新型液压式间歇运动机构的研究与设计.pdf

2 0 1 1年 8月 第 3 9卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 6 DOI 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 1 9 新型液压式间歇运动机构的研究与设计 杨大春 ，李森林，何峰 淮阴工学院，江苏淮安 2 2 3 0 0 3 摘要用液压缸驱动的滑块摆杆机构，以滑块为主动件，摆杆可摆动设定的角度。通过安装在摆杆上的插销液压缸的 插销和拔销动作 ，实现摆杆与转动平台的连接与否，从而实现转动平台的间歇圆周运动。该新型间歇机构将滑块摆杆机构 和液压传动系统有机结合 ，可有效解决常用间歇机构不能适应的重载问题。该机构可通过液压控制系统实现 自动控制，满 足自动化生产需求，具有广泛的应用前景。 关键词间歇机构；滑块摆杆机构 ；液压缸 ；重载 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 0 5 33 S t ud y a n d De s i g n f o r t he Ne w Hy dr a ul i c I nt e r mi t t e nt M o t i o n M e c h a ni s m YANG Da c h un． L I Se n l i n． HE F e n g H u a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H u a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e s l i d e r wa s t h e d r i v i n g me mb e r a n d t h e s wi n g b l o c k c o u l d s wi n g a s t i p u l a t e d a n g l e f o r t h e s wi n g i n g b l o c k s l i d e r me c h a n i s m d riv e n b y t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ． B y t h e mo t i o n s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r wh i c h i n s t all e d o n t h e s wi n g b l o c k i n s e r t i n g b o l t a n d p u l l i n g o u t b o l t ，i t c o u l d a t t a i n t h e c o n n e c t i o n a n d n o c o n n e c t i o n e a c h o t h e r o f s w i n g b l o c k a n d t u r n i n g p l a t f o r m． As a r e s u l t ，i t w a s a r r i v e d a t i n t e r mi t t e n t c i r c u l a r mo t i o n ． T h e n e w h y d r a u l i c i n t e r mi t t e n t me c h a n i s m o r g a n i c a l l y c o mb i n e d t h e s wi n g i n g b l o c k s l i d e r me c h a n i s m a n d t h e h y d r a u l i c t r an s mi s s i o n s y s t e m． I t c a n s o l v e t h e p r o b l e m o f h e a v y l o a d wh i c h c o mmo n i n t e rm i t t e n t me c h a n i s m i s n o t a d a p t e d ． I t c a n b e a u t o c o n t r o l l e d b y h y d r a u l i c c o n t r o l l i n g s y s t e m a n d s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t s o f a u t o ma t e d p r o d u c t i o n ． I t wi l l h a v e e x t e n s i v e a p pl i c a t i o n p r o s pe c t ． Ke y wo r d s I n t e r mi t t e n t me c h a n i s m ；S wi n g i n g b l o c k s l i d e r me c h a n i s m ；Hy d r a u l i c c y l i n d e r ；He a v y l o a d 常用 的间歇 圆周运 动 机构 有 棘轮 机 构 、槽 轮 机 构和不完全齿轮机构等，这些间歇圆周运动机构在 具体应用上有各 自的特点 ，但都存在一定 的缺点。 如棘轮机构 、槽轮机构 工作时有较 大的冲击 和噪 声 ，运动平稳性较差 ，所以常应用于速度较低 、载 荷不大、运动精度要求不高的场合 ；不完全齿轮机 构的从动轮在进入和脱离啮合时有较大冲击 ，动力 学特性较差 ，故仅适用于低速轻载场合 。在工程 实 际中 ，当间歇 圆周运 动 需要 驱动 大 载荷 时 ，上述 几种常用机构显然不能满足其使用要求。作者针对 间歇 圆周 运动需 要驱 动大 载荷 的具 体 要求 ，提 出用 液压缸驱动滑块摆杆机构 ，以滑块为主动件 ，摆杆 可摆 动设定 角度 ，通 过安 装 在摆 杆 上 的插销 液 压缸 插销和拔销 ，实现摆杆与转动平台的连接与否 ，从 而实现转动平 台的间歇圆周运动。该新型间歇机构 将滑块摆杆机构和液压传动系统有机结合 ，可有效 解决 常用 间歇 机构不 能适 应 重 载 的问题 ，并 通过 液 压系统对该机构实现 自动控制，可满足 自动化生产 需 求 。 1 曲柄滑块机构 的特点及演化 1 ． 1 曲柄滑块机构的特点 曲柄滑块机构是较常见的平面四杆机构，以曲柄 为主动件将输入 的圆周 运动转 化为 滑块 的直线运 动 ， 也可以滑块为主动件将输入的往复直线运动转化为曲 柄的圆周运动。曲柄滑块机构中的运动副均为低副， 低副的运动副元素为面接触，压力较小，故可承受较 大的载荷 ；有利于润滑，磨损较小 ；运动副元素几何 形状简单 平 面或圆柱面 ，便于加工制造 ，成本 低。在曲柄滑块机构中，当主动件的运动规律不变 时 ，可用 改变各 构件的相对长度来使从动件得到不 同 的运动规律⋯。 1 ． 2 曲柄滑块机构的演化及优点 在曲柄滑块机构中，当以滑块为主动件时，调节 滑块的行程可将输入的往复直线运动转化为曲柄在一 定角度范围内的摆动，此时的曲柄演化为摆杆，则曲 柄滑块机构演化为滑块摆杆机构。控制滑块的行程即 可控制摆杆的摆动角度。 如图 1 所示，用液压缸驱动滑块摆杆机构并通过 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 1 作者简介杨大春 1 9 6 5 一 ，男，硕士，副教授，主要从事机械设计制造及其 自动化研究与应用。Em a i l d a c h u n y 1 63 ．c o m o 5 4 机床与液压 第 3 9卷 插销液压缸与需要实现间歇运动的主体机构连接与否 的方式可达成新型 间歇机构。该新 型间歇机构将滑块 摆杆机构和液压控制系统有机结合，具有平面四杆机 构和液压传动 的双重 优点 。作 为间歇 圆周运 动机构 ， 该机构具备了平面四杆机构的优点，且具有液压传动 的冲击小 、无噪声 、运动平稳性好等优点，并可根据 具体使用情况 ，无极调节摆杆的转动角速度和调节输 出载荷的大小，特别适合低速重载场合。 卜一 机 架 2 一 摆 杆 3 一 插 销液 压缸 4 _ - 连 杆 5 一滑 块 6 _ _ 主 动液 压 缸 图 1 滑块摆杆机构原理 图 2 用液压系统控制的间歇圆周运动机构设计 2 ． 1 用液压 系统控制的间歇 圆周运动机构组成 图 2为用液压系统控制的间歇 圆周运动机构 的主 体结构示 意图。根据实际情况在转动平台上加工出按 具体转动角度设置的若干个锥销孔 为防尘和保持 美观，该锥销孔应为盲孔 ，并将转动平台和转动立 柱紧固联接后安装在机架上 均与机架有相对运动， 图中机架未 画出 ，摆杆 的一端和转 动立柱构成 转动 副 ，将插销液压缸 固定在摆杆上 ，摆 杆的另一端与连 杆铰接，并将该端与机架构成移动副，以保证摆杆在 插 销液压 缸 作用 下 的刚度 。连杆 的另 一端 与滑 块铰 接 ，滑块 可在机架上滑动 。滑块与主动液压缸的活塞 杆固结，主动液压缸的缸体和机架固结。 图2 用液压系统控制的间歇圆周运动机构示意图 2 ． 2 用液压 系统控制的间歇圆周运动机构工作原理 如图2为用液压系统控制的间歇圆周运动机构示 意图。用插销液压缸使摆杆与转动平台连接与否是实 现间歇圆周运动的关键。当转动平台需要转动时，通 过插销液压缸的插销动作把摆杆与转动平 台相连接， 摆杆转动即可驱动转动平台转动；当转动平台需要停 止时，插销液压缸的拔销动作使摆杆与转动平台不连 接，摆杆的回摆动作与转动平台无关 ，即可实现转动 平台的停止。其工作原理为当转动平台需要转动 时，插销液压缸在液压油作用下，活塞杆伸出插入转 动平台的锥孔 注 活塞杆端部 固结锥形销 ，保证 在一定误 差 范 围 内 ，锥 形 销 容 易 导 入 销 孔 中 后 ， 主动液压缸在压力油作用下 ，活塞杆伸出推动与之固 结的滑块作直线运动，带动连杆使摆杆产生转动，插 销液压缸随摆杆而产生转 动 ，此时转动平 台由插销液 压缸与摆杆相连接产生转动。滑块到达设置的行程终 点时，转动平台就转动到了设定角度位置 转动平 台转动角度的设定可通过设置滑块行程来实现，即该 装置只要改变滑块的行程设置即可改变转动平台的转 动角度 。当转动平 台需要停止 时 ，插 销液压缸 在压 力油作用下使活塞杆缩回完成拔销动作，转动平台与 摆杆不连接 ，转动平 台停 留在转动后的位 置不动 ，而 主动液压缸在压力油作用下活塞杆缩回使与之固结的 滑块返回到设定的起始点并带动连杆、摆杆 摆杆 和转动立柱为转动副返回到原位，即完成了一个 工作循环。在滑块摆杆机构 含插销液压缸 返回 原位后，重复上次动作，即可实现下一个工作循环。 3 用液压系统控制的间歇 圆周运动机构液压系统 设计及工作原理 3 ． 1 间歇 圆周运动 机 构的液 压控制 系统 设计 根据用液压系统控制的间歇圆周运动机构 的工作 需求，该系统有两只液压缸并要求按照一定的顺序动 作 ，所以该系统主要由顺序动作回路构成，且因为插 销液压缸在插销时必须和转动平台上的销孔能较精确 地定位，为此，以压力控制的顺序动作回路构成该液 压系统的核心 。在滑块 的两个极 限位置设 置止 挡铁 ， 由压力继 电器 间歇 时配 以时 间继 电器 控 制插 销 液压缸的插销和拔销动作，从而保证插销位置准确。 考虑到插销液压缸仅起到将摆杆和转动平台连接／ 断 开作用，插销时并不需要大的压力，故插销液压缸的 控制回路采用减压 回路。为防止插销液压缸的插销 因某种原因脱落 ，在减压回路中加入锁紧装置。对 主动液压缸的控制直接影响转动平台的转动角速 度，当转动平台转动时速度应为可控，故主动液压 缸的控制回路采用进油节流调速 回路。为了在转动 平台间歇时减少功率损耗，采用先导型溢流阀卸荷 的卸荷回路 。综上考虑，拟定的液压控制系统原 理 图如图 3 。 l 一油箱 2 液压泵 3 减压阀 4 、l O 一电磁换向阀 5 、1 1 单向节流阀 6 液控单向阀 7 插销液压缸 8 、1 2 、l 3 一压力继电器 导型溢流阀 l 4 主动液压缸 l 5 一 电 磁换向阀 图3 间歇圆周运动机构液压控制系统原理图 第 1 6期 杨大春 等新型液压式间歇运动机构的研究与设计 5 5 3 ． 2 间歇 圆周运动机构的液压控制 系统工作原理 如图 3为间歇 圆周 运动机构的液压控制系统原理 图。两液 压缸 的动作顺 序为 插销液压缸 7活塞杆伸 出一 主动液压缸 l 4活塞 杆伸 出一 插 销液压 缸 7活塞 杆缩回一主动液压缸 1 4活塞杆缩回。其工作原理为 1 插销液压缸 7活塞杆伸 出 上行 按下启动按钮使 1 Y A得电，液压泵 2供给的液 压 油经减压 阀 3减 压后 由电磁 换 向 阀 4右 位经 液 控 单向阀 6进入插销液压缸 7的下腔使其活塞杆上行 并将 插销插 入转动 平 台 的锥孔 中 ，插销 液 压缸 7的 上腔 油液经 单 向节 流 阀 5的节流 阀 、电磁 换 向 阀 4 回油箱，此时即完成插销液压缸的插销动作 ，使转 动平台经插销液压缸与摆杆相连接 ，插销速度 由节 流 阀调节 。 进油 路 液压 泵 2 一 减 压 阀 3 一 电 磁 换 向 阀 4 右位一液控单向阀6 一插销液压缸7下腔。 回油路插销液压缸 7上腔一单向节流阀5 一电 磁 换 向阀4 右位 一油箱 。 2 主动液压缸 l 4活塞杆伸出 左行 当插销液压缸的插销动作完成时，插销液压缸下 腔油压达到压力继 电器 8的调定压力 ，则压力继 电器 发信号使 1 Y A失电、3 Y A得 电，则 电磁换向阀 4复 位 中位 ，电磁换 向阀 1 O左位接人，液压油经单 向节流阀 1 1的节流阀进入主动液压缸 1 4的右腔推 动 活塞杆 活塞杆端部和滑块固结左行 ，驱动滑块 、 连杆以及摆杆运动 ，从而使转动平台产生转动。系统 压力由先导型溢流阀调定。 进油路 液压泵 2 一 电磁换 向 阀 1 0 左位 一 单 向节流 阀 1 1 一 主动液压缸 1 4右腔 。 回油路主动液压缸 1 4左腔一 电磁换 向阀 1 0 左位一油箱。 3 插 销液压缸 7活塞杆缩 回 下行 当转动平台在摆杆作用下转动一定角度，滑块到 达设定位置时止挡铁停留，活塞停止运动，主动液压 缸 1 4的右腔油压立即升高到压力继 电器 1 2的调定 压 力 ，则压力继 电器发 信号使 3 Y A失 电、2 Y A得 电， 则 电磁换 向 阀 1 0复位 中位 ，电磁换 向阀 4左 位 接入，液压油经单 向节流阀 5进入插销液压缸 7上 腔 ，活塞杆缩回而拔销。拔销动作完成后 ，摆杆与转 动平台不连接，插销液压缸 7下腔的液压油经液控单 向阀 6和电磁换 向阀4回油箱 。由于液控单向阀的存 在构成了锁紧 回路 ，拔销动作必须上腔进油才能实 现 ，具有较大的可靠性。 进油路液压泵 2 一减压 阀 3 一 电磁换 向阀 4 左位一单向节流阀5一插销液压缸 7上腔。 回油路 插销液压缸 7下腔一 液控 单 向阀 6 一 电 磁换 向阀 4 左 位 一油 箱。 4 主动液压缸 1 4活塞 捕 旧 右行 当插 销 液压 缸 的 活塞 杆 缩 回碰 到 行程 开关 S A 时，S A发信号使 2 Y A失电、4 Y A得电，电磁换向阀 4复位 中位 ，电磁换向阀 1 0右位接入，液压油经 电磁换 向阀 1 0右位进入主动液压缸 1 4的左腔 ，活塞 杆缩 回，从 而带 动 滑块 、连 杆 以及 摆 杆 回 到起 始位 置 ，而转动平 台因与摆杆不连接停 留在 转动后 的位置 保持静止状态。主动液压缸 l 4右腔经单 向节流阀 1 1 和电磁换 向阀 1 0右位 回油箱 。 进油路 液 压泵 2 一 电 磁换 向阀 1 0 右位 一 主动液压缸 1 4左 腔。 回油路主动液压缸 1 4右腔一单向节流阀 1 1 一 电磁换向阀 1 0 右位一油箱。 当主动液压缸 的活塞杆缩 回到起始位置 时 ，即滑 块到达设定位置止挡铁停留，其左腔压力迅速升高到 压力继电器 1 3的调定压力，则压力继电器发信号使 3 Y A失电并发信号给时间继电器延时，间歇运动的 时间间隔可由时间继电器调定。同时压力继电器发信 号使 5 Y A得 电，使液压泵卸荷。当到达设定 的间歇 时间时，时间继电器发信号使 1 Y A得电、5 Y A失电， 即进入下一个动作循环。 4结语 用液压系统控制的新型间歇圆周运动机构将滑块 摆杆机构和液压传动系统有机结合 ，用插销液压缸使 摆杆与转动平台连接实现间歇运动。当转动平台需要 转动时，通过插销液压缸的插销动作把摆杆与转动平 台相连接 ，摆杆的转动 即可驱动转动平 台的转 动 ；当 转动平台需要停止时，插销液压缸的拔销动作使摆杆 与转动平台不连接 ，摆杆的回摆动作与转 动平台无 关 ，即可实现转动平台的停止。该机构具有平面四杆 机构和液压传动的双重优点，不但具备了平面四杆机 构的承载大、磨损小、易加工制造 、成本低 的优点 ， 而且 具有 液压 传 动 的冲击 小 、无 噪声 、运 动 平稳 性 好 ，无极调节摆杆的转动角速度和调节输出载荷的大 小等优点。用液压系统控制的新型间歇圆周运动机构 特别适合低速重载场合，并通过液压系统对该机构实 现自动控制，可满足 自动化生产需求，具有广泛的应 用前 景。 参考文献 【 1 】 秦荣荣 ， 崔可维． 机械原理[ M ] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 o 6 ． 【 2 】 左健民． 液压与气压传动[ M] ． 4版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 8 ．