ШАРНИРНЫЙ МЕХАНИЗМ ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРУКТУРЫ
ARTICULATED MECHANISM OF VARIABLE STRUCTURE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным кривошипным механизмам для вращательных приводов и механического оборудования с пространственным движением рабочего органа применительно к разным областям техники.
Известен шарнирный механизм пространственного копирования, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую сферические шарниры и цилиндрические шарниры с параллельными осями вращения (книга Крайнев А.Ф. Словарь - справочник по механизмам. - Москва, «Машиностроение», 1987, стр. 347, рисунок «б») - аналог.
Недостатками известного шарнирного механизма являются сложность конструкции и большие пространственные габариты в нерабочем положении, а также высокая трудоемкость изготовления и сборки сферических шарниров.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является шарнирный механизм, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую установленные между собой, а также с опорной стойкой и с выходной подвижной платформой посредством 12 сферических шарниров и 24 цилиндрических шарниров (все с параллельными осями вращения) для привода цепи от 6 двигателей (книга Смелягин А.И. «Структура машин, механизмов и конструкций». Учебное пособие. - Москва: ИНФА-М, 2019, с. 154, рис. 2.74) - прототип.
Недостатками указанного шарнирного механизма являются сложность конструкции и системы управления одновременно всеми 6 приводными двигателями, большие пространственные габариты в нерабочем положении, сложность пространственной сборки кинематической цепи, а также ограниченное рабочее пространство движения рабочего органа из-за малых углов поворота сферических шарниров.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции, обеспечении компактности шарнирного механизма в нерабочем положении и его складываемость (без разборки кинематической цепи), расширении функциональности и рабочего пространства для применения в разных областях техники.
Получение технического результата достигается за счет того, что замкнутая кинематическая цепь механизма выполнена в виде сборки в плоскости рычажных звеньев в изменяемые замкнутые контуры посредством кинематических соединений с различным расположением между собой осей цилиндрических шарниров в виде вращательных кинематических пар для последующего преобразования при повороте этих рычажных звеньев собранной плоской структуры замкнутых контуров цепи в пространственную подвижную структуру кривошипного механизма с пространственным движением выходного звена.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, а также на фиг. 8, где дан вид В на фиг. 7.
1
2
3
1
4
5
На фиг. 1 изображен общий вид шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде сборки в плоскости (фиг. 1, а) двух сблокированных между собой через опорную стойку 1 шестизвенных замкнутых контуров OOO и OOO, треугольной формы, собираемых в одной плоскости посредством чередования в этих контурах:
1
2
3
1
2
3
1
4
5
1
4
5
1) Трех цилиндрических шарниров с параллельными между собой осями вращения (это шарниры O, O, O для контура OOO и шарниры O, O, O для другого контура ООО);
1
1
2
3
1
4
5
2) Трех других цилиндрических шарниров с осями вращения, пересекающимися в одной точке внутри данного замкнутого контура при его сборке в плоскости (это шарниры А, В и С с точкой пересечения М для контура OOO и шарниры D, Е и Q для другого контура OOO).
2
4
1
2
3
1
4
5
1
2
При повороте ведущих рычажных звеньев BO и DO, собранные в плоскости контуры OOO и OOO плоской подвижной структуры в других рабочих положениях (в цикле вращения звеньев шарнирного механизма) автоматически превращаются в пространственную подвижную структуру (фиг. 1, б с возникновением уже в пространстве двух точек пересечения осей вращения шарниров - это точка М для одной замкнутого контура и точка М для другого замкнутого контура).
Происходящая в предлагаемом шарнирном механизме особой (т.е. переменной внутри цикла) структуры перестройка плоской структуры (в положении сборки) в пространственную структуру (во всех других рабочих положениях рычажных звеньев) может быть реализована для образования пространственного четырехъемкостного смесителя с двумя степенями свободы, в котором месильные емкости 2, 3, 4 и 5 расположены на осях вращения цилиндрических шарниров А, С, Е и Q.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 2 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь составлена из двух сблокированных между собой в плоскости замкнутых контуров OOOABC и OOODEQ, включающих набор цилиндрических шарниров O, O, O, A, B, C, D, E и Q с осями вращения, соответственно расположенными вдоль двух взаимно-перпендикулярных осей координат «х» и «у» для образования вертикального подъемника с поступательным перемещением грузовой платформы (без применения поступательных кинематических пар).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
На фиг. 3 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде последовательно сблокированных между собой в плоскости через шатуны 6 и 7 трех шарнирных сферических четырехзвенников OOOO, OOOO и OOOO, замкнутые контуры которых содержат цилиндрические шарниры, оси вращения которых установлены с пересечением между собой внутри этих контуров соответственно в точках М, М и М и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, например, равным:
1
2
3
4
(γ - γ - γ - γ) = (60° - 90°- 120° - 90°),
для образования пространственного шарнирного сферического манипулятора с тремя степенями свободы и установленным на выходном шатуне 8 рабочим органом 9.
На фиг. 4 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде трех сблокированных между собой в плоскости замкнутых контуров, из которых:
1
2
3
4
5
1) Замкнутый контур OOOOO выполнен в виде шарнирного сферического пятизвенника, в котором оси вращения цилиндрических шарниров установлены с пересечением в одной точке М внутри этого контура и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, равным:
1
2
3
4
5
(γ - γ - γ - γ - γ) = (60° - 90° - 60° - 60° - 90°),
2) Замкнутый контур ABCD выполнен в виде шарнирного сферического четырехзвенника, в котором оси вращения цилиндрических шарниров установлены с пересечением в одной точке N внутри этого контура и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, равным:
1
2
3
4
(γ - γ - γ - γ) = (60° - 90° - 120° - 90°),
3) Замкнутый контур EGHQ выполнен в виде шарнирного параллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров в плоскости данного замкнутого контура, для образования пространственного манипулятора с четырьмя степенями свободы.
На фиг. 5 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде трех замкнутых контуров, сблокированных между собой при их сборке в плоскости:
1
2
3
4
1) Замкнутый контур OOOO включает опорную стойку 1 и выполнен в виде шарнирного параллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров вдоль координаты «у».
2) Замкнутый контур ABCD выполнен в виде шарнирного параллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров вдоль другой координаты «z».
3) Замкнутый контур EGHQ выполнен в виде шарнирного антипараллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров вдоль координаты «у», для образования навесного оборудования погрузчика с пространственным перемещением ковша 10.
На фиг. 6 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде двух сблокированных между собой в плоскости через опорную стойку 1 замкнутых контуров:
1
2
1
2
1) Замкнутый контур OABO выполнен в виде плоского шарнирного четырехзвенника с параллельными между собой осями вращения цилиндрических шарниров О, А, В и O, где все эти оси расположения вдоль «у».
2
3
2
3
2) Замкнутый контур OCDO выполнен в виде пространственного сферического четырехзвенника с пересечением между собой в одной точке М за пределами этого контура осей вращения цилиндрических шарниров O, C, D и O, для образования вертикального смесителя с пространственным движением рабочего органа.
1
2
3
4
1
2
2
3
3
4
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
1,
2
3
4
На фиг. 7 и фиг. 8 представлен вариант выполнения шарнирного механизма особой структуры, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирной четырехугольной пирамиды с основанием OOOO и вершиной А, составленной из 8 рычажных звеньев OO, OO, OO и OO (основание пирамиды), а также OA, OA, OA, OA (наклонные ребра пирамиды), кинематически связанных между собой в узлах пирамиды О, O, O, O и А посредством попарно установленных 8 круглых стержней 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18 (изогнутых под углом α) и 4-х круглых стержней 19, 20, 21 и 22 (изогнутых под углом β) для сборки в узлах пирамиды О O, O, O и А цилиндрических шарниров с попарно параллельными и пересекающимися между собой на вершине пирамиды А осями вращения соединяемых звеньев.
В схеме на фиг. 7 через α и β обозначены углы на треугольной боковой грани пирамиды между основанием и наклонным ребром (угол α) между соседними ребрами на вершине пирамиды (угол β).
Возможность быстрого преобразования (складывания и раскладывания механизма без разборки его замкнутой кинематической цепи) путем перехода объемной пространственной структуры в компактную плоскую структуру при повороте ее рычажных звеньев подтверждена экспериментально на действующих моделях предлагаемых шарнирных механизмов особой структуры.
Достигаемый в предлагаемом шарнирном механизме особой структуры положительный эффект заключается в упрощении конструкции, обеспечении компактности шарнирного механизма в нерабочем положении и его складываемости (без разборки кинематической цепи), расширении функциональности и рабочего пространства в разных областях техники.