МЕХАНИЗМ ПЛАВАЮЩЕГО ШАРНИРНОГО ПАРАЛЛЕЛОГРАММА
MECHANISM OF FLOATING ARTICULATE PARALLELOGRAM

Изобретение относится к машиностроению, и в частности к шарнирно-рычажным приводам рабочих органов машин и может найти применение в различных областях техники, например, в пусковых установках летательных аппаратов и системах наведения, роботах и манипуляторах с несколькими рабочими органами, экскаваторах и погрузчиках, вибросмесителях и управляемых антеннах радиолокаторов.
Известен механизм шарнирного параллелограмма, в котором одна из 4-х его сторон выполнена в виде неподвижной стойки, две другие стороны являются ведущим и ведомым кривошипами, соединенными между собой через единственный шатун (Крайнев А.Ф. «Механика машин. Фундаментальный словарь», - М.: Машиностроение, 2000 г., с. 158 рис. (в), с. 356-357) - аналог №1.
Недостатками указанного аналога №1 являются ограниченные функциональные возможности передачи вращения только на один рабочий орган и только с постоянной скоростью вращения ведущего вала, а также наличие мертвых неуправляемых положений дважды за цикл поворота на 360 градусов.
Также известен механизм двойного шарнирного параллелограмма, в котором ведущий и ведомый рычаги выполнены в виде трехшарнирных кривошипов, кинематически связанных между собой через два (всегда параллельных стойке) шатуна для образования передаточного механизма только с одинаковыми угловыми скоростями входа и выхода (патент SU 1810678, 1985 г., Джуматаев М.С. и др.) - аналог №2.
Недостатками указанного аналога №2 являются ограниченные функциональные возможности вращения рабочего органа и возникновение в таком механизме вредных избыточных связей, приводящих к повышенному трению, износу и снижению срока службы механизма (книга Решетов Л.Н. «Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник конструктора. - М. Машиностроение, 1979, с. 8-24»).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является механизм шарнирного параллелограмма, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую опорное основание в виде стойки, два кривошипа обязательно одинаковой длины (являющиеся сторонами этого параллелограмма), соединяющих их шатун (который может быть расположен только параллельно стойке) и сблокированных с указанными кривошипами зубчатых секторов (которые создают жесткие удары для прохождения мертвых положений), выполненных разного диаметра (Ярошенко В.П. Авторское свидетельство на изобретение №877176, СССР, Бюл. Изобретений №40 от 30.10.1981 г.) - прототип.
Недостатками известного механизма шарнирного параллелограмма являются:
1. Низкая функциональность и ограниченные области применения в разных областях техники (из-за возможности его применения только для передачи вращения между двумя валами), где кривошип могут быть только одинаковой длины, а ведомый вал может быть может вращаться только в том же направлении и с той же угловой скоростью, что и ведущий вал (так как механизм данного параллелограмма имеет только одну управляемую степень свободы).
2. Низкая надежность работы механизма шарнирного параллелограмма, снижающая срок его службы из-за постоянных жестких ударов и динамических нагрузок от соударемых зубчатых прерывистых секторов, происходящих 2 раза за цикл поворота на каждые 360 градусов в крайних положениях данного параллелограмма.
y
y
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении функциональности механизма шарнирного параллелограмма и исключении при его работе неуправляемых мертвых положений, ограничивающих его рабочее пространство. Решение указанной технической задачи достигается за счет увеличения числа W управляемых степеней свободы механизма шарнирного параллелограмма выполнения всех четырех сторон шарнирного параллелограмма в виде самоустанавливающихся между собой (т.е. плавающих относительно опорного основания) шатунов, выполненных с возможностью закрепления на них нескольких отдельных рабочих органов с приводом от увеличенного числа ведущих звеньев (равного величине W).
y
Получение технического результата достигается за счет того, что шарнирный параллелограмм составлен из четырех многошарнирных шатунов, кинематически связанных между собой и с опорным основанием через цилиндрические шарниры с вращательными кинематическими парами, и поворотных кривошипов, собираемых между собой в многосторонние изменяемые замкнутые контуры кинематической цепи с установкой в упомянутые контуры приводных вращательных, поступательных или винтовых кинематических пар, для образования четырехшатунного шарнирного параллелограмма с различным числом W управляемых степеней свободы.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6. фиг. 7, фиг. 8. фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 11.
1
2
1
2
y
1
2
На фиг. 1 изображен общий вид механизма плавающего шарнирного параллелограмма, содержащего опорное основание OO и замкнутую кинематическую цепь рычажных звеньев, включающую четырехшатунный шарнирный параллелограмм ABCD, составленный из четырех двухшарнирных шатунов 1, 2, 3 и 4, кинематически связанных между собой и с опорным основанием через цилиндрические шарниры O, O, А, В, С, D и поворотных кривошипов 5 и 6, собираемых между собой в изменяемые замкнутые контуры кинематической цепи, обладающей двумя управляемыми степенями свободы W=2 и содержащей две приводные вращательные кинематические пары O и O. Поворотные кривошипы 5 и 6 соединены с четырехшатунным шарнирным параллелограммом ABCD через двойные цилиндрические шарниры А и С.выполненные с параллельными осями вращения. Каждый из четырех шатунов 1, 2, 3 и 4 плавающего шарнирного параллелограмма ABCD выполнен с возможностью закрепления на них отдельного рабочего органа 7, 8, 9 и 10.
y
На фиг. 2 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором все шатуны плавающего шарнирного параллелограмма, в котором все шатуны 1, 2, 3 и 4 упомянутого параллелограмма выполнены в виде трехшарнирных соединительных рычагов с расположением у них трех шарниров на вершинах треугольников ANB, ВЕС, CGD, ATD и возможностью закрепления на этих шатунах отдельных рабочих органов, а поворотные кривошипы 5 и 6 кинематически связаны с шатунами упомянутого параллелограмма через промежуточные двухшарнирные рычаги, для образования симметричного робота с двумя управляемыми степенями свободы (W=2).
y
На фиг. 3 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором все шатуны 1, 2, 3 и 4 упомянутого параллелограмма выполнены в виде трехшарнирных соединительных рычагов с расположением у каждого из них всех трех шарниров на одной прямой линии, а поворотные кривошипы 5, 6, 7 и 8 кинематически связаны с шатунами упомянутого параллелограмма через промежуточные двухшарнирные рычаги 9, 10, 11 и 12, для образования симметричного робота с четырьмя управляемыми степенями свободы (W=4).
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
y
На фиг. 4 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирно параллелограмма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде набора из трех параллелограммов ABCD, ABCD и TEPQ, кинематически связанных между собой через шестигранное звено ADDAPE. Шатуны ВС и ВС выполнены с возможностью закрепления на них отдельных рабочих органов 13 и 14. Механизм снабжен поворотной платформой 15, выполненной с возможностью осуществления полного поворота, а параллелограмм TEPQ установлен на этой поворотной платформе, для образования симметричного двухрукого поворотного манипулятора с тремя управляемыми степенями свободы (W=3).
1
y
На фиг. 5 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором противоположные вершины В и D четырехшатунного шарнирного параллелограмма ABCD кинематически связаны между собой через установленный по диагоналям BD параллелограмма подвижный гидроцилиндр 16 (в качестве приводной поступательной кинематической пары) и двойные цилиндрические шарниры В и D, один из двух поворотных кривошипов 5 и 6 (например, кривошип 5) снабжен приводной вращательной кинематической парой О, а на шатуне CD закреплен рабочий орган в виде ковша 17 для образования привода ковша погрузчика с двумя управляемыми степенями свободы (W=2).
y
На фиг. 6 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма ABCD снабжен установленным внутри этого параллелограмма и соединенными с ним через поворотные кривошипы 1, 2, 3, 4 и двойные цилиндрические шарниры А, В, С, D, Е, N, Р, Q дополнительным шарнирным четырехзвенником ENPQ с установленным по его диагонали ЕР винтовым приводом 18, для образования однодвижного распорного устройства внутренней сейсмозащиты стен здания, выполняемого с одной управляемой степенью свободы (W=1) в контакте с внутренним контуром стен 19 этого здания.
1
2
y
На фиг. 7 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором каждый из поворотных кривошипов ОА и ОС сблокирован с входящими в зацепление между собой зубчатыми колесами 20 и 21. установленными внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма ABCD. На каждом из шатунов 1, 2, 3 и 4 этого плавающего параллелограмма закреплены отдельные месильные емкости 22, 23, 24 и 25, для образования четырехемкостного вибросмесителя с приводом от одного двигателя, выполненного с одной управляемой степенью свободы (W=1).
y
На фиг. 8 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором шарнирный параллелограмм выполнен в виде шарнирного ромба ABCD, противоположные вершины А и С которого кинематически связаны между собой через пневмоцилиндр 26 с подпружиненным поршнем (применяемым в качестве приводной поступательной кинематической пары), и через два двойных цилиндрических шарниры А и С.установленных на упомянутых противоположных вершинах ромба ABCD. Две смежные стороны АВ и ВС шарнирного ромба ABCD сблокированы с отдельными режущими рабочими органами 27 и 28, для образования самоустанавливающихся по контуру разрезаемого изделия летучих ножниц с одной управляемой степенью свободы (W=1).
1
2
y
На фиг. 9 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, который содержит два поворотных кривошипа 1 и 2, установленных внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма ABCD. Опорное основание ОО сблокировано с поворотной платформой 29, а шатун 2 этого параллелограмма сблокирован с пусковой площадкой 30 запуска беспилотных летательных аппаратов для образования мобильного пускового комплекса с двухподвижным вращательным приводом, выполненным с двумя управляемыми степенями свободы (W=2).
1
2
3
4
1
2
3
4
y
На фиг. 10 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, который снабжен установленными внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма ABCD и расположенными параллельно его шатунам 1, 2, 3 и 4 дополнительным ребрам жесткости в виде двухшарнирнымх распорных рычагов АА, АА, ВВ и ВВ, для образования двухподвижного привода складывающейся плоской космической антенны, обладающего двумя управляемыми степенями свободы (W=2).
y
На фиг. 11 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором противоположно расположенные шатуны 1, 2, 3 и 4 четырехшатунного шарнирного параллелограмма ABCD кинематически связаны между собой посредством радиально изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов NP и QE с осями углового поворота цилиндрических шарниров, пересекающимися между собой в одной точке М для образования складывающейся пространственной параболической антенны с двумя управляемыми степенями свободы при изменении геометрии его зеркала (W=2).
Работа представленного механизма плавающего шарнирного параллелограмма заключается в следующем. При вращении (одновременном или раздельном) поворотных кривошипов (в указанных на фиг. 1-11 направлениях) обеспечивается широкий диапазон возможных движений в рабочем пространстве всех четырех шатунов параллелограмма с установленными на них разнообразными рабочими органами.
y
Достигаемый положительный эффект заключается в упрощении конструкции, исключении вредных избыточных связей и мертвых положений звеньев параллелограмма, расширении рабочего пространства (за счет увеличения числа W управляемых степеней свободы) и функциональности параллелограммного механизма, что расширяет области его эффективного применения в разных областях машиностроения и техники (примеры которых представлены на фиг. 2 - фиг. 11), а также повышает точность и быстродействие системы наведения пусковых установок при совместном вращении обоих поворотных кривошипов на фиг. 9.