一種基于同步帶、四連桿組成的平滑轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)研究

竇鳳成

摘 要：一種基于同步帶、帶輪和連桿機(jī)構(gòu)，能夠平滑地加速和減速完成周期的起停運(yùn)動(dòng)。而且這種機(jī)構(gòu)具有狀態(tài)調(diào)整器的作用，其驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)位置可以根據(jù)需要調(diào)整。

關(guān)鍵詞：同步帶;四連桿;帶輪;轉(zhuǎn)位;曲柄;間歇運(yùn)動(dòng)

所謂間歇運(yùn)動(dòng)可以看出主動(dòng)件連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件作周期性時(shí)動(dòng)時(shí)停運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為間歇運(yùn)動(dòng)。其機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于電子機(jī)械、輕工機(jī)械等設(shè)備中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位、步進(jìn)、計(jì)數(shù)等功能。其機(jī)構(gòu)類型很多，其中本文所闡述的機(jī)構(gòu)類型不同于以往的棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而是一種基于同步帶、四連桿組成的平滑轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。

這種機(jī)構(gòu)具有典型的精密外形和結(jié)構(gòu)。之所以加入四連桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗倪B桿機(jī)構(gòu)所具有的特性中使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得到可靠、合理，還具備獨(dú)有的幾何條件和動(dòng)力條件等?？梢赃\(yùn)用四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，例如通過(guò)解析法和幾何作圖法，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等優(yōu)化參數(shù)。而這一機(jī)構(gòu)所展現(xiàn)的四連桿的基本特性包過(guò)運(yùn)動(dòng)特性和傳力特性都得到了優(yōu)化，通過(guò)同步帶的加入使這些機(jī)構(gòu)傳遞和變換運(yùn)動(dòng)與力的性能，而且也能從四連桿這種機(jī)構(gòu)類型中得到可靠的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的依據(jù)。再加上同步帶通過(guò)帶輪以及本身的運(yùn)動(dòng)特性具有平穩(wěn)，使運(yùn)動(dòng)平滑而穩(wěn)定，而不是具有其它結(jié)構(gòu)的沖擊所帶來(lái)的不穩(wěn)定性。通過(guò)圖1可以清楚這一機(jī)構(gòu)的組成其中包括輸出帶輪、同步帶、驅(qū)動(dòng)帶輪、驅(qū)動(dòng)曲柄、連接桿以及擺架等。上述機(jī)構(gòu)中已經(jīng)在其它行業(yè)上應(yīng)用多年，例如已經(jīng)用于紡織和印刷工業(yè)以改變當(dāng)兩滾筒被同一輸入驅(qū)動(dòng)時(shí)，交換兩滾筒的計(jì)數(shù)器。對(duì)這種機(jī)構(gòu)如圖1的研究得到了關(guān)注，該機(jī)構(gòu)精確地使一條同步帶繞著四個(gè)傳動(dòng)輪完成停頓轉(zhuǎn)位輸出。該裝置的驅(qū)動(dòng)軸上裝有一個(gè)偏心輪。輸入軸通過(guò)傳動(dòng)比為1的齒輪傳動(dòng)液驅(qū)動(dòng)了另一軸，這第二個(gè)軸安裝了一個(gè)類似的偏心輪。但是該同步帶輪能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。同步帶先通過(guò)第一個(gè)惰滑輪，然后再通過(guò)第二個(gè)輸出滑輪。當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，它也拖著繞著它的同步帶產(chǎn)生特定的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。但是，須用兩個(gè)彈簧制動(dòng)塊，因?yàn)榛喌闹荛L(zhǎng)不是一個(gè)常數(shù)，所以傳動(dòng)中有變間隙設(shè)置。其中輸出帶輪的角度與輸入曲柄的角度如圖2所示。

通過(guò)分析由一條同步帶連接該機(jī)構(gòu)，通過(guò)移動(dòng)曲柄改變輸入與輸出軸之間的狀態(tài)關(guān)系，其中同步帶的理論長(zhǎng)度是不變的。為了改進(jìn)這種機(jī)構(gòu)，通過(guò)研究決定保持輸入與輸出滑輪在固定位置，并保持兩個(gè)惰輪在擺架上。重疊長(zhǎng)度的偏差變得特別小，從而能安裝一個(gè)沒(méi)有彈性載荷張緊輪的同步帶代替原有的鏈條。若擺架保持在一個(gè)位置，該間歇機(jī)構(gòu)會(huì)以恒定速度輸出。改變擺架到另一個(gè)新位置，輸入與輸出之間的狀態(tài)關(guān)系就會(huì)自動(dòng)地隨之改變。

可通過(guò)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，為獲得間歇運(yùn)動(dòng)可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件模擬機(jī)構(gòu)模型輸入輸出。通過(guò)在輸入軸上增加一曲柄和在擺動(dòng)架上加一個(gè)連桿，將一個(gè)四連桿安裝在該機(jī)構(gòu)上。通過(guò)研究可在計(jì)算機(jī)上選擇了一個(gè)迭代程序來(lái)優(yōu)化確定四連桿機(jī)構(gòu)形式。

在一個(gè)有兩個(gè)暫停驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，可獲得大約50°的暫停時(shí)間段。首先輸出慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后是“偽暫停”，這期間幾乎是固定不動(dòng)的。直到輸入軸轉(zhuǎn)了幾乎2/3圈后，輸出才漸漸變后，它繼續(xù)以較低速度運(yùn)動(dòng)并開(kāi)始重復(fù)減速——暫?！铀傺h(huán)。

通過(guò)上述的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析得出，一個(gè)由同步帶、連桿、帶輪、曲柄等組成的機(jī)構(gòu)能平滑、靈活地將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為起-停的轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，而不是常用的棘輪機(jī)構(gòu)或凸輪的間歇機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于減少了沖擊載荷，提供了更強(qiáng)的通用性。使用這種機(jī)構(gòu)能輕松改變工作中轉(zhuǎn)位、停頓動(dòng)作，也可用于低速的裝配作業(yè)。其中運(yùn)動(dòng)的變化關(guān)系可通過(guò)圖2中相互變化來(lái)解決實(shí)際中所需要的參數(shù)要求來(lái)完成設(shè)備所需的操作。

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