الآلية (الهندسة)

في الهندسة ، الآلية هي جهاز يحول قوى وحركة الإدخال إلى مجموعة مرغوبة من قوى وحركة الإخراج. تتكون الآليات عمومًا من مكونات متحركة قد تشمل التروس وسلاسل التروس ؛ والأحزمة وسلاسل النقل ؛ والكامات والمتابعات ؛ والوصلات ؛ وأجهزة الاحتكاك، مثل المكابح أو القوابض ؛ والمكونات الهيكلية مثل الإطار، والمثبتات، والمحامل، والينابيع، أو مواد التشحيم؛ وعناصر الآلات المختلفة ، مثل التروس المسننة، والدبابيس، والمفاتيح. ^{[ 1 ]}

يعرّف العالم الألماني فرانز رولو ^{[ 2 ]} الآلة بأنها "مجموعة من الأجسام المقاومة مرتبة بحيث يمكن من خلالها إجبار القوى الميكانيكية للطبيعة على القيام بعمل مصحوب بحركة محددة معينة" ^{[ 3 ]} في هذا السياق، يُفسر استخدامه للآلة بشكل عام على أنه يعني الآلية .

إن الجمع بين القوة والحركة هو ما يحدد القدرة ، وتقوم آلية ما بإدارة القدرة لتحقيق مجموعة مرغوبة من القوى والحركة.

الآلية عادةً ما تكون جزءًا من عملية أكبر، تُعرف بالنظام الميكانيكي أو الآلة . أحيانًا يُشار إلى الآلة بأكملها على أنها آلية؛ ومن الأمثلة على ذلك آلية التوجيه في السيارة ، أو آلية تعبئة ساعة اليد . ومع ذلك، يُطلق عادةً على مجموعة من الآليات المتعددة اسم آلة.

منذ عهد أرخميدس وحتى عصر النهضة ، كان يُنظر إلى الآليات على أنها مُكوّنة من آلات بسيطة ، مثل الرافعة والبكرة والبرغي والعجلة والمحور والوتد والمستوى المائل . ركّز رولو على الأجسام، التي تُسمى الوصلات ، والروابط بين هذه الأجسام، التي تُسمى الأزواج الحركية أو المفاصل .

لاستخدام الهندسة في دراسة حركة آلية ما، تُنمذج وصلاتها كأجسام صلبة . وهذا يعني أن المسافات بين النقاط في الوصلة تُفترض ثابتة أثناء حركة الآلية، أي أن الوصلة لا تنثني. وبالتالي، تُعتبر الحركة النسبية بين النقاط في وصلتين متصلتين ناتجة عن الزوج الحركي الذي يربط بينهما.

تُعتبر الأزواج الحركية، أو المفاصل، بمثابة قيود مثالية بين وصلتين، مثل قيد نقطة واحدة للدوران المحض، أو قيد خط للانزلاق المحض، بالإضافة إلى التدحرج المحض دون انزلاق والتلامس النقطي مع الانزلاق. ويتم نمذجة الآلية على أنها مجموعة من الوصلات الصلبة والأزواج الحركية.

الوصلات والمفاصل

أطلق رولو على الوصلات المثالية بين الوصلات اسم الأزواج الحركية . وميّز بين الأزواج العليا ، التي يكون فيها التلامس بين الوصلتين خطيًا، والأزواج الدنيا ، التي يكون فيها التلامس بين الوصلتين مساحيًا. ويُبيّن ج. فيليبس ^{[ 4 ]} أن هناك طرقًا عديدة لإنشاء أزواج لا تتوافق مع هذا النموذج البسيط.

الزوج السفلي: الزوج السفلي هو وصلة مثالية يكون فيها تلامس سطحي بين عنصري الوصلة، كما في الحالات التالية:

• يتطلب المفصل الدوراني، أو المفصل المفصلي، أن يظل خط في الجسم المتحرك متوازياً مع خط في الجسم الثابت، وأن يحافظ مستوى عمودي على هذا الخط في الجسم المتحرك على اتصاله بمستوى عمودي مماثل في الجسم الثابت. يفرض هذا خمسة قيود على الحركة النسبية للوصلات، مما يمنح المفصل درجة حرية واحدة.
• يتطلب المفصل المنزلق ، أو المفصل الانزلاقي، أن يظل خط في الجسم المتحرك محاذيًا لخط في الجسم الثابت، وأن يحافظ مستوى موازٍ لهذا الخط في الجسم المتحرك على اتصاله بمستوى موازٍ مماثل في الجسم الثابت. يفرض هذا خمسة قيود على الحركة النسبية للوصلات، مما يمنح الزوج درجة حرية واحدة.
• يتطلب المفصل الأسطواني أن يظل خط في الجسم المتحرك متوازياً مع خط في الجسم الثابت. وهو يجمع بين المفصل الدوراني والمفصل الانزلاقي. يتمتع هذا المفصل بدرجتي حرية.
• يتطلب المفصل الكروي، أو المفصل الكروي، أن تحافظ نقطة في الجسم المتحرك على اتصالها بنقطة في الجسم الثابت. يتمتع هذا المفصل بثلاث درجات من الحرية.
• يتطلب المفصل المستوي أن يحافظ مستوى في الجسم المتحرك على اتصاله بمستوى في الجسم الثابت. ويتمتع هذا المفصل بثلاث درجات من الحرية.
• إن المفصل اللولبي، أو المفصل الحلزوني، له درجة حرية واحدة فقط لأن حركات الانزلاق والدوران مرتبطة بزاوية اللولب للخيط.

الأزواج العليا: بشكل عام، يُمثل الزوج الأعلى قيدًا يتطلب تلامسًا خطيًا أو نقطيًا بين الأسطح الأساسية. على سبيل المثال، يُعد التلامس بين الكامة ومتابعها زوجًا أعلى يُسمى وصلة الكامة . وبالمثل، يُعد التلامس بين المنحنيات المتداخلة التي تُشكل أسنان تعشيق ترسين وصلات كامة.

يُختزل المخطط الحركي مكونات الآلة إلى مخطط هيكلي يُبرز المفاصل ويُبسط الروابط إلى عناصر هندسية بسيطة. ويمكن صياغة هذا المخطط أيضًا على شكل رسم بياني ، حيث تُمثل روابط الآلية حوافًا والمفاصل رؤوسًا للرسم البياني. وقد أثبت هذا النوع من المخطط الحركي فعاليته في حصر الهياكل الحركية في عملية تصميم الآلات. ^{[ 5 ]}

من الاعتبارات المهمة في عملية التصميم هذه درجة حرية نظام الروابط والمفاصل، والتي يتم تحديدها باستخدام معيار تشيبيشيف-جروبلر-كوتزباخ .

على الرغم من أن جميع الآليات في النظام الميكانيكي ثلاثية الأبعاد، إلا أنه يمكن تحليلها باستخدام الهندسة المستوية إذا كانت حركة المكونات الفردية مقيدة بحيث تكون جميع مسارات النقاط متوازية أو متصلة على التوالي بمستوى. في هذه الحالة، يُطلق على النظام اسم آلية مستوية . يستخدم التحليل الحركي للآليات المستوية مجموعة فرعية من المجموعة الإقليدية الخاصة SE ، والتي تتكون من الدورانات والانتقالات المستوية، ويرمز لها بـ SE. ^{[ 6 ]}

المجموعة SE ثلاثية الأبعاد، مما يعني أن كل موضع لجسم في المستوى يُحدد بثلاثة معايير. هذه المعايير هي عادةً إحداثيات x و y لنقطة الأصل في إطار إحداثيات في M ، مقاسة من نقطة الأصل في إطار إحداثيات في F ، والزاوية المقاسة من المحور x في F إلى المحور x في M. يُوصف هذا غالبًا بأن للجسم في المستوى ثلاث درجات حرية .

يمكن تمثيل الدوران المحض للمفصلة والانتقال الخطي للمنزلق بمجموعات فرعية من SE، ويُعرّف المفصلان كمفصلين ذوي درجة حرية واحدة للآليات المستوية. أما مفصل الكامة المتكون من سطحين في تماس انزلاقي ودوراني فهو مفصل ذو درجتي حرية.

من الممكن تصميم آلية بحيث تقع مسارات النقاط في جميع مكوناتها ضمن أغلفة كروية متحدة المركز حول نقطة ثابتة. ومن الأمثلة على ذلك الجيروسكوب ذو المحورين . تُسمى هذه الأجهزة بالآليات الكروية. ^{[ 6 ]} تُصنع الآليات الكروية عن طريق ربط الوصلات بمفاصل مفصلية بحيث يمر محور كل مفصل عبر النقطة نفسها. تصبح هذه النقطة مركز الأغلفة الكروية متحدة المركز. تتميز حركة هذه الآليات بمجموعة الدوران SO(3) في الفضاء ثلاثي الأبعاد. ومن الأمثلة الأخرى على الآليات الكروية: الترس التفاضلي في السيارات ومعصم الروبوت.

مجموعة الدوران SO(3) ثلاثية الأبعاد. ومن الأمثلة على المعايير الثلاثة التي تحدد الدوران المكاني زوايا الميلان والانعطاف والانحراف المستخدمة لتحديد اتجاه الطائرة.

تُسمى الآلية التي يتحرك فيها الجسم في حركة مكانية عامة بالآلية المكانية . ومن الأمثلة على ذلك وصلة RSSR، التي يمكن اعتبارها وصلة رباعية القضبان، حيث تُستبدل المفاصل المفصلية لوصلة الربط بنهايات قضبان ، تُسمى أيضًا بالمفاصل الكروية . تسمح نهايات القضبان بعدم محاذاة ذراعي الإدخال والإخراج في وصلة RSSR بحيث تقعان في مستويين مختلفين، مما يؤدي إلى حركة وصلة الربط في حركة مكانية عامة. تُعد أذرع الروبوت ومنصات ستيوارت وأنظمة الروبوتات الشبيهة بالبشر أمثلة أخرى على الآليات المكانية.

تُعد وصلة بينيت مثالاً على آلية ذات قيود مكانية زائدة ، والتي تتكون من أربعة مفاصل مفصلية.

المجموعة SE(3) سداسية الأبعاد، مما يعني أن موقع الجسم في الفضاء يُحدد بستة معايير. ثلاثة من هذه المعايير تُحدد أصل الإطار المرجعي المتحرك بالنسبة للإطار الثابت. أما المعايير الثلاثة الأخرى فتُحدد اتجاه الإطار المتحرك بالنسبة للإطار الثابت.

الوصلة هي مجموعة من الوصلات المتصلة بمفاصل. عمومًا، تُمثل الوصلات العناصر الهيكلية، بينما تسمح المفاصل بالحركة. ولعلّ المثال الأكثر فائدة هو الوصلة الرباعية المستوية . مع ذلك، توجد العديد من الوصلات الخاصة الأخرى.

• تُعدّ وصلة وات وصلة رباعية القضبان تُولّد خطًا مستقيمًا تقريبًا. وقد كانت هذه الوصلة أساسية لعمل تصميمه لمحرك البخار. كما تُستخدم هذه الوصلة في أنظمة تعليق المركبات لمنع الحركة الجانبية للهيكل بالنسبة للعجلات.
• أدى نجاح وصلة وات إلى تصميم وصلات خطية تقريبية مماثلة، مثل وصلة هوكين ووصلة تشيبيشيف .
• تُنتج وصلة بوسيليه خرجًا مستقيمًا حقيقيًا من مدخل دوار.
• وصلة ساروس هي وصلة مكانية تولد حركة خطية مستقيمة من مدخل دوراني.
• تُعدّ وصلة كلان ووصلة جانسن اختراعات حديثة توفر حركات مشي مثيرة للاهتمام. وهما عبارة عن وصلة سداسية وثمانية قضبان على التوالي.

الآلية المرنة هي سلسلة من الأجسام الصلبة المتصلة بعناصر مرنة. تتميز هذه الآليات بالعديد من المزايا، منها تقليل عدد الأجزاء، وتقليل "الارتخاء" بين الوصلات (انعدام الحركة الطفيلية بسبب الفجوات بين الأجزاء ^{[ 7 ]} )، وتخزين الطاقة، وانخفاض تكاليف الصيانة (فهي لا تتطلب تزييتًا، كما أن التآكل الميكانيكي فيها منخفض)، وسهولة التصنيع. ^{[ 8 ]}

تُعد محامل الانحناء (المعروفة أيضًا باسم مفاصل الانحناء ) مجموعة فرعية من الآليات المرنة التي تنتج حركة محددة هندسيًا (دوران) عند تطبيق قوة.

تتكون آلية الكامة والتابع من خلال التلامس المباشر بين وصلتين مصممتين بشكل خاص. تُسمى الوصلة المحركة بالكامة، بينما تُسمى الوصلة التي تُدار من خلال التلامس المباشر بين سطحيها بالتابع. ويحدد شكل سطحي التلامس للكامة والتابع حركة الآلية . وبشكل عام، تنتقل الطاقة في آلية الكامة والتابع من الكامة إلى التابع. يدور عمود الكامة ، ويتحرك التابع لأعلى ولأسفل وفقًا لشكل الكامة. وتتوفر اليوم أنواع مختلفة قليلاً من توابع الكامة اللامركزية، حيث تنتقل الطاقة من التابع إلى الكامة. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا النوع من آليات الكامة والتابع في أن التابع يتحرك حركة طفيفة، مما يساعد على تدوير الكامة لمسافة أكبر بست مرات باستخدام 70% من القوة.

يمكن تتبع نقل الدوران بين عجلات مسننة متلامسة إلى آلية أنتيكيثيرا في اليونان وعربة الصين التي تشير إلى الجنوب . تُظهر رسومات العالم جورجيوس أغريكولا، أحد علماء عصر النهضة، سلاسل تروس ذات أسنان أسطوانية. وقد أدى استخدام السن الحلزوني إلى تصميم تروس قياسي يوفر نسبة سرعة ثابتة. من أهم خصائص التروس وسلاسل التروس ما يلي:

• تحدد نسبة دوائر الخطوة للتروس المتزاوجة نسبة السرعة والميزة الميكانيكية لمجموعة التروس.
• توفر مجموعة التروس الكوكبية نسبة تخفيض عالية للتروس في حزمة صغيرة الحجم.
• من الممكن تصميم أسنان التروس للتروس غير الدائرية ، ومع ذلك لا تزال تنقل عزم الدوران بسلاسة.
• يتم حساب نسب السرعة لسلاسل النقل وأحزمة النقل بنفس طريقة حساب نسب التروس .

يُعرف تصميم الآليات لتحقيق حركة معينة ونقل قوة محددة باسم التركيب الحركي للآليات . ^{[ 9 ]} وهو عبارة عن مجموعة من التقنيات الهندسية التي تُحدد أبعاد الوصلات، وآليات الكامات والمتابعات، والتروس وسلاسل التروس اللازمة لأداء الحركة الميكانيكية المطلوبة ونقل الطاقة. ^{[ 10 ]}

• نظام التروس
• آلية هوبرمان
• الوصلة (الميكانيكية)
• آلة (ميكانيكية)
• النظام الميكانيكي
• ساعة ميكانيكية
• نقل
• مخطط الآلات
• العمل الافتراضي

• آلية مفصلية متوازنة
• موسوعة الآلات والآليات
• مكتبة النماذج الحركية للتصميم الرقمية (KMODDL) تضم مجموعات من الأفلام والصور لمئات النماذج الآلية
• وصلة خطية سداسية القضبان ضمن مجموعة نماذج رولو في جامعة كورنيل
• رسوم متحركة لمجموعة متنوعة من الآليات
• مثال على مولد دالة سداسي الأشرطة يحسب الزاوية لنطاق معين
• مجموعة متنوعة من الرسوم المتحركة للربط
• مجموعة متنوعة من تصميمات الوصلات السداسية
• رسم متحرك لآلية كروية قابلة للنشر