Sprawdzian z TMM – zadania przykładowe y

r

Wyniki obliczeń należy wpisać do tabelki z dokładnością do trzech cyfr po przecinku.

1

2

ω1

1. Na rysunku przedstawiono schemat kinematyczny mechanizmu w położeniu jakie przyjął w chwili, 0

b

gdy prędkość członu 2 względem 1 wynosiła r& . Policzyć prędkość kątową członu 1 w rozpatrywanej 3

chwili.

x

b

0

Dane: a = 2 (m), b = 1 (m), r = 3 (m),

r& = 1 (m/s).

a

y

2.

Na rysunku przedstawiono schemat kinematyczny mechanizmu.

2

Współrzędna ϕ odmierza kąt obrotu członu 1 względem podstawy, a współrzędna s przesunięcie członu 2

s

1

względem 3. Obliczyć współrzędną s w chwili, gdy ϕ = 1.2 (rad).

Dane: a = 2 (m), b = 1 (m), c = 5 (m).

3

0

ϕ

a

2

x

3. Dany jest układ równań: (

x

y

Φ x, y) 

+ −1   

0

≡

=

0



.

3

  

c

 x − 2 y − 4  

0

Układ rozwiązywano metodą Newtona–Raphsona, przyjmując przybliżenie startowe x 0 = 2 oraz y 0 = 1.

Należy obliczyć wartość x 1, uzyskaną po pierwszym kroku iteracji.

Imię i nazwisko

ω1 (rad/s)

s (m)

x 1 (–)

Marek Wojtyra

–0.667 2.935 1.500

Rozwiązanie zadania 1

Wprowadzamy lokalne, związane z członami, układy odniesienia w sposób pokazany na rysunku b).

y

0

r

y 0

y 0

1

π1

π2

r

2

ω1

0

b

b

d

3

π

x

3

c

0

x 0

x 0

0

a

a)

b)

c)

Łańcuch kinematyczny opisujemy za pomocą wieloboku wektorowego, pokazanego na rysunku c).

Wektory b, c i d są stałe w odpowiednich układach odniesienia, zmienny w czasie jest jedynie wektor r:

0

 r − a

 a

 r

(0)

b

=

,

(0)

c

=

,

(3)

d =

,

)

1

(

r =

.

 



(1)

 b

 0 

 





 b

0

Pisząc równanie wieloboku wektorowego pamiętamy, aby wszystkie wektory dodawać w tym samym, globalnym układzie odniesienia. Przeliczając wektor z lokalnego do globalnego układu odniesienia korzystamy z

odpowiedniej macierzy kosinusów kierunkowych. Otrzymujemy następujące równanie wieloboku wektorowego:

b(0) + R r( )1 − R d(3) − c(0) = 0 .

(2)

1

3

Ze sposobu wprowadzenia lokalnych układów odniesienia wynika, że w rozpatrywanej chwili kąty opisujące obroty członów względem podstawy mechanizmu są zerowe (należy jednak pamiętać, że są to wielkości zmienne w czasie):

cosϕ

− sinϕ  1 0

ϕ = ,

0

1

1

R =

=

= I , ϕ = ,

0

R = I .

(3)

1

1

sinϕ cos  



ϕ  0 1 2×2

3

3

2×2

1

1



Różniczkując równanie wieloboku wektorowego, pamiętamy, że jedynie macierze kosinusów kierunkowych i wektor r zależą od czasu, otrzymujemy zatem: ΩR r( )1ϕ& + R r( )1

& − ΩR d(3)ϕ& = 0 .

(4)

1

1

1

3

3

To samo równanie można zapisać inaczej, grupując nieznane prędkości ϕ& i ϕ& po lewej stronie, a znaną 1

3

prędkość r& po prawej:

[

 &

ϕ 

( )

1

(3)

ΩR r

− ΩR d

= −R r

 

& .

(5)

1

3

] 1

( )

1

1

 &

ϕ3

Jak wiadomo, macierz Ω ma następującą postać:

0 −1

Ω =

.



(6)

1

0 





Podstawiając (1), (3) i (6) do (5), otrzymujemy:

0

b   &

ϕ

r&

1 

− 

=



     .

(7)

 r − a  &ϕ3  0 

Pozostaje tylko podstawienie danych liczbowych i rozwiązanie układu równań liniowych (np. metodą wyznaczników):

0

1  ϕ&1 − 

1

− 2

=



     ,

ω = ϕ& =

≈ − 667

.

0

(rad/s)

.

(8)

3 − 2 ϕ&

1

1

3

3 

 0 

Warto zauważyć, że przystępując do rozwiązywania zadania, lokalne układy odniesienia można związać z członami na wiele różnych sposobów. Schemat postępowania nie ulegnie zmianie, mogą się jednak zmienić szczegóły obliczeń. Dla rozwiania wątpliwości, wprowadźmy lokalne układy odniesienia nieco inaczej i przepiszmy wzory w odpowiednio zmienionej formie.

y 0 π1

π2

π3

ϕ3

x 0

d)

Dla lokalnych układów odniesienia wprowadzonych tak, jak na rysunku d) zmianie ulegają tylko wzory (1) i (3), pozostałe równania pozostają natomiast bez zmian:

0

 r − a

 d 

 r

(0)

b

=

,

(0)

c

=

,

2

2

d = a + b ,

(3)

d

=

,

)

1

(

r =

.

 



(1a)

 b

 0 





0





0



ϕ

−

ϕ   a d − b d

ϕ = ,

0

R = I , ϕ =

b a

R = R ϕ =

=

(3a)

1

1

2×2

3

(

atan2 , ),

3

( 3) cos

sin

/

/

3

3

.

sinϕ cos  



ϕ   b / d a / 

d

3

3



Rozwiązanie zadania 2

Wprowadzamy lokalne, związane z członami, układy odniesienia w sposób pokazany na rysunku b).

b

y 2

y0

y

π

k

2

s

1

k

ϕ+π/2

r

3

0

r

π

ϕ w

a

ϕ

3

π

x

1

x0

x

0

c

a)

b)

c)

Łańcuch kinematyczny opisujemy za pomocą wieloboku wektorowego, pokazanego na rysunku c).

Wśród wprowadzonych wektorów, jedynie wektor w jest stały: (0

 c

)



w

=   .

(1)

 a

Wektory r i k są zmienne. Wygodnie jest zapisać je w lokalnych układach π1 i π3. By uzależnić wektory od skalarnych parametrów r i k (pokazanych na rysunku c) wprowadzimy dodatkowy, stały wektor u:

1

 

(3)

u =

k

= ( s + b) 1

,

= k ,

( )

1

u

r = r .

u



(2)

0

0

 

 

Równanie wieloboku wektorowego ma następujące sformułowanie: w(0) + R k(3) − R r( )1 = 0 .

(3)

3

1

Na podstawie schematu kinematycznego wyznaczamy kąty obrotu lokalnych układów odniesienia względem układu globalnego:

cosϕ − sinϕ

− sinϕ − cosϕ

ϕ = ϕ, R =

, ϕ = ϕ + π / ,

2

R =

.

(4)

1

1

sinϕ cos 

3

3



ϕ

cosϕ

− sin 







ϕ 

Równanie wieloboku wektorowego (3), korzystając z zależności (2), można przepisać w następującej postaci:

[

 k

R u − R u

= −w .

(5)

3

1 ]

(0)

 

 r

Po podstawieniu (1) i (4) do wzoru (5) i zmianie znaku, otrzymujemy:

 sinϕ

cosϕ   k  c

=



     .

(6)

− cosϕ sinϕ   r  a

Stąd, stosując np. metodę wyznaczników, otrzymujemy: k = c sinϕ − a cosϕ .

(7)

Ostatecznie, poszukiwaną wartość s obliczamy tak: s = k − b = c sinϕ − a cosϕ − b .

(8)

Podstawiając dane liczbowe, otrzymujemy:

s = 5sin 2

.

1 − 2cosϕ −1 ≈ 935

.

2

(m) .

(9)

Rozwiązanie zadania 3

Niewiadome x i y zapisujemy w postaci wektora:

 x

q =   .

(1)

 y

Układ równań można przepisać w postaci:

2

(

Φ q)  x + y −1   2

q + q −1 

1

2

0

≡ 

.

(2)

3

 =

=

 3

  

 x − 2 y − 4  q − 2 q − 4

1

2

 0

Macierz Jacobiego obliczamy, różniczkując Φ(q) względem wektora q: Φ

.

(3)

q (q)

 2 x

1  2 q

1 

≡

≡



  1

2

2



3 x

− 2 3 q − 2

1



Zgodnie z treścią zadania przybliżenie startowe wynosi:

 x 0  2

q =

=

.

(4)

0

   

 y 0  1

Funkcja wektorowa Φ, dana równaniem (2) ma w punkcie q0 wartość: 2

(

Φ q

.

(5)

0 )

 2 +1−1  4

=  3

 =  

2 − 2 ⋅1− 4 2

Macierz Jacobiego, dana równaniem (3) ma w punkcie q0 wartość: Φ

.

(6)

q (q0 )

 2 ⋅ 2

1   4

1 

=

=



2

 



3⋅ 2

− 2 12 − 2

Przyrost obliczany w pierwszym kroku iteracji N-R oznaczamy przez ∆q:

∆ x  x − x

1

0 

∆q =

=

  

 .

(7)

∆ y  y − y

1

0 

Wartość przyrostu ∆q oblicza się rozwiązując następujący układ równań liniowych: Φ

= −

.

(8)

q (q

∆q

Φ q

0 )

( 0)

Podstawiając (5), (6) i (7) do (8), otrzymujemy:

 4

1  ∆ x − 4

=



   

 .

(9)

12 − 2 ∆ y − 2

Rozwiązując powyższy układ równań, znajdujemy:

−1

∆ x =

.

(10)

2

Ostatecznie zatem, korzystając z zależności (7), obliczamy: 1

3

x = x + ∆ x = 2 − = = 5

.

1 .

(11)

1

0

2

2