МЕХАНИЗМ ПЛАВАЮЩЕГО ШАРНИРНОГО ПАРАЛЛЕЛОГРАММА Российский патент 2022 года по МПК F16H21/00 F16H21/26 F16H19/00 B01F7/00 B23D25/00 B25J1/00 B64F1/06 E02F3/40 E04H9/02 H01Q15/16 

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.

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_y 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_y 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.

На фиг. 1 изображен общий вид механизма плавающего шарнирного параллелограмма, содержащего опорное основание O₁O₂ 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 O₁, O₂, 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_y=2 и содержащей две приводные вращательные кинематические пары O₁ и O₂. 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.

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_y=2).

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_y=4).

На фиг. 4 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирно параллелограмма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде набора из трех параллелограммов A₁B₁C₁D₁, A₂B₂C₂D₂ и TEPQ, кинематически связанных между собой через шестигранное звено A₁D₁D₂A₂PE. Шатуны В₁С₁ и В₂С₂ 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_y=3).

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 О₁, а на шатуне CD закреплен рабочий орган в виде ковша 17 для образования привода ковша погрузчика с двумя управляемыми степенями свободы (W_y=2).

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_y=1) в контакте с внутренним контуром стен 19 этого здания.

На фиг. 7 представлен вариант выполнения механизма плавающего шарнирного параллелограмма, в котором каждый из поворотных кривошипов О₁А и О₂С 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_y=1).

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_y=1).

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 О₁О₂ 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_y=2).

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 А₁А₂, А₃А₄, В₁В₂ и В₃В₄, для образования двухподвижного привода складывающейся плоской космической антенны, обладающего двумя управляемыми степенями свободы (W_y=2).

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_y=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.

Достигаемый положительный эффект заключается в упрощении конструкции, исключении вредных избыточных связей и мертвых положений звеньев параллелограмма, расширении рабочего пространства (за счет увеличения числа W_y 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.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирно-рычажным приводам. Механизм плавающего шарнирного параллелограмма содержит опорное основание и замкнутую кинематическую цепь. Цепь включает четыре шатуна, кинематически взаимосвязанные через цилиндрические шарниры, и поворотные кривошипы. Кривошипы собраны между собой в многосторонние изменяемые замкнутые контуры с установкой в них приводных вращательных, поступательных или винтовых кинематических пар. Пары образуют четырехшатунный шарнирный параллелограмм. Достигается упрощение конструкции. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Механизм плавающего шарнирного параллелограмма, содержащий опорное основанием и замкнутую кинематическую цепь рычажных звеньев, включающую четырехзвенный шарнирный параллелограмм и поворотные кривошипы привода рабочего органа, отличающийся тем, 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_y управляемых степеней свободы.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что каждый из шатунов четырехшатунного шарнирного параллелограмма выполнен в виде многошарнирного соединительного рычага, например двухшарнирного или трехшарнирного с расположением у последнего трех шарниров на одной прямой линии или на вершинах треугольника, все шатуны упомянутого параллелограмма выполнены с возможностью закрепления на них отдельных рабочих органов, а поворотные кривошипы кинематически связаны с шатунами четырехшатунной шарнирно параллелограмма через промежуточные двухшарнирные соединительные рычаги для образования симметричного робота с четырьмя управляемыми степенями свободы, W_y=4.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде набора, например, из трех шарнирных параллелограммов, кинематчиески связанных между собой через многошарнирное, например, шестишарнирное звено, шатуны двух из упомянутых параллелограммов выполнены с возможностью закрепления на них отдельных рабочих органов, механизм снабжен поворотной платформой, выполненной с возможностью осуществления полного поворота, а третий из упомянутых параллелограммов установлен на упомянутую поворотную платформу для образования симметричного двухрукого поворотного манипулятора с тремя управляемыми степенями свободы, W_y=3.

4. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что противоположные вершины четырехшатунного шарнирного параллелограмма кинематически связаны между собой через установленный по диагонали упомянутого параллелограмма подвижный гидроцилиндр и двойные цилиндрические шарниры для образования двухподвижного привода ковша погрузчика с двумя управляемыми степенями свободы, W_y=2.

5. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что четырехшатунный шарнирный параллелограмм снабжен установленным внутри него и соединенным с ним через поворотные кривошипы и двойные цилиндрические шарниры дополнительным шарнирным четырехзвенником с установленным по его диагонали винтовым приводом для образования одноподвижного распорного устройства внутренней сейсмозащиты стен здания за счет выполнения упомянутого устройства с одной управляемой степенью свободы, W_y=1.

6. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что каждый из поворотных кривошипов сблокирован с входящими в зацепление между собой зубчатыми колесами, установленными внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма, а каждый из шатунов упомянутого параллелограмма выполнен с возможностью закрепления на нем отдельной месильной емкости для образования четырехемкостного вибросмесителя с приводом от одного двигателя, выполненного с одной управляемой степенью свободы, W_y=1.

7. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что четырехшатунный шарнирный параллелограмм выполнен в виде шарнирного ромба, противоположные вершины которого кинематически связаны между собой через подвижный пневмоцилиндр в качестве приводной поступательной пары и через два двойных цилиндрических шарнира, установленных на упомянутых вершинах ромба, а две смежные стороны этого ромба сблокированы с отдельными режущими органами для образования самоустанавливающихся летучих ножниц с одной управляемой степенью свободы, W_y=1.

8. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что он содержит два поворотных кривошипа, установленных внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма, опорное основание которого сблокировано с поворотной платформой, а один из шатунов упомянутого параллелограмма сблокирован с пусковой площадкой запуска беспилотных летательных аппаратов для образования мобильного пускового комплекса с двухподвижным вращательным приводом, выполненным с двумя управляемыми степенями свободы, W_y=2.

9. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен установленными внутри четырехшатунного шарнирного параллелограмма и расположенными параллельно его шатунам дополнительными ребрами жесткости в виде двухшарнирных распорных рычагов, а поворотные кривошипы выполнены одинаковой длины и расположены параллельно между собой для образования двухподвижного привода складывающейся антенны рефлектора, обладающего двумя управляемыми степенями свободы, W_y=2.

10. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что противоположно расположенные шатуны четырехшатунного шарнирного параллелограмма связаны между собой посредством радиально изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов с осями углового поворота, пересекающимися между собой в одной точке, для образования пространственного рефлектора космической антенны с двумя управляемыми степенями свободы при изменении геометрии его зеркала, W_y=2.