Пантограф

Полезная модель относится к направляющим механизмам, в которых движение копирующей чертящей точки по заданной траектории вынуждает воспроизводящую чертящую точку двигаться по пропорционально измененной траектории с заданным коэффициентом подобия, например, в станках для механической обработки поверхностей, в частности, для перемещения щупа и инструмента в граверном деле, в стекольной промышленности и др.
Проблемой пантографов, используемых для механической обработки поверхностей, является то, что при работе происходит быстрое снижение точности пропорционального изменения траекторий чертящих точек.
Известен пантограф 1, содержащий неподвижную стойку, два двуплечих стержня, два поводка, щуп и инструмент. Один конец первого стержня шарнирно связан со стойкой, а другой его конец - с концом второго стержня. На свободном конце второго стержня закреплен щуп. Конец первого поводка связан с первым стержнем промежуточным шарниром. Центр этого шарнира находится на первом стержне в точке, разделяющей стержень на два плеча. Другой конец первого поводка связан шарниром с концом второго поводка. На оси этого шарнира закреплен инструмент. Другой конец второго поводка связан со вторым стержнем промежуточным шарниром. Центр этого шарнира находится на втором стержне в точке, разделяющей стержень на два плеча. Шарнирно связанные между собой стойка, стержни и поводки в совокупности образуют плоский механизм, а поводки и соответствующие им плечи стержней - плоский щарнирный четырехзвенник. Плоскость движения звеньев механизма пантографа в рабочем положении параллельна копируемой и обрабатываемой плоскостям. Продольная ось щупа перпендикулярна плоскости движения звеньев механизма. На конце этой оси распо2003109830
IHMMIIPPPPIP I
-2 О О 5
F 16Н 21/02 ПАНТОГРАФ
ложена копирующая чертящая точка. Продольная ось инструмента совпадает с осью шарнира, соединяющего концы поводков. На конце продольной оси инструмента расположена воспроизводящая чертящая точка.
Длины поводков и расположение центров промежуточных шарниров на стержнях выбраны из двух условий. Во-первых, четырехзвенник в составе механизма является параллелограммом. Во-вторых, продольные оси щупа и инструмента лежат в плоскости, проходящей через ось шарнирного соединения первого стержня со стойкой, а отношение расстояний от оси этого шарнира до оси щупа и до оси инструмента равно отношению разности длин первого стержня и второго поводка к длине первого стержня.
При перемещении копирующей чертящей точки по заданной фивой на соответствующей плоскости воспроизводящая чертящая точка вычертит на обрабатываемой плоскости кривую, подобную заданной. Коэффициент подобия кривых равен отношению разности длин первого стержня и второго поводка к длине первого стержня.
Прижатие щупа к копируемой плоскости производится силой, перпендикулярной к плоскости движения звеньев пантографа. Прижимное усилие передается через звенья и соединительные шарниры к инструменту. Сила, прижимающая инструмент к обрабатываемой плоскости, также перпендикулярна плоскости движения звеньев пантографа.
Данный пантограф вычерчивает на обрабатываемой плоскости любые кривые, подобные траекториям копирующей чертящей точки.
Недостатком этого пантографа является быстрое снижение точности пропорционального изменения траекторий чертящих точек из-за возникающих при работе пантографа отклонений продольных осей щупа и инструмента от нормали к копируемой и обрабатываемой плоскостям. Возникновение этих отклонений обусловлено следующим. Прижимные силы, действующие на звенья пантографа, приложены к одному из концов каждого звена. Поэтому в каждом шарнирном соединении звеньев возникает пара сил, стремящаяся отклонить ось шарнира от нормали к плоскости движения звеньев пантографа. Пары сил вызывают износ деталей шарнирных соединений. Накопление износных повреждений приводит к отклонению продольных осей щупа и инструмента от первоначального установленного направления.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пантограф 2. Пантограф содержит неподвижную стойку, кулису, двуплечий стержень, два взаимно лараллельных шатуна, два ползуна, щуп и инструмент. Кулиса шарнирно связана со стойкой. Ось этого шарнирного соединения совпадает с осью шарнира, соединяющего кулису с концом двуплечего стержня. Другой конец двуплечего стержня шарнирно связан с концом первого шатуна. На противоположном конце первого шатуна расположен шарнир, соединяющий этот шатун с первым ползуном. На оси этого шарнира закреплен щуп. Один конец второго шатуна связан с двуплечим стержнем промежуточным шарниром. Центр этого шарнира находится на стержне в точке, разделяющей стержень на два плеча. На другом конце второго щатуна расположен шарнир, соединяющий этот шатун со вторым ползуном. На оси этого шарнира закреллен инструмент. Первый и второй ползуны установлены в прямолинейной направляющей кулисы. Продольная ось этой направляющей проходит через центр шарнира, соединяющего кулису с двуплечим стержнем.
Кулиса, стержень, шатуны и ползуны, соединенные между собой шарнирами и поступательными парами, в совокупности образуют плоский механизм. Плоскость механизма в рабочем положении пантографа параллельна копируемой и обрабатываемой плоскостям. Продольные оси щупа и инструмента совпадают с осями
шарниров, соединяющих соответственно первый шатун с первым ползуном и второй шатун со вторым ползуном. На концах этих осей расположены копирующая и воспроизводящая чертящие точки. Отношение расстояний от оси шарнирного соединения кулисы с двуплечим стержнем до продольной оси щупа и до продольной оси инструмента равно отношению длин первого и второго шатунов.
Перемещение копирующей чертящей точки по заданной кривой на соответствующей плоскости приводит в движение щатуны, ползуны, кулису и стержень в плоскости движения механизма пантографа. В результате воспроизводящая чертящая точка вычертит на обрабатываемой плоскости кривую, подобную заданной. Коэффициент подобия равен отношению длин первого и второго шатунов.
Прижатие щупа и инструмента к копируемой и обрабатываемой плоскостям при работе пантографа осуществляется силами, перпендикулярными плоскости движения его звеньев. Передача прижимного усилия кулисы к щупу и к инструменту происходит через соединенные с кулисой ползуны.
В связи с тем, что у этого пантографа в передаче прижимного усилия участвуют три звена из шести, износные повреждения деталей соединений звеньев выражены в меньшей степени, чем у аналога.
Но износные повреждения у этого пантографа сохраняются, особенно в точках соприкосновения ползунов со стенками направляющей кулисы. Это связано с тем, что при передаче прижимного усилия от кулисы к щупу и к инструменту через ползуны на каждый ползун действует пара сил, стремящаяся отклонить продольную ось щупа или инструмента от нормали к плоскости движения звеньев пантографа. Как следствие этого, возникает износ контактирующих поверхностей ползунов и направляющей кулисы, а накопление износных повреждений приводит к отклонениям продольных осей щупа и инструмента от первоначально установленного направления. В результате, при работе пантографа быстро снижается точность пропорционального изменения траекторий чертящих точек. Это является недостатком известного пантографа.
Задача, решаемая изобретателем, заключается в создании пантографа, у которого при работе продолжительное время сохраняется высокая точность пропорционального изменения траекторий чертящих точек, за счет размещения щупа и инструмента в плоскости движения звеньев пантографа и расположения этой плоскости под прямым углом к копируемой и обрабатываемой плоскостям.
Для решения поставленной задачи в известный пантограф, содержащий неподвижную стойку, кулису, двуплечий стержень, первый и второй взаимно параллельные шатуны, два ползуна, щуп и инструмент, при этом ползуны установлены в прямолинейной направляющей кулисы, щуп и инструмент с чертящими точками на свободных концах соединены соответственно с концами первого и второго шатунов, кулиса со стойкой и с двуплечим стержнем, двуплечий стержень с первым и со вторым шатуном, шатуны с соответствующими ползунами соединены шарнирами, причем ось шарнирного соединения кулисы со стойкой перпендикулярна копируемой и обрабатываемой плоскостям, а кулиса, двуплечий стержень, шатуны и ползуны образуют плоский механизм, дополнительно введены двухшарнирный ползун и поводок, параллельный шатунам, первый и второй шатуны выполнены двуплечими с равными длинами плеч, длина плеча первого шатуна равна длине двуплечего стержня, соединение концов первого и второго шатунов соответственно со щупом и с инструментом выполнено шарнирным, поводок одним концом шарнирно соединен с концом щупа, другим - с концом двухшарнирного ползуна, противоположный конец которого соединен с первым шатуном в точке, разделяющей этот шатун на два отрезка с длинами, равными длинам второго шатуна и поводка, при этом продольная ось направляющей кулисы совпадает с осью шармирного соединения кулисы со стойкой, продольная ось двухшарнирного ползуна - с продольной осью инструмента.
Новое конструктивное выполнение механизма пантографа позволяет увеличить период работы пантографа с сохранением высокой точности пропорционального изменения траекторий чертящих точек.
Это обусловлено тем, что в заявленном пантографе щуп и инструмент с чертящими точками на свободных концах расположены в плоскости движения звеньев механизма пантографа, а эта плоскость при работе пантографа перпендикулярна копируемой и обрабатываемой плоскости. Силы, прижимающие щуп и ползун к копируемой и обрабатываемой плоскостям,действуют в плоскости механизма пантографа. Поэтому в соединениях звеньев отсутствуют пары сил, вызывающие относительные перекосы контактирующих деталей соединений. Устранение перекосов уменьшает интенсивность накопления износных повреждений в соединениях звеньев, увеличивает период работы пантографа с сохранением высокой точности пропорционального изменения траекторий чертящих точек.
На фиг. изображена схема предлагаемого пантографа.
Пантограф содержит неподвижную стойку 1, кулису 2, двуплечий стержень 3, первый шатун 4, второй шатун 5, ползуны 6 и 7, двухшарнирный ползун 8, поводок 9, щуп 10 с копирующей чертящей точки 11, инструмент 12 с воспроизводящей точкой 13.
Один конец кулисы 2 связан со стойкой шарниром 14, другой ее конец является вободным. Стержень 3 шарниром 15 связан с кулисой 2, шарниром 16 с шатуном 4, а шарниром 17 - с шатуном 5. Шатун 4 шарнирами 18, 19 и 20 связан сответственно с ползунами б, 8 и щупом 10. Шатун 5 шарнирами 21 и 22 связан с
и щупом 10. Ползуны 6 и 7 установлены в прямолинейной направляющей кулисы 2. Продольная ось этой направляющей совпадает с осью шарнира 14 и перпендикулярна копируемой 25 и обрабатываемой 26 плоскостям. Продольные оси двухшарнирного ползуна 8 и инструмента 12 совпадают.
Кулисы 2, стержень 3, шатуны 4,5 поводок 9, ползуны 6, 7, 8, щуп 10 и инструмент 12 образуют плоский механизм. Расположение соединительных шарниров на звеньях механизма обеспечивает взаимную параллельность продольных осей кулисы 2, щупа 10 и инструмента 12, равенство расстояний между осями шарниров 15 и 16, 16 и 18, 16 и 20, равенство расстояний между осями шарниров 15 и 17, 17 и 21, 17 и 22.
Пантограф работает следующим образом. Перемещение чертящей точки 11 по заданной траектории на копируемой плоскости 25 приводит к смещению щупа 10, шатунов 4, 5, поводка 9, ползунов 6, 7, 8, стержня 3 и инструмента 12 в плоскости движения звеньев механизма пантографа. Вместе с тем плоскость механизма поворачивается вокруг оси шарнира 14 и сохраняет перпендикулярность к копируемой 25 и обрабатываемой 26 плоскостям. При этом центры шарниров 20 и 22 движутся в плоскости, проходящей через центр шарнира 15 перпендикулярно продольной оси кулисы 2. Траектория центра шарнира 20 подобна траектории центра шарнира 22, коэффициент подобия равен отношению длины шатуна 4 к длине шатуна 5. Заданная траектория чертящей точки 11 конгруэнтна траектории центра шарнира 20, а траектория центра шарнира 22 конгруэнтна траектории чертящей точки 13. Из этого следует, что пантограф обеспечивает вычерчивание на обрабатываемой плоскости 26 любых кривых, подобных копируемым кривым на плоскости 25.
Перпендикулярность плоскости движения звеньев механизма пантографа к плоскости 25 (26) - следствие совмещения продольной оси направляющей кулисы
2, расположенной в плоскости механизма, с осью шарнира 14, перпендикулярной плоскости 25 (26).
Совпадение траектории центра шарнира 20 (22) с плоскостью, проходящей через центр шарнира 15 перпендикулярно продольной оси кулисы 2, объясняется следующим. Шатун 4 (5) и стержень 3 перемещаются в плоскости механизма пантографа аналогично тому, как движутся звенья механизма эллипсографа. Как известно, концы шатуна механизма эллипсографа перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым, даже если прямолинейная направляющая имеется только у одного конца шатуна. В механизме заявляемого пантографа один конец шатуна 4 (5), совпадающий с центром шарнира 18 (21), перемещается вдоль продольной оси кулисы 2, проходящей через центр шарнира 15. Поэтому другой конец шатуна 4 (5), совпадающий с центром шарнира 20 (22), в любом положении плоскости механизма пантографа лежит на прямой, перпендикулярной к продольной оси кулисы 2 и проходящей через центр шарнира 15.
Подобие траекторий, описываемых центрами шарниров 20 и 22, - следствие того, что отношение расстояний от центра шарнира 15 до центров шарниров 20 и 22 в любом положении пантографа остается постоянным и равным отношению длин шатунов 4 и 5. А это вытекает из подобия треугольников с вершинами в точках 15,18,20 и с вершинами в точках 15, 21, 22.
Конгруэнтность траекторий точек 11 (13) и 20 (22), - следствие поступательного движения щупа 10 (инструмента 12) при работе пантографа.
Силы прижатия щупа 10 и инструмента 12 к копируемой 25 и обрабатываемой 26 плоскостям действуют в плоскости движения звеньев пантографа. Поэтому в соединениях звеньев отсутствуют пары сил, вызывающие относительные перекосы контактирующих деталей соединений. Устранение перекосов уменьшает интенсивность накопления износных повреждений в соединениях звеньев.
Использование заявляемого решения позволит увеличить период работы пантографа с сохранением высокой точности пропорционального изменения траекторий чертящих точек.
1. 2. Источники информации, принятые во внимание. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т.1, №841. - М.: Наука, 1970.-С. 551. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т.2, №1446. М.: Наука, 1971.-С. 422.