Шарнирный механизм изменяемой структуры

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к шарнирным кривошипным механизмам. Шарнирный механизм изменяемой структуры содержит замкнутую кинематическую цепь, включающую опорную стойку и рычажные звенья, образующие между собой цилиндрические шарниры в виде вращательных кинематических пар. Замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде сборки в плоскости рычажных звеньев в изменяемые замкнутые контуры посредством кинематических соединений с различным расположением между собой осей цилиндрических шарниров. В качестве альтернативы замкнутая кинематическая цепь выполнена набором цилиндрических шарниров с осями вращения, расположенными вдоль взаимно перпендикулярных осей координат. Цепь при повороте этих рычажных звеньев собранной плоской структуры замкнутых контуров кинематической цепи преобразуется в пространственную подвижную структуру кривошипного механизма с пространственным движением выходного звена. Достигается упрощение конструкции. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

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.

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 O₁O₂O₃ и O₁O₄O₅, треугольной формы, собираемых в одной плоскости посредством чередования в этих контурах:

1) Трех цилиндрических шарниров с параллельными между собой осями вращения (это шарниры O₁, O₂, O₃ для контура O₁O₂O₃ и шарниры O₁, O₄, O₅ для другого контура О₁О₄О₅);

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 М₁ для контура O₁O₂O₃ и шарниры D, Е и Q для другого контура O₁O₄O₅).

При повороте ведущих рычажных звеньев BO₂ и DO₄, собранные в плоскости контуры O₁O₂O₃ и O₁O₄O₅ 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 М₁ для одной замкнутого контура и точка М₂ 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.

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 O₁O₂O₃ABC и O₁O₂O₃DEQ, включающих набор цилиндрических шарниров O₁, O₂, O₃, 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).

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 O₁O₂O₃O₄, O₅O₆O₇O₈ и O₉O₁₀O₁₁O₁₂, замкнутые контуры которых содержат цилиндрические шарниры, оси вращения которых установлены с пересечением между собой внутри этих контуров соответственно в точках М₁, М₂ и М₃ и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, например, равным:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄) = (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) Замкнутый контур O₁O₂O₃O₄O₅ 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:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄ - γ₅) = (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:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄) = (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) Замкнутый контур O₁O₂O₃O₄ 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) Замкнутый контур O₁ABO₂ выполнен в виде плоского шарнирного четырехзвенника с параллельными между собой осями вращения цилиндрических шарниров О₁, А, В и O₂, где все эти оси расположения вдоль «у».

2) Замкнутый контур O₂CDO₃ выполнен в виде пространственного сферического четырехзвенника с пересечением между собой в одной точке М за пределами этого контура осей вращения цилиндрических шарниров O₂, C, D и O₃, для образования вертикального смесителя с пространственным движением рабочего органа.

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 O₁O₂O₃O₄ и вершиной А, составленной из 8 рычажных звеньев O₁O₂, O₂O₃, O₃O₄ и O₄O₁ (основание пирамиды), а также O₁A, O₂A, O₃A, O₄A (наклонные ребра пирамиды), кинематически связанных между собой в узлах пирамиды О₁, O₂, O₃, O₄ 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_1, O₂, O₃, O₄ 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.

1. Шарнирный механизм изменяемой структуры, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую опорную стойку и рычажные звенья, образующие между собой цилиндрические шарниры в виде вращательных кинематических пар, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде сборки в плоскости рычажных звеньев в изменяемые замкнутые контуры посредством кинематических соединений с различным расположением между собой осей цилиндрических шарниров или с набором цилиндрических шарниров с осями вращения, расположенными вдоль взаимно перпендикулярных осей координат, для последующего преобразования при повороте этих рычажных звеньев собранной плоской структуры замкнутых контуров кинематической цепи в пространственную подвижную структуру кривошипного механизма с пространственным движением выходного звена.

2. Шарнирный механизм особой структуры по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде двух сблокированных между собой в плоскости через опорную стойку шестизвенных замкнутых контуров треугольной формы, собираемых в плоскости посредством чередования в этих контурах трех цилиндрических шарниров с параллельными между собой осями вращения и трех других цилиндрических шарниров с осями вращения, пересекающимися в одной точке внутри каждого из этих замкнутых контуров, для образования пространственного четырехъемкостного смесителя с двумя степенями свободы.

3. Шарнирный механизм особой структуры по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде последовательно сблокированных между собой в плоскости через шатуны нескольких одинаковых, например, трех шарнирных сферических четырехзвеников, замкнутые контуры которых содержат цилиндрические шарниры, оси вращения которых установлены с пересечением между собой в одной точке внутри каждого из этих контуров и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, например, равным:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄) = (60° - 90° - 120° - 90°),

для образования пространственного шарнирного сферического манипулятора с тремя степенями свободы.

4. Шарнирный механизм особой структуры по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде трех сблокированных между собой в плоскости замкнутых контуров, один их которых включает опорную стойку и выполнен в виде шарнирного сферического пятизвенника, в котором оси вращения цилиндрических шарниров установлены с пересечением в одной точке внутри этого замкнутого контура и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, например, равным:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄ - γ₅) = (60° - 90° - 60° - 60° - 90°),

другой замкнутый контур выполнен в виде шарнирного сферического четырехзвенника, в котором оси вращения цилиндрических шарниров установлены с пересечением в одной точке внутри этого контура и выполнены несоосными с угловым смещением γ между собой, например, равным:

(γ₁ - γ₂ - γ₃ - γ₄) = (60° - 90° - 120° - 90°),

а третий замкнутый контур 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.

5. Шарнирный механизм особой структуры по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде трех замкнутых контуров, сблокированных между собой при их сборке в плоскости, один из которых включает опорную стойку и выполнен в виде шарнирного параллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров вдоль координаты «у», другой замкнутый контур выполнен в виде шарнирного параллелограмма с расположением осей вращения всех его цилиндрических шарниров вдоль координаты «z», а третий замкнутый контур 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.