文明，曹西京，董斌蘭

(1.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021;2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

液壓可調(diào)分度數(shù)輸出機構(gòu)設(shè)計

文明1，曹西京1，董斌蘭2

(1.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021;2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

設(shè)計一種可輸出多種分度數(shù)的機構(gòu)，以可調(diào)行程液壓缸作為動力執(zhí)行元件，齒輪齒條起中間傳遞作用，單向離合器作為單向轉(zhuǎn)動部件，最終實現(xiàn)多種分度數(shù)輸出的間歇運動要求。液壓缸的行程利用機械限位方式調(diào)整。該機構(gòu)定位裝置同樣采用液壓夾緊定位方式，保證了該機構(gòu)在間歇期間定位準(zhǔn)確，同時方便實現(xiàn)自動控制。

可調(diào)行程液壓缸;多種分度數(shù)輸出機構(gòu);單向離合器;機械限位

當(dāng)前，隨著信息化與自動化的發(fā)展，為了滿足某些生產(chǎn)工藝的需求，需要多種分度數(shù)輸出機構(gòu)來實現(xiàn)零件產(chǎn)品的加工和多種機構(gòu)的間歇運動規(guī)律。而目前市面上雖然有很多種機構(gòu)能實現(xiàn)多種分度數(shù)輸出，但是這些機構(gòu)大部分適合低速輕載荷場合［1］。當(dāng)工作載荷很大時，這些機構(gòu)都無法滿足使用要求。針對這一需求，設(shè)計一種能適合重載荷、多種分度數(shù)輸出的可調(diào)分度輸出的機構(gòu)。該機構(gòu)是用液壓缸作為驅(qū)動元件，帶動齒條、齒輪傳動，以實現(xiàn)直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成圓周運動規(guī)律的要求。該機構(gòu)的工作原理是通過改變液壓缸的運動行程，來推動齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，使齒輪按照要求角度轉(zhuǎn)動。同時齒輪上安裝有單向離合器用于與軸連接，這樣可以使往復(fù)運動的齒輪帶動軸實現(xiàn)單一方向轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到間歇運動要求［2］。最終使該機構(gòu)實現(xiàn)可調(diào)分度數(shù)輸出的目的。此外，該機構(gòu)利用液壓控制的原理，可實現(xiàn)自動控制，完全滿足當(dāng)今自動化工業(yè)發(fā)展需求。

1 機構(gòu)組件特點

1.1 液壓缸及液壓傳動系統(tǒng)

1.1.1 液壓缸特點

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、做直線往復(fù)運動 (或擺動運動)的液壓執(zhí)行元件。液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。當(dāng)用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其工作原理是:依靠液壓傳動，以油液作為工作介質(zhì)，通過液壓缸的密封容積的變化來傳遞運動，通過油液內(nèi)部的壓力來傳遞動力。

1.1.2 液壓傳動系統(tǒng)

在液壓傳動與控制的機械裝置中，液壓系統(tǒng)大部分使用具有連續(xù)流動能力的液壓油為介質(zhì)，通過液壓泵將驅(qū)動泵的原動機機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力勢能，經(jīng)過壓力、流量、方向等控制閥，送至液壓缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行器中，從而轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動負(fù)載。液壓系統(tǒng)中一般都有動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔助件和工作介質(zhì)等。一般而言，液壓回路是指能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定功能的液壓元件的組合。而將若干特定的基本功能回路連續(xù)或復(fù)合而成的總體就稱為液壓系統(tǒng)。

液壓缸作為執(zhí)行部件，通過液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)往復(fù)直線運動，液壓傳動系統(tǒng)一般為不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng) (如圖1所示為液壓控制原理方塊圖)，它以動力傳遞為主，而信息傳遞為次，主要追求的是傳動特性的完善。該機構(gòu)采用的液壓缸執(zhí)行器是可調(diào)行程式液壓缸［3］，原理是通過在液壓缸中安裝有刻度的擋塊，利用機械限位的方式來調(diào)節(jié)行程。

圖1 閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)原理方塊圖

1.2 液壓缸可調(diào)行程機構(gòu)演化及其特點

如圖2所示，該機構(gòu)采用可調(diào)行程液壓缸作為驅(qū)動元件，用來推動齒條做往復(fù)直線運動。即通過控制齒條的運動行程從而達(dá)到控制齒輪的轉(zhuǎn)動角度的目的。

圖2 液壓缸驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡圖

該機構(gòu)的特點是將液壓缸的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成圓周運動，通過單向離合器連接，使輸出軸做間歇運動［3］。最終通過調(diào)節(jié)液壓缸的行程來控制輸出軸的轉(zhuǎn)動角度，從而實現(xiàn)間歇的多種分度數(shù)輸出。該機構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，由于液壓缸作為驅(qū)動元件，所以該機構(gòu)同樣具有噪聲小特點，具有過載保護(hù)作用。該機構(gòu)適合在低速、重載荷、需要經(jīng)常改變分度數(shù)的間歇運動場合使用。

2 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)要求，對液壓缸的運動行程進(jìn)行設(shè)計，然后采用機械限位的方式進(jìn)行定位。通過齒條與齒輪的嚙合傳動可以實現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)動角度設(shè)置，可以實現(xiàn)30°﹑ 40°﹑ 60°﹑ 90°﹑ 180°等多角度轉(zhuǎn)動，從而可以實現(xiàn)12﹑9﹑6﹑4﹑2等多種分度數(shù)的輸出。同時該機構(gòu)可以在輸出軸上安裝液壓夾緊定位裝置，當(dāng)齒輪與輸出軸在單向離合器作用下做空轉(zhuǎn)時實現(xiàn)夾緊定位，即固定分度轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，這樣可以保證分度機構(gòu)在間歇階段的精密定位要求。

該機構(gòu)采用的輔助夾緊定位裝置也需要液壓系統(tǒng)來控制，當(dāng)可調(diào)行程液壓缸作回程運動，即單向離合器連接的齒輪空轉(zhuǎn)時，則夾緊裝置會夾緊與分度轉(zhuǎn)盤相連的輸出軸使其固定。當(dāng)可調(diào)行程液壓缸作推程運動時，則夾緊裝置松開，使機構(gòu)開始作分度轉(zhuǎn)動。因此，該輔助裝置主要是通過液壓傳動系統(tǒng)使可調(diào)行程液壓缸與夾緊定位液壓缸按照一定動作順序?qū)崿F(xiàn)。最終保證了機構(gòu)能實現(xiàn)間歇運動，同時使分度轉(zhuǎn)盤在間歇期間不會發(fā)生來回?fù)u擺現(xiàn)象。

2.2 機構(gòu)的工作原理

如圖3所示為該機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維效果圖。該機構(gòu)中是驅(qū)動元件的可調(diào)行程液壓缸是能實現(xiàn)多種分度數(shù)輸出的關(guān)鍵元件，其中的單向離合器是能實現(xiàn)間歇運動的核心部件。當(dāng)工作臺即分度轉(zhuǎn)盤需要轉(zhuǎn)動時，可調(diào)行程液壓缸推動齒條作直線運動，齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒條運動的直線位移可以相應(yīng)轉(zhuǎn)換成齒輪的轉(zhuǎn)動角度。此時單向離合器使齒輪帶動軸轉(zhuǎn)動，然后通過同軸的齒輪來帶動分度轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)可調(diào)行程液壓缸作回程運動時，則使與齒條嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動方向變反，齒輪在單向離合器的作用下與軸之間空轉(zhuǎn)，分度轉(zhuǎn)盤相應(yīng)地停止轉(zhuǎn)動。安裝在輸出軸上的夾緊定位裝置在液壓傳動系統(tǒng)作用下夾緊，使分度轉(zhuǎn)盤具有良好的定位精度。這整個過程即完成了一個角度的轉(zhuǎn)動與間歇運動。然后依次重復(fù)完成上述相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)整個分度間歇運動。當(dāng)所需分度數(shù)發(fā)生變化時，只需要通過改變液壓缸的行程，即可以實現(xiàn)分度數(shù)的可調(diào)。

圖3 機構(gòu)的零件結(jié)構(gòu)三維效果圖

3 液壓可調(diào)分度數(shù)輸出機構(gòu)控制設(shè)計與動作過程

3.1 可調(diào)分度數(shù)輸出機構(gòu)的液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)控制該機構(gòu)實現(xiàn)分度輸出的間歇運動要求，該系統(tǒng)只要兩只液壓缸且分別安裝，使其按照一定的順序動作來完成整個分度數(shù)輸出動作［4－5］。整個控制系統(tǒng)中，在液壓缸行程調(diào)節(jié)中使液壓缸活塞的底端運行到與該行程末端擋塊接觸，該接觸元件即為該系統(tǒng)的核心控制部件。而且，在可調(diào)液壓缸中加入了壓力繼電器，使在改變該液壓缸的行程過程中始終保持液壓缸的內(nèi)部最大壓強不變，這樣可以增加其使用壽命?？傮w上，將可調(diào)行程液壓缸作為主元件，起夾緊定位作用的液壓缸作為輔助元件。兩液壓缸可各劃分一個支路且相互關(guān)聯(lián)。

可調(diào)行程液壓缸往返速度相同，且不需要調(diào)速，但為了滿足往返過程中到行程限位控制的端點避免沖擊損壞接觸元件，同樣達(dá)到準(zhǔn)確的定位要求，采用的是單向減速回路，即在進(jìn)油路上安裝有一個單向行程的減速閥。其中液壓缸的行程控制采用前面介紹的機械限位方式。

起輔助作用的夾緊定位液壓缸同樣不需要調(diào)速，但在時間間隔上有一定的要求，可以在夾緊定位液壓缸支路上采用回油節(jié)流調(diào)速回路。該系統(tǒng)采用的是開式循環(huán)方式。

3.2 可調(diào)分度數(shù)輸出機構(gòu)的液壓系統(tǒng)的控制動作過程

如圖4所示為該液壓傳動系統(tǒng)的原理圖。

圖4 組成系統(tǒng)的原理圖

兩液壓缸按照所需順序?qū)崿F(xiàn)運動:夾緊定位液壓缸10活塞回程 (夾緊定位裝置松開)→可調(diào)行程液壓缸9活塞伸出 (推動齒條運動)→夾緊定位液壓缸10活塞伸出 (夾緊定位裝置夾緊)→可調(diào)行程液壓缸9活塞回程 (拉回齒條，齒輪此時在軸上實現(xiàn)空轉(zhuǎn))。

動作順序為:

(1)夾緊定位液壓缸10活塞回程

按下啟動按鈕使5YA得電，該液壓泵處于卸荷狀態(tài)，機構(gòu)處于間歇階段。同時周期時間繼電器工作，使5YA失電，2YA得電。夾緊定位液壓缸10活塞回程，完成的動作是松開對輸出軸的夾緊定位。

(2)可調(diào)行程液壓缸9活塞伸出

夾緊定位液壓缸完成回程，碰到行程開關(guān)SQ2，SQ2發(fā)送信號使2YA失電，3YA得電?？烧{(diào)行程液壓缸9活塞伸出，完成動作為主動液壓缸推動齒條運動。

(3)夾緊定位液壓缸10活塞伸出

主動液壓缸9活塞伸出碰到行程開關(guān)SQ1，SQ1發(fā)送信號使3YA失電，1YA得電。夾緊液壓缸10活塞伸出，完成動作為夾緊裝置將輸出軸夾緊。

(4)可調(diào)行程液壓缸9活塞回程

夾緊液壓缸10活塞伸出碰到行程開關(guān)SQ2，SQ2發(fā)送信息使1YA失電，4YA得電?？烧{(diào)行程液壓缸9活塞回程，完成的動作是主動液壓缸拉回齒條運動。

(5)可調(diào)行程液壓缸在回程過程中碰到行程開關(guān)SQ3，SQ3發(fā)送信號使4YA失電，5YA得電，則主動液壓缸開始卸荷。完成的動作是控制間歇運動時間。

其中在通過機械限位方式調(diào)節(jié)主動液壓缸9的行程時，壓力繼電器8可以檢測液壓缸內(nèi)部壓強，使其內(nèi)部最大壓強始終保持一致。

表1 液壓系統(tǒng)動作順序

4 結(jié)論

該機構(gòu)綜合了機械、電氣、液壓3種控制方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、緊湊;能輸出多種分度數(shù)，且分度數(shù)能實現(xiàn)可調(diào)控制;分度精度高，傳動力矩大，間歇時間可根據(jù)需要進(jìn)行控制調(diào)節(jié);以液壓缸作為動力執(zhí)行元件，具有液壓傳動的沖擊小、無噪聲、傳動平穩(wěn)、過載保護(hù)的優(yōu)點，因此該機構(gòu)特別適合載荷較大、多品種、多工位、生產(chǎn)節(jié)拍時有變化的流水生產(chǎn)線中的分度，適用范圍廣。定位裝置同樣采用液壓方式夾緊，使分度轉(zhuǎn)盤在間歇階段具有良好的定位特性。將液壓缸設(shè)計成多種行程可以實現(xiàn)更多級數(shù)的分度，最終可通過液壓控制來實現(xiàn)?？蓾M足當(dāng)前生產(chǎn)自動化的需要，因此具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

［1］皺惠君，殷鴻梁.間歇運動機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］張展.聯(lián)軸器，離合器與制動器［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］楊清娟.行程可調(diào)式新型液壓缸［J］.一重技術(shù)，2008(2):35－36.

［4］張利平.液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［5］張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Design on Hydraulic-ad justable Divisions Output Mechanism

WEN Ming1，CAO Xijing1，DONG Binlan2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi710021，China;2.School of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi710021，China)

Output various number of divisionsmechanism was designed.The mechanism was driven by the hydraulic cylinder trip-adjustable，and the gear and rack were used to transfer in thismechanism.By themotions of one-way clutch，it was turned around in one direction.Finally the requirement of intermittentmotion was realized by a various number of divisions output.Themechanical limitway of adjustment stroke was used for the hydraulic cylinder stroke.Hydraulic fixed position was used for the position device of thismechanism，in order to keep themechanism position accurately during intermittentmotion，at the same time to realize convenient automatic control.

Stroke adjustable hydraulic cylinder;Various number of divisions outputmechanism;One-way clutch;Mechanical limit

TH137

B

1001－3881(2014)10－126－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.038

2013－04－11

文明 (1987—)，男，碩士研究生，主要從事機械電子工程方面的研究。E－mail:278747686@qq.com。

book=10,ebook=138