СПОСОБ СМЕНЫ НАПРАВЛЕНИЯ И БЛОКИРОВКИ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ, ПЕРЕДАВАЕМОГО ОТ ПРИВОДА К ИСПОЛНИТЕЛЬНОМУ МЕХАНИЗМУ
METHOD OF ROTATIONAL MOVEMENT TRANSMITTED FROM DRIVE TO ACTUATOR DIRECTION CHANGING AND TRANSMISSION LOCKING

Изобретение относится к области машиностроения, робототехники, более точно к производству передач движения от двигателя к исполнительному механизму, обеспечивающих таковому режим блокировки, прямое и обратное направление движения, позволяющих обеспечить исполнительному механизму работу, в асинхронном режиме, комплекса исполнительных механизмов, с одним приводом на все исполнительные механизмы.
Из известного уровня техники можно выделить следующие аналоги: фрикционные вариаторы, механические коробки передач и другие. Фрикционные вариаторы имеют ряд существенных недостатков, что не позволяет их применять в робототехнике в качестве приводов исполнительных механизмов ориентированных на робототехнику, то же самое относится и к механическим коробкам передач. Известные устройства блокировки и смены направления движения исполнительного механизма, в качестве которых выступают гидравлические и пневматические привода, тоже имеют ряд недостатков, одним из которых является чувствительность к окружающей среде (давление, температура).
Задачей заявляемого изобретения является создание механической передачи, вращательного движения, позволяющей блокировку и смену направления вращательного движения, передаваемого от привода, без размыкания цепи элементов передачи, без добавления новых элементов и изменения их последовательности, а также без изменения передаточных отношений соответствующих видов соединения элементов, по существу - с постоянным коэффициентом зацепления, при любых технологических процессах, осуществляемых на средствах исполнения.
Решение должно расширить функциональность исполнительных механизмов в комплексном использовании как в стационарной, так и мобильной, специальной робототехнике, удешевить производство робототехники, увеличить износостойкость, уменьшить зависимость от воздействия внешней среды.
Для достижения решения поставленной задачи заявляемое техническое решение «Способ смены направления и блокировки движения, передаваемого от привода к исполнительному механизму» содержит признаки, совокупность которых позволяет решать задачу в целом, опираясь на смену пространственного положения элементов цепи передачи, без ее размыкания.
Заявляемое изобретение позволяет повысить коэффициент сцепления элементов внутри исполняющей цепи до единицы.
Решение задачи средствами механики обеспечивает снижение степени влияния, на функциональность привода по отношению к гидравлическим системам, пневматическим и другим факторов внешней среды: давление, температура; однотипность действий смены режима дает возможность их осуществления одним управляющим приводом, а связанная цикличность дает возможность отбора мощности для управляющего привода от рабочего;
возможность осуществления цикла действий в двух направлениях и вращательного варианта управляющего привода дает возможность, в некоторых пределах и условиях, осуществлять смену режима, используя полезную нагрузку на исполнительный механизм;
а также решение данными средствами дает возможность комплексного использования исполнительных механизмов (предполагаемо наиболее эффектно в мобильной и специальной робототехнике), работающих от одного привода в единой системе, при котором можно предположить:
- улучшение контроля и управления технологическим процессом в связи синхронным шагом привода для каждого отдельно взятого исполнительного механизма, что облегчает расчеты управляющей программы, программ по синхронизации многопоточных технологических процессов, выполняемых комплексом;
- возможность увеличения мощности привода для мобильных комплексов (роботов) за счет снижения общего веса двигателей и возможности уменьшения их числа до единицы;
- возможность выполнения работ, требующих большей мощности рабочего привода, чем мощность общего привода, за счет увеличения крутящего момента привода посредством использования воздействия внешних сил на исполнительные механизмы комплекса;
- возможность выполнения кратковременных работ, требующих большей мощности, чем мощность общего привода, за счет увеличения момента инерции единой системы вращательного движения, посредством задействования для этого исполнительных механизмов и использования инерции их элементов.
Предлагаемый к рассмотрению «Способ смены направления и блокировки передачи вращательного движения, передаваемого от привода к исполнительному механизму по неразрывной цепи» осуществляют путем формирования режима работы передачи - сменой согласованного сочетания режимов работы участков цепи постоянного набора элементов.
Смена направления, блокировка и возобновление передачи основаны на принудительном изменении условий протекания процесса действиями внутри последовательной цепи передачи, компонованной по следующим условиям, необходимым для осуществления способа: ограниченной двумя внешними элементами вращения и содержащей внутренние между ними, разного типа, состоящей с одной стороны из участка передачи и блокировки передачи вращательного движения, через который осуществляется передача, блокировка и возобновление передачи вращательного движения, а с другой стороны из участка передачи и смены направления вращательного движения, через который осуществляется передача и смена направления вращательного движения, и из соединительного элемента, связующего эти два участка.
Участок передачи и блокировки передачи вращательного движения состоит из внешнего вращательного элемента цепи передачи и установленного на нем соединяющего элемента, передающего движение по цепи при несоосности своей оси и оси элемента, на котором он установлен. Основным условием возможности блокировки и разблокирования передачи является такая подвижность соединяющего элемента, что, в зависимости от компоновки всей цепи, тем или иным образом, он может менять положение своей оси к оси вращения элемента, на котором он установлен, а действия блокировки или разблокирования передачи вращательного движения к исполнительному механизму осуществляются с сменой этого положения на одну из двух позиций. В режиме блокировки передачи ось соединяющего элемента участка передачи и блокировки передачи позиционируется соосно оси внутреннего вращательного элемента, на котором он установлен.
Участок передачи и смены направления вращательного движения включает в себя пару элементов с непосредственным контактом тел вращения с пересекающимися валами, один из которых является внешним элементом цепи, а второй - внутренним. Внешний вращательный элемент участка имеет постоянное положение своей оси в цепи передачи, а внутренний - сменное, позиционируемое по отношению к системе координат цепи и постоянное по отношению к оси внешнего элемента цепи участка передачи и смены направления.
Связующий элемент цепи передачи может быть реализован в виде магнитного поля, связывающего два магнетика, выполняющих функции соединяющих элементов, либо в виде механических связей. В этом случае применяются соединяющие элементы в виде двуполярных магнитов, а за их оси берутся оси их магнитного поля, каждого в отдельности.
Проведение определенного кинематического согласования или рассогласования осуществляют без разрыва цепи передачи, сопряженными действиями, производящимися от режима к режиму передачи двумя замкнутыми, кратными, двухсторонними и сопряженными между собой циклами, где блокировка и разблокирование передачи осуществляются действиями одного цикла, производящимися над участком передачи и блокировки передачи вращения, а смена направления вращательного движения действиями двух циклов: циклом действий над участком передачи и смены направления вращательного движения в сопряжении с циклом действий блокирования и разблокирования передачи вращательного движения. Действия могут быть сопряжены синхронно и асинхронно - последовательно.
В случае синхронного сопряжения действий необходимые манипуляции обоих циклов можно приводить в исполнение одним приводом управления, либо вращательным, либо реечным. Преимущество вращательного привода управления будет заключаться в том, что для осуществления действий можно будет отбирать мощность от рабочего привода передачи, либо, при специальном варианте реализации используя полезную нагрузку на исполнительный механизм или создаваемую искусственно, а также в том, что оба цикла будут замкнутыми. В зависимости от варианта компоновки составляющих цепи - связующего элемента и соединяющих элементов соединенных звеньев - подбирается оптимальный вариант сопряжения. Так, например, при связующем элементе в виде магнитного поля оптимальным вариантом будет синхронное сопряжение, а при механическом соединении соединяющих элементов более подходящим будет асинхронное сопряжение.
Смена режима передачи на блокировку вращательного движения осуществляется сменой позиции соединяющего элемента участка передачи и блокировки вращательного движения на соответственную - переводом его положения в положение соосности его оси к оси элемента, на котором он установлен. Возобновление передачи осуществляется обратным действием - переводом элемента в положение несоосности, обеспечивающее возможность передачи вращательного или поступательно-вращательного движения между двумя участками посредством связующего звена.
Для возможности смены направления вращательного движения необходимо, чтобы связующий элемент позволял смену положения соединяющих относительно друг друга, а также обеспечение компоновкой цепи условия, по ее завершении, неизменности пространственного положения связей связующего элемента с остальной цепью передачи. Это может механическая шарнирная связь или магнитная муфта, выполняющая и функцию шарнирного соединения. При механическом варианте реализации связующего элемента в виде шатуна с шарниром возможный сбой направления движения на противоположное в позиции шатуна, соответствующей мертвой точке, устраняется стандартно - исключением мертвой точки - замыканием двух параллельных цепей передачи, в которых шатуны будут иметь разные позиции. Если же соединяющие и связующий элементы представляют собой магнитную муфту, то позиция соединяющего ведомого элемента относительно соединяющего ведущего элемента, по завершении смены, устанавливается автономно.
Действие смены направления вращательного движения осуществляют сменой позиции пространственного положения внутреннего элемента вращения участка передачи и смены направления вращательного движения, поворотом его оси вокруг оси внешнего элемента вращения участка на противоположную, меняя этим положение участка в пространстве относительно всей цепи, ориентируя передаваемое направление вращательного движения на противоположное в результате смены позиции точки, линии или области контакта, в зависимости от типа элементов вращения участка, внутреннего элемента вращения с внешним элементом вращения участка, на контуре поверхности или объеме контакта внешнего элемента вращения, на противоположную относительно его оси, где направление движения масс вращения внешнего элемента будет противоположным, если передача движения к исполнительному механизму осуществляется со стороны участка передачи и блокировки передачи вращательного движения, и где направление движения масс вращения внутреннего элемента вращения будет противоположным, если вращательное движение передается по цепи от участка передачи и смены направления к участку передачи и блокировки вращательного движения.
В варианте реализации соединения участков передачи посредством магнитного поля в качестве связующего элемента и биполярных магнитов в качестве соединяющих направление передачи вращательного движения удобнее проводить от участка передачи и блокировки передачи вращательного движения, по цепи, к участку передачи и смены направления вращательного движения, вариант обратной реализации ведет к существенному усложнению механизма управления.
Для обоих вариантов возможно осуществление и четвертой передачи, аналогичной нейтральной, но в этом случае необходимо сделать соединяющий элемент внутреннего элемента участка передачи смены направления вращательного движения подвижным на время смены режима работы цепи на эту передачу и вывода с нее.
Заявляемое техническое решение поясняется приложенными чертежами, на которых изображены: 1 - внешний элемент участка передачи и блокировки вращательного движения, 2 - внутренний элемент участка передачи и смены направления вращательного движения, 3 - внешний элемент участка передачи и смены направления вращательного движения, 4 - соединяющий элемент участка передачи и блокировки движения, 5 - соединяющий элемент участка передачи и смены направления вращательного движения, 6 - связующий элемент, 7 - линия контакта, А, Б - оси соединяющих элементов, В - ось внешнего элемента участка передачи и блокировки вращательного движения, Г - ось внутреннего элемента участка передачи и смены направления вращательного движения, Д - ось внешнего элемента участка передачи и смены направления вращательного движения. На фиг. 1, 2 и 3 изображена реализация с соединением в виде магнитного поля; на фиг. 4, 5 и 6 - реализация с механическим соединением.
На чертежах изображены примеры реализации цепи передачи и формирование трех передач на них.
Цепь передачи реализована следующим образом: участок передачи и блокировки передачи вращательного движения из элементов 1 и 4; участок передачи и смены направления вращательного движения из элементов 2 и 3; связующий элемент 6.
Формирование одной из передач (см. фиг. 1, 4) обуславливается тем, что соединяющий элемент 4 участка передачи и блокировки вращательного движения установлен так, что ось «А» соединяющего элемента 4 позиционирована в положение, несоосное оси «В» вращения этого элемента и внешнего элемента, на котором он установлен, что создает условие для того, чтобы вращательное движение передавалось на связующий элемент 6, а через него на аналогично установленный соединяющий элемент 5 участка передачи и смены направления, вращающий элемент 2 вокруг оси «Г», параллельной оси «В». Далее, по линии контакта 7, вращение передается на внешний элемент участка передачи и смены направления вращательного движения.
Для формирования передачи с противоположным направлением вращения (см. фиг. 3, 6) необходимо переместить линию контакта 7 в позицию, противоположную относительно оси «Д» вращения внешнего элемента 3 участка передачи и смены направления вращательного движения, за счет смены позиции внутреннего элемента 2, посредством его поворота вокруг оси «Д».
Блокировка передачи вращательного движения (см. фиг. 2, 5) производится установкой необходимых элементов в такие позиции, чтобы ось «А» соединяющего элемента 4 стала соосной оси вращения «В» внешнего элемента 1 участка передачи и блокировки передачи вращательного движения. В случае с реализацией соединяющих элементов в виде диполярных магнетиков и связующего в виде их магнитного поля (см. Фиг. 2) внутренний элемент 2 участка передачи и смены направления вращательного движения необходимо установить в такое положение, чтобы связь соединяющих элементов 5 и 4 не позволяла вращаться элементу 2 вокруг его оси «Г». Такой необходимости нет в случае реализации в виде механической связи, как на фиг. 5.