РЫЧАЖНО-КУЛАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ СО СЛОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА
LEVER-CAM ARRANGEMENT WITH COMPLEX MOTION OF OUTLET LINK

Изобретение относится к механизмам со сложным движением выходных звеньев, применяемым преимущественно для выполнения вспомогательных операций при работе машин и устройств. Такие механизмы используются в полиграфических, текстильных, сельскохозяйственных, строительных, деревообрабатывающих машинах, в станках, прессах, насосах и других устройствах, они могут быть применены в составе технологического оборудования, предназначенного для передачи изменяющихся по величине силовых нагрузок.
Рычажно-кулачковые механизмы нередко применяются в качестве передаточных и исполнительных механизмов в составе машин, а также в качестве функциональных механизмов для получения сложных траекторий движения рабочих органов машин (Кольман-Иванов Э.Э. Машины-автоматы химических производств. - М: Машиностроение, 1972. - 296 с., см. стр.73).
Основным недостатком известных рычажно-кулачковых механизмов со сложным движением выходного звена являются большое число подвижных звеньев и кинематических пар. Усложненность кинематической цепи таких механизмов не способствует высокой точности положений и перемещений их выходных звеньев. Этот недостаток и определяет их использование преимущественно для выполнения вспомогательных операций технологического процесса, которые, как известно, нередко лимитируют частоту повторения рабочих циклов и снижают производительность технологических машин.
Известен также рычажно-кулачковый механизм, применяемый в качестве передаточного механизма в составе устройства для передачи изделий, содержащий кривошип, выходное звено, которое выполнено с возможностью сложного движения, и неподвижный кулачок-копир для взаимодействия с выходным звеном (патент РФ №2217296, опубл. в БИПМ, 2003. - №33 - прототип). Данный передаточный механизм является прототипом предлагаемого рычажно-кулачкового механизма.
Основным недостатком прототипа является усложненность процесса изменения величины поступательного движения выходного звена при прямом и обратном ходах. Это ограничивает технологические возможности прототипа на реализацию операций с иным поступательным ходом выходного звена. Практическое же использование передаточных механизмов со сложным движением выходного звена нередко предполагает возможность их оперативной переналадки с изменением величины поступательного хода выходного звена. В прототипе быстрое решение такой задачи затруднено, поскольку изменить величину хода выходного звена в условиях кинематической цепи прототипа можно только путем замены одного копира другим копиром, имеющим соответствующую разность между максимальным и минимальным радиусами-векторами рабочего профиля. Наличие набора копиров сопровождается громоздкостью, их замена усложняет переналадку и приводит к внецикловым потерям рабочего времени.
Задачей настоящего изобретения является упрощение кинематической цепи и переналадки механизма.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в рычажно-кулачковом механизме со сложным движением выходного звена, содержащем ведущее звено-кривошип, укрепленный на валу привода, выходное звено, подвижно сопряженное с ведущим звеном, и укрепленный на оси неподвижный кулачок-копир для связи с выходным звеном, ось копира смещена относительно оси вала привода, а расстояние между осями вала привода и копира выполнено регулируемым, при этом вал привода выполнен с возможностью фиксирования его на разных расстояниях от оси копира.
Копир выполнен в виде диска с рабочим профилем в виде замкнутого фигурного паза постоянного радиуса для взаимодействия с выходным звеном посредством ролика, смонтированного на выходном звене, при этом поступательный ход выходного звена в интервалах прямого и обратного ходов соответствует равенству
H=2d,
где H - поступательный ход выходного звена в интервале поворота звена на 180°;
d - расстояние между центрами осей вала привода и копира.
Ведущее звено выполнено в виде удлиненной пустотелой призмы с продольным отверстием прямоугольного сечения, а выходное звено в поперечном сечении имеет прямоугольную форму соответственно сечению призмы, при этом призма укреплена на валу привода в средней ее части.
Смещение оси копира относительно оси вала привода связано с необходимостью обеспечения заданного поступательного движения выходного звена. Другими словами, смещением осей генерируется определенное поступательное движение выходного звена. Если в предлагаемом механизме обеспечить совмещение осей копира и вала привода, то при работе механизма выходное звено будет совершать лишь вращательное движение со скоростью, равной скорости ведущего звена. Всякое же смещение осей вала привода или копира приводит к соответствующему поступательному движению выходного звена без изменения его угловой скорости. В предлагаемом механизме ось копира занимает постоянное положение, а изменение расстояния между осями обеспечивается фиксированием вала привода на разных расстояниях от оси копира. В зависимости от конструкции привода для изменения расстояния между осями может быть принят другой вариант настройки, при котором вал привода будет занимать постоянное положение, а копир - соответствующим образом устанавливаться и фиксироваться.
Выполнение копира в виде диска с рабочим профилем в виде замкнутого фигурного паза постоянного радиуса является наиболее простым и технологичным конструктивным решением, при этом обеспечивается поступательный ход выходного звена, равный двум расстояниям между осями вала привода и копира. Так, если расстояние между осями 5 см, то поступательный ход выходного звена в интервале его прямого или обратного движения составит 10 см. В предлагаемом механизме, варьируя расстояние между осями вала привода и копира, можно обеспечить поступательный ход выходного звена в пределах 0<H≤2R. Здесь R - радиус рабочего профиля копира. Максимальное значение хода 2R обеспечивается при d=R.
Выполнение ведущего звена в виде удлиненной пустотелой призмы, которая укреплена на валу привода в средней его части, делает ведущее звено двуплечим. Это улучшает условия передачи движущего момента от вала привода выходному звену механизма. Соответствие формы и размеров поперечного сечения продольного отверстия в теле призмы поперечному сечению выходного звена предопределяет надежность сопряжения двух подвижных звеньев, одно из которых совершает сложное движение. Исключаются перекосы и возможность заклинивания. Практически подвижное сопряжение призмы с выходным звеном можно обеспечить другими известными способами, например посредством шлицевого соединения.
Предлагаемый рычажно-кулачковый механизм со сложным движением выходного звена поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена кинематическая схема механизма; на фиг.2 - схема к определению поступательного хода выходного звена механизма.
Рычажно-кулачковый механизм со сложным движением выходного звена содержит ведущее звено-кривошип 1, выходное звено 2, подвижно сопряженное с ведущим звеном, и неподвижный кулачок-копир 3 для связи с выходным звеном.
Звено 1 выполнено в виде удлиненной пустотелой призмы, которая в средней ее части жестко укреплена на валу 4 привода, при этом продольные оси вала и призмы расположены под прямым углом. Сквозное отверстие 5 в теле призмы в поперечном сечении имеет прямоугольную форму.
Выходное звено 2 выполнено в виде стержня, форма и размеры поперечного сечения которого соответствуют отверстию 5 ведущего звена 1. На звене 2 смонтирован ролик 6 для взаимодействия с копиром 3.
Копир 3 выполнен в виде диска, укрепленного на неподвижном основании, в теле диска выполнен замкнутый фигурный паз 7 постоянного радиуса, который является рабочим профилем для взаимодействия с роликом 6 выходного звена 2. Размеры диска зависят от требуемых размеров фигурного паза, радиус-векторы которого определяют величину углов давления, характеризующих силовую работоспособность механизма. Это следует из того, что при одинаковых значениях линейного или углового хода выходного звена (толкателя или коромысла) меньшие значения функции углов давления будет иметь кулачок больших размеров, обладающий большей силовой работоспособностью.
Выходное звено 2 предлагаемого механизма совершает сложное движение, состоящее из двух простых движений: вращательного и поступательного. Скорость вращения выходного звена равна скорости вращения кривошипа 1, а скорость его поступательного движения будет переменной: возрастающей или убывающей в интервале хода. Так, для механизма, представленного на фиг.2, следует, что при повороте кривошипа от 0 до 180° (интервал прямого хода) поступательная скорость выходного звена будет возрастающей, а при повороте от 180 до 360° (интервал обратного хода) поступательная скорость будет убывающей. Если необходимо изменить характер скорости движения выходного звена в интервалах ходов, то следует за начало прямого хода принять начало обратного хода.
Поступательное движение выходного звена предлагаемого механизма генерируется при наличии смещения между осями вала привода и копира, при этом от расстояния между осями зависит как величина поступательного хода выходного звена, так и его скорость.
Смещение вала 4 привода относительно оси копира 3 обеспечивается системой гибкой связи привода, включающей клиноременную передач 8. При увеличенной силовой нагрузке можно использовать цепную или зубчатую передачу. Для фиксирования вала 4 в разных положениях относительно оси копира 3 в теле копира выполнен радиальный паз 9. При малых силовых нагрузках механизма и соответственно при использовании копира небольших размеров и малой массы предпочтительным является вариант, упрощающий настройку механизма, при котором вал 4 занимает постоянное фиксированное положение, а положение копира варьируют.
Для механизма на фиг.2 поступательный ход выходного звена при повороте кривошипа от начального положения (при φ=0) до 180° в отдельных текущих положениях составляет,
1
в положении 01 (при φ=0°) H=0;
в положении 02 (при φ=90°) ;
в положении 03
4
в положении 04 (при φ=180°) H=2d,
где φ - угол поворота ведущего звена;
H - ход выходного звена;
R - радиус рабочего профиля копира, R=const;
d - расстояние между центрами осей копира и вала привода.
Из схемы на фиг.2 следует, что максимальная величина поступательного хода выходного звена обеспечивается при равенстве d=R, при этом она составляет 2R.
Предлагаемый механизм соответствует структурной формуле кинематической цепи - формуле Чебышева, определяющей первое условие его работоспособности
5
4
W=3·n-2p-p=3·2-2·2-1=1,
где W - степень подвижности механизма, W=1;
n - число подвижных звеньев, n=2;
5
5
p - число низших кинематических пар, p=2;
4
4
p - число высших кинематических пар, p=1.
Рычажно-кулачковый механизм со сложным движением выходного звена работает следующим образом.
При работе привода вращение кривошипа 1 преобразуется в сложное движение выходного звена 2, последнее совершает вращательное движение с постоянной скоростью, равной угловой скорости кривошипа, и поступательное движение в результате взаимодействия ролика 6 с фигурным пазом 7 копира 3.
При повороте кривошипа в интервале от 0 до 180° текущие радиус-векторы от оси вала привода до средней линии паза 7 будут увеличиваться, формируя поступательное движение выходного звена в направлении от центра вращения кривошипа к рабочему профилю копира. Скорость поступательного движения выходного звена в интервале его поворота от 0 до 180° будет возрастающей.
При повороте кривошипа от 180 до 360° выходное звено будет совершать поступательное движение в направлении от рабочего профиля копира к оси вала привода, при этом поступательная скорость выходного звена будет убывающей.
Предлагаемый рычажно-кулачковый механизм со сложным движением выходного звена отличается простотой кинематической цепи и возможностью оперативной переналадки при изменении поступательного движения выходного звена.
Предлагаемый механизм может быть использован в качестве базового для построения многозвенных механизмов, либо в качестве функционального механизма с рабочим (исполнительным) органом на выходном звене для выполнения рабочим органом замкнутой траектории движения.