Механизмы прерывистого действия

Описание

Механизмы прерывистого действия (демоверсия)

      В машиностроении, и прежде всего, в технологическом оборудовании автоматического и полуавтоматического действия, как правило, используются механизмы прерывистого действия, в частности: для привода поворотных столов, шаговых транспортеров, периодической подачи в рабочую зону оборудования материала бесконечной длины (ленты, проволоки), а также для сообщения движения с остановками выходным звеньям исполнительных и вспомогательных механизмов. Для этого помимо рассмотренных ранее кулачковых механизмов используются:

• мальтийские механизмы,
• механизмы свободного хода (храповые, ролико-клиновые),
• различные виды подач,
• улито-цевочные механизмы,
• рычажные механизмы с периодической остановкой выходного звена,
• специальные механизмы.

Рассмотрим примеры конструктивного исполнения перечисленных типов механизмов прерывистого действия и специфические особенности их кинематики и режима работы (расчеты механизмов приведены в разделе 5).

Мальтийские механизмы

      Наибольшее распространение из всех перечисленных механизмов прерывистого действия получили мальтийские механизмы, которые используются в поворотных устройствах токарных автоматов и агрегатных станков, в поворотно – фиксирующих устройствах полиграфических машин и упаковочного оборудования, а также в оборудовании для пищевой и легкой промышленности.

Рис. 1. Кинематические и конструктивные схемы мальтийских механизмов
с наружным и внутренним зацеплением.

      В технологическом оборудовании чаще всего применяются плоские радиальные мальтийские механизмы с безударным зацеплением (см. Рис. 41, то есть такие механизмы, у которых направление паза мальтийского креста проходит через ось его вращения. Основной причиной их широкого использования является простота изготовления и удобство эксплуатации. Плоский радиальный мальтийский механизм, выполняемый как с наружным, так и с внутренним зацеплением (см. Рис. 1в, г) содержит вращающийся с постоянной угловой скоростью W_кр кривошип 1 с цевкой 2 в виде цилиндрического пальца или ролика, установленный на ведущем валу 3, и вращающийся с переменной угловой скоростью W_мк мальтийский крест 5, установленный на ведомом валу 6. При этом, мальтийский крест представляет собою качающуюся кулису с несколькими открытыми пазами 4 равномерно расположенными по окружности, кроме того он снабжен радиусными выборками 8 в которые при фиксации его положения во время остановки входит ответный радиусный выступ 7 кривошипа 1. Кинематика мальтийского механизма с наружным зацеплением такова, что при повороте кривошипа 1 на угол φ мальтийский крест 5 поворачивается на угол ψ, в противоположном направлении, а угол выстоя мальтийского креста соответствует углу поворота кривошипа равному: 

     Основные параметры данного типа мальтийского механизма выбирают таким образом, чтобы в момент входа цевки в паз мальтийского креста и в момент ее выхода из него вектор скорости центра цевки совпадал по направлению с осью радиального паза. В эти моменты скорость мальтийского креста равна нулю (см. Рис. 2а) и поэтому при входе цевки в паз креста исключается жесткий удар, а в момент выхода цевки из паза облегчается фиксация креста в требуемом положении.

Рис. 2. Графики изменения угловой скорости ω и углового ускорения ε мальтийского креста в зависимости от угла его поворота
на шаг ψ при его внешнем зацеплении с кривошипом.

Однако в этих типах мальтийских механизмов, особенно при малом числе пазов возникают значительные угловые ускорения, которые порождают дополнительные динамические нагрузки приводящие к увеличению нагружения цевки и боковой поверхности пазов мальтийского креста (см. Рис. 2).

Мальтийский механизм с внутренним зацеплением цевки кривошипа с пазами мальтийского креста отличается от механизма с внешним зацеплением тем, что мальтийский крест вращается в ту же сторону, что и кривошип и развивает при этом меньшие по величине угловые скорости и ускорения : 

При этом изменение величины угловой скорости и ускорения мальтийского креста в зависимости от угла поворота кривошипа имеет определенное отличие от изменения этих кинематических параметров механизма с наружным зацеплением. (см. Рис. 3).

Рис. 3. Графики изменения угловой скорости ω и углового ускорения ε мальтийского креста в зависимости от угла его поворота на шаг ψ при его внутреннем зацеплении с кривошипом.

       Учитывая вышеизложенное очевидно, что радиальные мальтийские механизмы с внешним зацеплением целесообразно применять в том случае, когда орган машины, совершающий прерывистое движение, например поворотный стол, выполняет за один оборот большое количество остановок (n = 6 – 12) и при этом, желательно иметь увеличенное расстояние между ведущим валом, на котором установлен кривошип и ведомым валом, на котором установлен мальтийский крест, а их вращение должно происходить в противоположных направлениях. Если орган машины, совершающий прерывистое движение, и в процессе работы делает 3 – 4 остановки за оборот, а расстояние между ведущим валом привода, на котором установлен кривошип и ведомым валом, на котором установлен мальтийский крест, необходимо свести к минимуму при одинаковом направлении вращения этих валов, то гораздо эффективнее применение радиального мальтийского механизма с внутренним зацеплением.

        Рассмотренные конструкции мальтийских механизмов успешно используются в станках автоматах с жестким циклом работы, но в ряде случаев в технологическом оборудовании возникает необходимость менять соотношение продолжительности времени паузы ко времени вращения мальтийского креста, например, в связи с изменением параметров технологического процесса

       Рис. 15. Конструкция компактного мальтийского механизма с увеличенной паузой выстоя.

      На Рис.15 показана компактная конструкция малогабаритного мальтийского механизма в котором ось ведущего зубчатого колеса и ведомого вала выполнены соосными. Он содержит ведущее зубчатое колесо 1, установленное на выходном валу 2 посредством подшипников скольжения 13, шестерню 3 жестко соединенную с кривошипом 4, который на подшипниках скольжения 17, установлен на оси 5, закрепленной на стойке 16, при этом цевка 6, закрепленная на кривошипе 4 посредством планки 12, имеющей вильчатую форму, имеет возможность контактировать с пазами 7 мальтийского креста 8, закрепленного на выходном валу 2 посредством диска 9 с четырьмя пальцами 18. Кроме того, на нижнем торце ведущего зубчатого колеса 1 закреплен кулачок 10, выполненный в виде кольца с нижней наклонной поверхностью, которая контактирует с верхним торцем мальтийского креста 8, определяя тем самым угол его наклона относительно вертикальной оси.
Работает механизм следующим образом. Ведущее зубчатое колесо 1, получающее вращение от привода (привод на Рис. 59 не показан) передает его шестерне 3 и жестко соединенному с ней кривошипу 4, а закрепленная на нем цевка 6, взаимодействуя с пазами 7 мальтийского креста 8, осуществляет его периодический поворот. При этом кулачок 10, будучи закреплен на ведущем зубчатом колесе 1 вращаясь вместе с ним, скользит по верхнему торцу мальтийского креста 8 и периодически вводит и выводит его из контакта с цевкой 6 кривошипа 4. Благодаря наличию кулачка 10 продолжительность выстоя мальтийского креста 8 значительно увеличивается, при этом получается компактная конструкция мальтийского механизма.

Рис. 4. Конструкция сферического мальтийского механизма.

         Помимо плоских радиальных мальтийских механизмов в технологическом оборудовании находят применение сферические мальтийские механизмы, являющиеся разновидностью многопазовых пространственных кулисных механизмов. Конструктивная схема такого мальтийского механизма показана на Рис. 4. Он содержит установленный на ведущем валу 1 кривошип 2, на оси которого 3 шарнирно установлена цевка, выполненная в виде ролика 4, который взаимодействует с пазами 5 сферического мальтийского креста 6 с фиксирующими выборками 9, при этом кривошип снабжен фиксирующим выступом 10 взаимодействующим с выборками 9 креста при его фиксации. Сферический мальтийский крест 6 жестко закреплен на ведомом валу 7 посредством шпоночного соединения, а вал на подшипниках скольжения 8 установлен в корпусе механизма с возможностью вращения, при этом ось вала 7 перпендикулярна оси вала 1. Кинематика работы механизма такова, что при повороте кривошипа 2 с цевкой 4 на угол 180 град мальтийский крест 6 поворачивается на шаг, величина которого определяется количеством пазов выполненных в кресте.

          Исходя из этого рассчитываются их геометрические и кинематические параметры. Основными преимуществами сферического мальтийского механизма по сравнению и плоским радиальным механизмом является возможность передавать движение от кривошипа к мальтийскому кресту при расположении их валов под углом 90 град, а также пониженные инерционные нагрузки, возникающие при его работе. Однако большая трудоемкость изготовления мальтийского креста имеющего сферическую форму ограничивает область применения данных механизмов.

В данном разделе статьи содержится 13 примеров конструктивного
исполнения мальтийских механизмов (см. Рис. в таб.)
с описанием их работы

Механизмы свободного хода.

                 Храповой механизм являются наиболее известным представителем механизмов свободного хода, наиболее часто применяемым для получения прерывистого движения выходного звена. Его кинематическая схема показана на Рис. 19.

Рис. 19. Схема храпового механизма.

          Он состоит из ведущего звена (коромысла) 1, установленного на одной оси с храповым колесом 2 и несущего шарнирно установленную нам нем собачку 3, которая контактирует с храповым колесом, для чего обычно прижимается к нему посредством пружины (на схеме не показана). Работает механизм следующим образом. При повороте коромысла 1 против часовой стрелки на угол ф его собачка 3, своей рабочей поверхностью, упираясь в ответную рабочую поверхность соответствующего зуба храпового колеса 2, поворачивает его на угол        При обратном повороте коромысла собачка 3, прижатая пружиной к храповому колесу 2, скользит по его наружной образующей поверхности не передовая движение, поэтому храповое колесо в это время стоит на месте. Для обеспечения точной фиксации храпового колеса при возврате собачки 3 механизм может оснащаться дополнительной собачкой 4, либо тормозной фрикционной муфтой, обычно устанавливаемой на одном валу с храповым колесом 2.

Рис. 22. Конструкция храпового механизма управляемого кулачком.

        На Рис. 22 показана конструкция малогабаритного храпового механизмы управляемого кулачком. Он содержит кулачок 1 с замкнутым пазом 2, имеющий участки 3 и 4, ведомое храповое колесо 5 и установленный на ведущем валу кривошип 6 с собачкой 7, на которой шарнирно установлен ролик 8, находящейся в постоянном контакте с пазом 2 кулачка 1.
Работает механизм следующим образом. При вращении кривошипа 6 округ оси храпового колеса 5 ролик 8 катится по пазу 2 кулачка 1. При переходе ролика 8 с участка 4 на участок 3 паза 2 кулачка 1 собачка 7 входит в зацепление с зубьями храпового колеса 5 и поворачивает его на угол пропорциональный длине участка 3, а затем при переходе с участка 4 на участок 3 выходит из зацепления с ним. За оборот кривошипа 6 храповое колесо 5 поворачивается на шаг пропорциональный длине участка 3 паза 2 кулачка.

В данном разделе статьи содержится 9 примеров конструктивного
исполнения храповых механизмов (см. Рис. в таб.)
с описанием их работы

        Ролико-клиновой механизм свободного хода является еще одним видом механизмов свободного хода, достаточно часто применяемым для получения прерывистого движения. Его основные конструктивные схемы приведены на Рис. 29а – для преобразования вращательного движения, на Рис. 29б – для преобразования поступательного движения. На Рис. 29а показана конструктивная схема обгонной муфты, которая состоит из ведущего звена – обоймы 1, роликов 2 звездочки 3, пружины 4 и толкателя 5. Периодический поворот ведомого звена звездочки 3 осуществляется следующим образом. При вращении обоймы 1 против часовой стрелке ролики 2 за счет силы трения затягиваются в клиновой зазор между обоймой 1 и звездочкой 3 и заклиниваются, что позволяет обеспечить синхронное вращение звездочки 3 вместе с обоймой 2. При вращении обоймы 1 в обратном направлении ролики 2 расклиниваются и звездочка 3 стоит на месте.

Рис. 29. Ролико-клиновые механизмы.

        На Рис. 29б показана конструкция ролико-клинового зажима, используемого в устройствах для подачи материала бесконечной длины. Он состоит из каретки 2 с установленными в нем верхней 3 и нижней 8 клиновыми вставками, двух обойм 6, верхней и нижней, несущих ролики 1, постоянно поджатые к клиновым вставкам 3 и 8 пружиной 4. При перемещении по стрелке каретки 2 вдоль неподвижных направляющих 9 происходит заклинивание роликов 1 между клиновыми вставками 3 и 8 и подаваемой заготовкой 5, что приводит к перемещению последней вместе с корпусом 2 в указанном направлении на величину S (ход каретки 2). Эти два механизма прерывистого действия по сравнению с рассмотренными ранее механизмами мальтийским и храповым, обладают одним существенным преимуществом, которое делает их наиболее востребованными в различных видах машин и оборудования, оно заключается в возможности плавного изменения величины перемещения ведомого звена без смены каких либо деталей механизма, а только путем регулировки величины перемещения ведущего звена, что достаточно просто реализуется. Так например, в приводе обгонный муфты регулированием длины ведущего рычага, который жестко соединен с ее обоймой можно в широких пределах изменять угол поворота звездочки и связанного с ней ведомого звена. В ролико-клиновом механизме такая же задача решается за счет изменения величины хода каретки, например путем регулирования величины эксцентриситета кривошипа кривошипно-шатунного механизма приводящего ее в движение. Механизмы свободного хода успешно применяются для периодической подачи исходного материала бесконечной длины (ленты и проволоки подаваемой из бунта) в листоштамповочных, универсально-гибочных, холодно – высадочных автоматах и других видах технологического оборудования, работающих с таким видом заготовок.

В данном разделе статьи содержится 12 примеров конструктивного
исполнения ролико – клиновых механизмов свободного
хода (см. Рис. в таб.) с описанием их работы

Подачи.

         Для подачи в рабочую зону технологического оборудования исходной заготовки из материала бесконечной длины (ленты, полосы, проволоки) используются механизмы называемые подачами. Существуют следующие основные виды подач: валковые, клещевые, крючковые, ролико-клиновые и их разновидности. Из перечисленных видов подач, наибольшее распространение получили валковые подачи. Это объясняется тем, что диапазон типов подаваемых заготовок, их размеров и шагов подачи, а также обеспечиваемая при этом точность перемещения заготовки, при достаточной простоте конструкции входящих в подачу механизмов, удовлетворяет требованиям широкого спектра технологических процессов. Однако при большом шаге подачи (более 300 мм) точность, обеспечиваемая валковой подачей снижается, особенно при подаче проволоки в связи с ограничением усилия прижима валков. Для получения высокой скорости и точности подачи даже при величине перемещения заготовки более 300 мм используются клещевая подача. Более высокоя точность и скорость работы клещевлой подачи, обеспечивается за счет увеличения площади контакта зажимного элемента с подаваемой заготовкой (лентой, проволокой). Но конструктивно механизмы клещевой подачи несколько сложнее, чем у валковой. Оба типа подач могут иметь привод от подвижных частей пресса – автомата, например от коленчатого или распределительного вала, или индивидуальный привод, например от пневмоцилиндра(ов), работающих в цикле с исполнительным механизмом оборудования. Крючковые подачи имеют более узкий спектр применения и используются в случаях подачи в зону технологического оборудования деталей, например контактов для армирования (опрессовки) провода, или радиоэлементов, находящихся в составе перфорированной ленты, отверстия в которой расположенные с постоянным шагом и являются опорным элементов для ее захвата и перемещения захватным органом подачи – крючком. Ролико-клиновые подачи находят применение только при невысоких скоростях подачи из-за ограничения по усилию прижима подаваемого материала.

В данном разделе статьи содержится 3 примера конструктивного
исполнения подачи (см. Рис. в таб.) с описанием их работы

      

     Улито-цевочные механизмы.

Улито-цевочные механизмы являются разновидностью пространственных кулачковых механизмов прерывистого действия – цилиндрических (см. Рис. 36а) и глобоидных (см. Рис. 36б, в).

Рис. 36. Типы улито-цевочных механизмов.

        В общем случае, улито-цевочный механизм состоит из вращающегося с постоянной скоростью ведущего вала 1 на котором жестко установлен пространственный кулачок 2 (улита) с разомкнутым профилем, с рабочей поверхностью которого (выступом или пазом) контактируют цевки 3 (цевки выполняются в виде ролика или цилиндрического пальца), установленные с постоянным шагом на карусели 5, которая закреплена на ведомом валу 4, вращающимся с переменной угловой скоростью и делающим периодические остановки, продолжительность которых обусловлена профилем рабочей поверхности улиты 2 (см. Рис. 36а). Количество цевок на карусели определяет число ее позиций (количество периодических остановок). Карусель с цевками представляет собою z коромысел расположенных равномерно по окружности с шагом ψ = 2?/z. Рабочий профиль улиты представляет собою паз, захватывающий цевку и перемещающий его с позиции на позицию в процессе вращения ведущего вала на шаг, или сопряженные винтовые поверхности (см. Рис. 36б) одновременно взаимодействующие с двумя соседними цевками. В глобоидной улите (см. Рис. 36в) ее конические боковые поверхности взаимодействуют с соседними цевками, что позволяет регулировать зазор между рабочей поверхностью улиты и цилиндрической поверхностью цевки (см. Рис. 38). У цилиндрических улит оси цевок расположены параллельно оси вращения карусели, у глобоидных – перпендикулярно. Фиксация карусели в механизмах с цилиндрической улитой обычно осуществляется по двум цевкам, для чего улита снабжается соответствующим фиксирующим ободом, ширина которого равна расстоянию t между боковыми цилиндрическими поверхностями цевок (см. Рис. 36а). У механизмов с цилиндрическими улитами компактная конструкция может быть получена при количестве цевок z ≥ 10, а у глобоидных при z ≥ 6. Глобоидные вогнутые улиты могут обеспечить число остановок z ≤ 5, однако при этом количество цевок должно быть больше числа остановок карусели, поскольку в этом случае за один оборот улиты необходимо пропустить больше одного ролика, что приводит к существенному увеличению размеров улиты. Выпуклые глобоидные улиты не находят применения в механизмах прерывистого действия, поскольку не позволяют создать компактную конструкцию. Улито-цевочные механизмы используются, как с индивидуальным, так и с централизованным приводом. Индивидуальный привод в основном применяется в поворотных столах, а централизованный в механизмах технологического оборудования с автоматическим циклом работы.

В данном разделе статьи содержится 2 примера конструктивного
исполнения улито – цевочных механизмов

(см. Рис. в таб.) с описанием их работы

Рычажные механизмы с периодической остановкой ведомого звена.

Данный тип механизмов прерывистого действия можно разделить на два категории, каждая из которых имеет свои функциональные и конструктивные особенности, это:
– рычажный механизм, ведомое звено которого, в процессе цикла работы делает одну или несколько остановок,
– рычажный механизм, являющийся приводом элемента конструкции, совершающего в процессе работы периодическое перемещение.
Обе категории этих механизмов имеют вполне определенную область применения.
Так, например, рычажные механизмы первой категории обычно используются в качестве вспомогательных механизмов технологического оборудования, а механизмы второй категории используются в качестве привода поворотных столов с фиксированным числом позиций, или ведущих барабанов (звездочек) шаговых конвейеров.

     На Рис. 39 показано несколько кинематических схем рычажных механизмов, в которых выходное звено в течении цикла работы совершает выстой, начало и окончание которого определяется размерами и взаимным положением звеньев этих механизмов. На Рис. 29а показана кинематическая схема механизма, у которого выходное звено FL совершает длительный выстой в крайнем положении. Этот механизм состоит из четырехзвенника ОАВС, к которому присоединена двухповодковая группа MDF, причем длина звена MD равна радиусу окружности приближающейся к траектории точки М. на определенном участке. Центр D выбран так, что в крайних положениях звена FL точка D совпадает с центром дуги на траектории точки М, В результате чего звено FL неподвижно в течении определенного времени. На Рис. 39б показана кинематическая схема механизма, у которого выходное звено FL делает остановку в середине хода. При непрерывном вращении кривошипа АО коромысло FL совершает колебательное движение, остановка которого в середине хода осуществляется потому, что траектория точки М на некотором участке мало отличается от дуги окружности, а длина звена DM равна радиусу этой окружности, при этом положение оси качания коромысла FL выбрано таким образом, что в среднем положении коромысла она совпадает с центром этой окружности. На Рис. 39в показана кинематическая схема механизма, у которого выходное звено (коромысло) FL делает остановки в крайних положениях. Выстой коромысла FL достигается за счет того, что траектория точки М шатуна АВМ четырехзвенника ОАВС имеет два участка примерно равной кривизны, а длина звена MD равна радиусу окружности, совпадающей с этим участком. Ось качания коромысла FL выбрана таким образом, что в крайних положениях точка D приходит в центры этих окружностей, вследствие этого коромысло FL в крайних положениях определенное время остается неподвижным. На Рис. 39г показана кинематическая схема механизма с двумя остановками ведомого звена FE. Первая остановка звена происходит при движении точки D по участкам траектории ограниченным углами φ1 и φ2. На Рис. 39д показана кинематическая схема механизма с остановкой его двух выходных звеньев GF и ED. В этом механизме остановка одного звена начинается в момент трогания с места второго звена. На Рис. 39е показана кинематическая схема механизма, выходное звено которого (кулиса) делает остановки в середине прямого и обратного хода. В зависимости от угла поворота кривошипа ОА продолжительность движения и выстоя кулисы распределяется следующим образом: α1 = 90 град – движение, α2 = 38 град – выстой, α3 = 52 град – движение. Обратный ход кулисы симметричен прямому.

В данном разделе статьи содержится 9 примеров конструктивного
исполнения рычажных механизмов с периодической
остановкой ведомого звена (см. Рис. в таб.)
с описанием их работы

Специальные механизмы прерывистого действия.

Помимо рассмотренных механизмов прерывистого действия существуют различные специальные механизмы, аналогичного назначения, создание которых связано с определенными техническими требованиями и ограничениями имеющими место при создании различных видов машин и оборудования. Чаще всего они строятся на базе соединения различных типов механизмов с целью использования их характерных особенностей, например кулачковых и зубчатых или кривошипно-шатунных и кулачковых.

Рис. 46. Конструкция механизма обеспечивающего прерывистое вращение зубчатого колеса.

           На Рис. 46 показана конструкция механизма обеспечивающего прерывистое вращение зубчатого колеса, выполненное на основе неполнозубого зубчатого колеса. Он содержит ведущий вал 1 с жестко закрепленным на нем неполнозубым зубчатым колесом 2, которое зацепляется с шестерней 4, установленной на ведомом валу 3, а также кулачок 6 закрепленный на зубчатом колесе 2, по пазу которого, состоящего из участков 7 и 8 скользит ролик 5, установленный на шестерне 4. Количество зубьев на колесе 2 выбрано таким образом, чтобы обеспечить полный оборот шестерни 4 (в данном случае передаточное отношение зубчатой передачи равно двум).

          Работает механизм следующим образом. В исходном положении детали механизма показаны на Рис. 46а. При вращении ведущего вала 1 неполнозубое колесо 2 вращается вместе с кулачком 6 и ее последний зуб выходит из зацепления с шестерней 4, а ролик 5 входит в участок 7 паза кулачка 6. Поскольку участок 7 профиля кулачка 6 выполнен по радиусу окружности с центром в оси вала 1, его перемещение не вызывает вращения шестерни 4 и заложенного в цикле работы оборудования. Поворот колеса 4 на некоторый угол происходит при переходе ролика 5 на участок 8 кулачка 6, но после прохождений участка 8 и переходе на участок 7 кулачка 6 ролик 5 возвращает шестерню 4 в прежнее положение и остается неподвижным до конца выстоя. Начало последующего вращения шестерни 4 начинается в момент, когда первый зуб колеса 2 входит в зацепление с ней (см. Рис. 46б). Прежде чем зубья передачи входят в зацепление заходная, криволинейная часть участка 7 кулачка 6 поворачивает шестерню 4 на некоторый угол, обеспечивающий безударное вхождение в зацепление с ней зубьев неполнозубого колеса 2. После этого вращение вала 1 с зубчатым колесом 2 имеющим передаточное отношение с шестерней 4 равное двум обеспечивает последней полный оборот.

В данном разделе статьи содержится 7 примеров конструктивного
исполнения специальных механизмов прерывистого действия
(см. Рис. в таб.) с описанием их работы

 

ЛИТЕРАТУРА.

1. Игнатьев Н. П. Основы проектирования Азов 2011г.
2. Игнатьев Проектирование нестандартного оборудования Азов 2013г.
3. Игнатьев Н. П. Проектирование механизмов Азов 2015г.

 

Полная версия статьи, содержит 33 страницы текста и 47 рисунков

Для приобретения полной версии статьи добавьте её в корзину,

Стоимость полной версии статьи 200 рублей.