑣 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠
𝑚𝑚
3 3
3
B C
BC
v
l
  3D CDv l
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 30
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính vận tốc
 PT liên hệ vận tốc (F4 ← F6 ← E6 ← E5 → D5)
4 6 4 5 5 5F F F D E D
v v v v  
?
/ / EF



0
?
DE



5 5 5 5
;E D E Dv v v 5 6 6 4 6 4 ;E E F F F Fv v v v v   
𝜇𝑣 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠
𝑚𝑚
Đã biết
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 31
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính vận tốc
 Vận tốc góc khâu 5:
 Chiều quay?
𝜇𝑣 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠
𝑚𝑚
5 5
5
E D
DE
v
l
 
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 32
 Phương trình liên hệ gia tốc: (A1 ← B1 ← B2 ← B3 → C3)
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính gia tốc
23 3 3 3 3 2 3 23
n t
C B C B B
k r
B B B BC aa a aa a   
2
1
/ /
ABl
AB
B A



 
2
3
/ /
CBl
CB
B C



 
0
3 2
3 2
3
3
2




B B
B B
v
CB
v


?
/ /


 CB
?
CB



Theo và
𝜇𝑎 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠2
𝑚𝑚
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 33
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Ví dụ minh họa – Tính gia tốc
 Gia tốc góc khâu 3: 
 Chiều quay?
 Tính gia tốc điểm E và gia tốc góc khâu 5, cách làm
tương tự!
3 3
3 
B C
t
BC
a
l

𝜇𝑎 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑚/𝑠2
𝑚𝑚
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 34
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Nguyên tắc
 Chia cơ cấu thành khâu dẫn và
các nhóm Át-xua
 Giải cho các nhóm từ gần khâu
dẫn đến xa khâu dẫn. Vì sao?
 Viết phương trình liên hệ vận
tốc, gia tốc của điểm cần tính
với điểm đã biết vận tốc gia tốc
 Điểm thuộc khâu dẫn
 Điểm thuộc giá
 Điểm đã tính được ở bước
trước
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 35
2. Bài toán vận tốc và gia tốc
2.2. Nguyên tắc – Ví dụ tiếp
 Trình tự tính toán vận tốc và gia tốc cho các điểm B, C, E, 
F?
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 36
Bài tập
Cho cơ cấu có lược đồ như hình
vẽ, có lAB = lBC = 0,1 (m), khâu dẫn
quay đều với 1=10 (rad/s). Tại vị
trí đang xét j1=60
0.
Vẽ hoạ đồ vận tốc, gia tốc. Tính
𝜔3, 3?
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 37
Bài tập
Cho cơ cấu có lược đồ như
hình vẽ với lBC = 2lAB = 2lCD 
= 0,2 (m) , lAD=0,1 (m) , S2B 
= S2C , S3C = S3D, 1 = 10 
(1/s). Tại thời điểm đang
xét j1 = 120
0. 
Vẽ hoạ đồ vận tốc và gia
tốc. Tính 𝜔2, 𝜀3 và vận tốc, 
gia tốc các điểm 𝑆2, 𝑆3?
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 38
3. Điều kiện quay toàn vòng, hệ số về nhanh
 Xét cơ cấu 4 khâu bản lề
1
2
3
4A
C
B
D
1
2
3
4A
C
B
D
1 4 2 3
1 4 2 3
l l l l
l l l l
  
  
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 39
3. Điều kiện quay toàn vòng, hệ số về nhanh
 Định lý Grashof: Nếu (i: các khâu còn
lại) thì sẽ tồn tại khâu quay toàn vòng
 Ví dụ
min max il l l 
min 1 2 4 3 maxl l l l l l    
khâu 1 quay toàn
vòng
Khâu 3 là cần lắc
khâu 1 quay toàn
vòng
Khâu 2, 4 là cần lắc
Khâu 2, 4 quay 
toàn vòng
1
2
3
4A
C
B
D
1
2
3
4A
C
B
D
1
2
3
4A
C
B
D
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 40
3. Điều kiện quay toàn vòng, hệ số về nhanh
1
2
3
4A
Cv
B
D
Bv
Bd
Cd
jd

1
 Góc lắc khâu 3
 Hệ số về nhanh
o360d vj j 
180
180
o
d
o
v
K
j
j

 

v dC DC  
1 2
2 1
d
v
AC l l
AC l l
 
 
Bài 2: Phân tích động học cơ cấu 41
 Cơ cấu culit trong máy
bào
 Tách khớp quay tại B
 Khâu 1 luôn quay 
toàn vòng
 Khâu 3 quay toàn
vòng khi
 Hệ số về nhanh
1 4l l
3. Điều kiện quay toàn vòng, hệ số về nhanh
180
180
o
d
o
v
K
j
j

 

Hết bài 2