манипулятор для передачи изделий

Формула изобретения

1. Манипулятор для передачи изделий, содержащий передаточный механизм с выходным звеном, исполнительный механизм с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, и привод, отличающийся тем, что передаточный механизм с выходным звеном выполнен в виде многозвенного кулачково-зубчато-рычажного механизма, содержащего кинематически связанные ведущий кулачок, коромысло, с которым жестко связано зубчатое колесо, шестерню, с которой жестко связано водило, и выходное звено.

2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что рабочий профиль ведущего кулачка выполнен симметричным в виде спирали Архимеда на участке сближения и удаления, при этом на границах участков профиль имеет постоянные радиусы-векторы.

3. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что центры качания коромысла и зубчатого колеса совмещены, при этом на свободном конце коромысла смонтирован ролик для сопряжения с профилем кулачка, а зубчатое колесо сопряжено с шестерней.

4. Манипулятор по п.1 отличающийся тем, что центры качания шестерни и водила совмещены, при этом на свободном конце водила смонтирован ролик для сопряжения с выходным звеном.

5. Манипулятор по п.1 или 4, отличающийся тем, что водило совершает возвратно-поворотные движения с углом размаха 180° с выстоями на границах ходов, при этом прямой и обратный ход и выстой водила соответствуют времени полного оборота ведущего кулачка.

6. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что выходное звено выполнено в виде толкателя, установленного в неподвижных направляющих, и рамки для сопряжения с роликом водила, консольно закрепленной на толкателе под прямым углом к его продольной оси.

7. Манипулятор по п.6 отличающийся тем, что линия хода толкателя и ось качания водила расположены под прямым углом в одной плоскости.

8. Манипулятор по любому из пп.1, 6 или 7, отличающийся тем, что движение выходного звена передаточного механизма при рабочем и холостом ходах соответствует зависимостям:

x=r·sin ,

v= ·r·cos ,

a=- ²·r·sin ,

где х - перемещение выходного звена;

r - длина водила;

- угол поворота водила, отсчитываемый от середины интервала рабочего или холостого хода;

v - скорость выходного звена;

- угловая скорость водила, =const;

а - ускорение выходного звена.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к механизмам со сложным движением выходных звеньев, применяемым для выполнения вспомогательных операций при обслуживании машин, станков, прессов и устройств различного назначения. Такие манипуляционные механизмы, имитирующие определенные движения рук человека, обеспечивают захват изделия (объекта манипулирования), его перемещение из одной позиции в другую, освобождение и передачу изделия.

Известно, например, манипуляционное устройство, обеспечивающее захват изделия, его перемещение по дуге окружности и освобождение, содержащее исполнительный механизм с губками для захвата изделий, механизм поворота и гидропривод (Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987. - С.9 и 10, рис.а).

Основным недостатком данного устройства является усложненность привода и малая частота повторения рабочих циклов, т.е. невысокая производительность. Указанный недостаток является результатом использования отдельных двигателей для механизмов захвата и поворота, а также применения тихоходного гидравлического привода. Недостаток особенно ощутим при агрегатировании устройства с машинами-автоматами в линиях высокой производительности.

Известен также комбинированный механизм со сложным движением выходных звеньев, содержащий передаточный механизм с ведущим и выходными звеньями, исполнительный механизм с губками для захвата изделий и привод, в котором ведущее звено передаточного механизма выполнено состоящим из кривошипа и силового упругого элемента (патент РФ №2290296, опубл. в БИПМ, 2006. - №36 - прототип). Данный механизм является средством того же назначения, что и предлагаемое изобретение.

Основной недостаток прототипа заключается в том, что при работе привода ведущее звено передаточного механизма генерирует безударное движение выходного звена при рабочем ходе и движение с ударом при холостом ходе. Наличие удара в периоде рабочего цикла ограничивает возможность интенсификации рабочего хода, поскольку увеличение частоты повторения ударов приводит к возникновению вибрации и соответственно к снижению надежности работы механизма и потере производительности из-за внецикловых простоев.

Задачей настоящего изобретения является исключение ударных нагрузок при работе манипулятора и повышение его производительности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в манипуляторе для передачи изделий, содержащем передаточный механизм с выходным звеном, исполнительный механизм с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, и привод, передаточный механизм выполнен в виде многозвенного кулачково-зубчато-рычажного механизма, содержащего кинематически связанные звенья: ведущий кулачок, коромысло, с которым жестко связано зубчатое колесо, шестерню, с которой жестко связано водило, и выходное звено.

Рабочий профиль ведущего кулачка выполнен симметричным в виде спирали Архимеда на участке сближения и удаления, при этом на границах участков профиль имеет постоянные радиус-векторы.

Центры качания коромысла и зубчатого колеса совмещены, при этом на свободном конце коромысла смонтирован ролик для сопряжения с профилем кулачка, а зубчатое колесо сопряжено с шестерней.

Центры качания шестерни и водила совмещены, при этом на свободном конце водила смонтирован ролик для сопряжения с выходным звеном.

Водило совершает возвратно-поворотные движения с углом размаха 180° с выстоями на границах ходов, при этом прямой и обратный ход и выстой водила соответствуют времени полного оборота ведущего кулачка.

Выходное звено выполнено в виде толкателя, установленного в неподвижных направляющих, и рамки для сопряжения с роликом водила, консольно закрепленной на толкателе под прямым углом к его продольной оси.

Линия хода толкателя и ось качания водила расположены под прямым углом в одной плоскости.

Движение выходного звена передаточного механизма при рабочем и холостом ходах соответствует зависимостям:

где х - перемещение выходного звена;

r - длина водила;

- угол поворота водила, отсчитываемый от середины интервала рабочего или холостого хода;

v - скорость выходного звена;

- угловая скорость водила, =const;

а - ускорение выходного звена.

Выполнение передаточного механизма манипулятора в виде многозвенного кулачково-зубчато-рычажного механизма имеет свои преимущества. Такой механизм обеспечивает синусоидальный (безударный) закон движения выходного звена, реализация такого закона является благоприятной для работы манипулятора, поскольку выходное звено передаточного механизма является ведущим звеном исполнительного механизма, несущего при передаче изделий основную технологическую нагрузку.

Предложенное выполнение рабочего профиля ведущего кулачка передаточного механизма в виде равновеликих Архимедовых спиралей на участках сближения и удаления обеспечивает возвратно-поворотное движение коромысла с постоянной скоростью Это движение коромысла трансформируется посредством зубчатой пары в качательное движение водила с постоянной скоростью с углом размаха 180°. Такое движение водила является предпочтительным, так как оно определяет движение выходного звена по закону синуса. Кроме того, постоянные радиус-векторы в рабочем профиле кулачка (на границах участков сближения и удаления) обеспечивают выстои определенной продолжительности на границах ходов выходного звена. Выстои являются желательными для качественного выполнения манипулятором операций «схват изделия» и «выдача изделия».

Совмещением центров качания жестко связанных коромысла и зубчатого колеса обеспечивается синхронность их движения (равенство угловых скоростей и углов размаха). Ролик, смонтированный на свободном конце коромысла, является типовым конструктивным элементом высшей кинематической пары.

Жесткая связь и совмещение центров качания шестерни и водила обеспечивают соответствие (равенство) их углов размаха, численно равных 180°. Ролик на свободном конце водила является типовым конструктивным элементом высшей кинематической пары. При использовании манипулятора для передачи изделий повышенной массы вместо ролика предпочтительно использовать ползун (новое подвижное звено и низшая кинематическая пара).

В системе водило-выходное звено водило выполняет функцию ведущего звена по аналогии с кривошипом синусного механизма (механизма с поступательно движущейся кулисой). Однако в отличие от кривошипа водило на границах прямого и обратного ходов выстаивает, обеспечивая аналогичные выстои выходного звена. Само движение выходного звена осуществляется, как и в синусном механизме, по синусоидальному закону.

Выполнение выходного звена в виде толкателя с жестко и консольно закрепленной на нем рамки для сопряжения с роликом водила обеспечивает постоянную кинематическую связь водила с выходным звеном. В отличие от синусного механизма с ведущим кривошипом, совершающим непрерывные вращательные движения, водило совершает возвратно-поворотные движения, при этом траектории движения его точек при прямом и обратном ходах повторяются. Такое движение водила и определяет возможность его выстоев на границах ходов, а реализация каждой точкой водила траектории, составляющей только половину дуги окружности, определила возможность консольного крепления рамки к толкателю.

Расположение линии хода толкателя и оси качания водила в одной плоскости определяет минимально возможную длину консоли (рамки), которая будет соответствовать условию

L _k r+d/2,

где L_k - длина консольной части рамки;

r - длина водила;

d - диаметр ролика.

Зависимости (1)-(3) показывают, что в предлагаемом манипуляторе выходное звено передаточного механизма, несущее выходные звенья исполнительного механизма, в интервалах рабочего и холостого ходов совершает движение по синусоидальному закону, т.е. без каких-либо «мягких» или «жестких» ударов.

Заявляемый манипулятор отличается от прототипа сочетанием конструктивных элементов и характером связи между ними, обеспечивающими исключение ударных нагрузок при работе и повышение производительности. Структура кинематической цепи передаточного механизма манипулятора и его работоспособность подтверждаются соответствием формуле Чебышева

W=3·n-2p₅-p₄ =3·4-2·4-3=1,

где W - степень подвижности механизма, W=1;

n - число подвижных звеньев, n=4;

р ₅ - число низших кинематических пар, р₅ =4;

р₄ - число высших кинематических пар, р₄=3.

Система кинематической связи в составе передаточного и исполнительного механизмов манипулятора также удовлетворяет условию работоспособности.

Предлагаемый манипулятор для передачи изделий поясняется чертежом, на котором представлена его кинематическая схема.

Манипулятор для передачи изделий содержит передаточный механизм 1, исполнительный механизм 2 с губками 3 для захвата изделий и привод, последний на чертеже не показан.

Механизм 1 выполнен в виде многозвенного кулачково-зубчато-рычажного механизма, который включает кинематически связанные звенья: ведущий кулачок 4, коромысло 5, с которым жестко связано зубчатое колесо 6, шестерню 7, с которой жестко связано водило 8, и выходное звено 9, выполненное в виде толкателя 10, и рамки 11, жестко и консольно закрепленной на толкателе. На свободном конце коромысла 5 смонтирован ролик 12 для сопряжения с рабочим профилем кулачка 4. Коромысло 5 и колесо 6 смонтированы на оси 13, а шестерня 7 и водило 8 - на оси 14. На свободном конце водила 8 смонтирован ролик 15 для взаимодействия с рамкой выходного звена. Толкатель 10 установлен в неподвижных направляющих 16, рамка 11 закреплена на толкателе консольно. Толкатель 10 и ось 14 лежат в одной плоскости, это определяет Т-образную форму выходного звена.

Исполнительный механизм 2 выполнен в виде рычажно-кулачкового механизма, он включает ведущее звено, которым является выходное звено передаточного механизма, выходные звенья 17 и 18 с губками 3 для захвата изделий и неподвижный кулачок-копир 19 с фигурными пазами 20 и 21 для сопряжения с выходными звеньями. На свободном конце толкателя 10 жестко закреплен палец 22 для шарнирной связи с выходными звеньями. На свободных концах выходных звеньев смонтированы ролики 23 и 24 для сопряжения с фигурными пазами 20 и 21 копира 19. Поворотное движение выходных звеньев на пальце 22 относительно толкателя 10 осуществляется по закону, определяемому рабочими профилями фигурных пазов 20 и 21.

Губки 3 выполнены по форме передаваемых изделий и закреплены на выходных звеньях жестко, но разъемно. Границы прямого и обратного ходов выходных звеньев соответствуют позициям «схват изделия» и «выдача изделия». Ролики выходных звеньев взаимодействуют с фигурными пазами копира 19 как при рабочем, так и при холостом ходах.

Манипулятор для передачи изделий работает следующим образом.

При работе привода вращение кулачка 4 передаточного механизма 1 преобразуется посредством системы промежуточных звеньев в сложное движение выходных звеньев 17 и 18 с губками 3 для захвата изделий. Выходные звенья совершают поступательное движение вместе с толкателем 10 и возвратно-поворотное движение относительно толкателя с выстоями определенной продолжительности.

На границах прямого и обратного ходов толкатель 10 выстаивает, при этом выходные звенья 17 и 18 занимают положение, при котором губки оказываются разжатыми. В позиции «схват изделия» в разжатые губки подается объект манипулирования. В момент начала рабочего хода ролики 23 и 24, взаимодействуя с фигурными пазами 20 и 21 копира 19, обеспечивают такое положение выходных звеньев 17 и 18, при котором губки сжимаются. При рабочем ходе губки контактируют с изделием по большей части его периметра, надежно удерживая изделие, переносимое из одной позиции в другую.

В интервалах прямого и обратного ходов палец 22, несущий выходные звенья с губками, перемещается по прямолинейной траектории - траектории движения толкателя 10.

В позиции «выдача изделия» губки разжимаются, перестают удерживать изделие и последнее выводится из манипулятора. При обратном ходе (без изделия) губки также занимают сжатое положение, поскольку ролики выходных звеньев взаимодействуют с теми же фигурными пазами, что и при рабочем ходе.

Последующие рабочие циклы выполняются аналогичным образом.