液壓可調分度數輸出機構設計

文明，曹西京，董斌蘭

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

液壓可調分度數輸出機構設計

文明1，曹西京1，董斌蘭2

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

設計一種可輸出多種分度數的機構，以可調行程液壓缸作為動力執行元件，齒輪齒條起中間傳遞作用，單向離合器作為單向轉動部件，最終實現多種分度數輸出的間歇運動要求。液壓缸的行程利用機械限位方式調整。該機構定位裝置同樣采用液壓夾緊定位方式，保證了該機構在間歇期間定位準確，同時方便實現自動控制。

可調行程液壓缸;多種分度數輸出機構;單向離合器;機械限位

當前，隨著信息化與自動化的發展，為了滿足某些生產工藝的需求，需要多種分度數輸出機構來實現零件產品的加工和多種機構的間歇運動規律。而目前市面上雖然有很多種機構能實現多種分度數輸出，但是這些機構大部分適合低速輕載荷場合［1］。當工作載荷很大時，這些機構都無法滿足使用要求。針對這一需求，設計一種能適合重載荷、多種分度數輸出的可調分度輸出的機構。該機構是用液壓缸作為驅動元件，帶動齒條、齒輪傳動，以實現直線往復運動轉換成圓周運動規律的要求。該機構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動，使齒輪按照要求角度轉動。同時齒輪上安裝有單向離合器用于與軸連接，這樣可以使往復運動的齒輪帶動軸實現單一方向轉動，從而達到間歇運動要求［2］。最終使該機構實現可調分度數輸出的目的。此外，該機構利用液壓控制的原理，可實現自動控制，完全滿足當今自動化工業發展需求。

1 機構組件特點

1.1 液壓缸及液壓傳動系統

1.1.1 液壓缸特點

液壓缸是將液壓能轉變為機械能、做直線往復運動 (或擺動運動)的液壓執行元件。液壓缸結構簡單、工作可靠。當用它來實現往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩，因此在各種機械的液壓系統中得到廣泛應用。其工作原理是:依靠液壓傳動，以油液作為工作介質，通過液壓缸的密封容積的變化來傳遞運動，通過油液內部的壓力來傳遞動力。

1.1.2 液壓傳動系統

在液壓傳動與控制的機械裝置中，液壓系統大部分使用具有連續流動能力的液壓油為介質，通過液壓泵將驅動泵的原動機機械能轉換成液體的壓力勢能，經過壓力、流量、方向等控制閥，送至液壓缸、液壓馬達等執行器中，從而轉換為機械能驅動負載。液壓系統中一般都有動力源、執行器、控制閥、液壓輔助件和工作介質等。一般而言，液壓回路是指能夠實現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或復合而成的總體就稱為液壓系統。

液壓缸作為執行部件，通過液壓傳動系統實現往復直線運動，液壓傳動系統一般為不帶反饋的開環系統 (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。該機構采用的液壓缸執行器是可調行程式液壓缸［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節行程。

圖1 閉環控制液壓系統原理方塊圖

1.2 液壓缸可調行程機構演化及其特點

如圖2所示，該機構采用可調行程液壓缸作為驅動元件，用來推動齒條做往復直線運動。即通過控制齒條的運動行程從而達到控制齒輪的轉動角度的目的。

圖2 液壓缸驅動的結構簡圖

該機構的特點是將液壓缸的直線往復運動轉換成圓周運動，通過單向離合器連接，使輸出軸做間歇運動［3］。最終通過調節液壓缸的行程來控制輸出軸的轉動角度，從而實現間歇的多種分度數輸出。該機構的特點是結構緊湊，傳動平穩，由于液壓缸作為驅動元件，所以該機構同樣具有噪聲小特點，具有過載保護作用。該機構適合在低速、重載荷、需要經常改變分度數的間歇運動場合使用。

2 機構的結構設計

2.1 機構的結構組成

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

該機構采用的輔助夾緊定位裝置也需要液壓系統來控制，當可調行程液壓缸作回程運動，即單向離合器連接的齒輪空轉時，則夾緊裝置會夾緊與分度轉盤相連的輸出軸使其固定。當可調行程液壓缸作推程運動時，則夾緊裝置松開，使機構開始作分度轉動。因此，該輔助裝置主要是通過液壓傳動系統使可調行程液壓缸與夾緊定位液壓缸按照一定動作順序實現。最終保證了機構能實現間歇運動，同時使分度轉盤在間歇期間不會發生來回搖擺現象。

2.2 機構的工作原理

如圖3所示為該機構內部結構的三維效果圖。該機構中是驅動元件的可調行程液壓缸是能實現多種分度數輸出的關鍵元件，其中的單向離合器是能實現間歇運動的核心部件。當工作臺即分度轉盤需要轉動時，可調行程液壓缸推動齒條作直線運動，齒條帶動齒輪轉動，齒條運動的直線位移可以相應轉換成齒輪的轉動角度。此時單向離合器使齒輪帶動軸轉動，然后通過同軸的齒輪來帶動分度轉盤轉動。當可調行程液壓缸作回程運動時，則使與齒條嚙合的齒輪轉動方向變反，齒輪在單向離合器的作用下與軸之間空轉，分度轉盤相應地停止轉動。安裝在輸出軸上的夾緊定位裝置在液壓傳動系統作用下夾緊，使分度轉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動與間歇運動。然后依次重復完成上述相應的動作，從而實現整個分度間歇運動。當所需分度數發生變化時，只需要通過改變液壓缸的行程，即可以實現分度數的可調。

圖3 機構的零件結構三維效果圖

3 液壓可調分度數輸出機構控制設計與動作過程

3.1 可調分度數輸出機構的液壓系統的控制設計

根據液壓系統控制該機構實現分度輸出的間歇運動要求，該系統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輸出動作［4－5］。整個控制系統中，在液壓缸行程調節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的核心控制部件。而且，在可調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部最大壓強不變，這樣可以增加其使用壽命。總體上，將可調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聯。

可調行程液壓缸往返速度相同，且不需要調速，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，同樣達到準確的定位要求，采用的是單向減速回路，即在進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流調速回路。該系統采用的是開式循環方式。

3.2 可調分度數輸出機構的液壓系統的控制動作過程

如圖4所示為該液壓傳動系統的原理圖。

圖4 組成系統的原理圖

兩液壓缸按照所需順序實現運動:夾緊定位液壓缸10活塞回程 (夾緊定位裝置松開)→可調行程液壓缸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)→可調行程液壓缸9活塞回程 (拉回齒條，齒輪此時在軸上實現空轉)。

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，機構處于間歇階段。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SQ2，SQ2發送信號使2YA失電，3YA得電。可調行程液壓缸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SQ1，SQ1發送信號使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SQ2，SQ2發送信息使1YA失電，4YA得電。可調行程液壓缸9活塞回程，完成的動作是主動液壓缸拉回齒條運動。

(5)可調行程液壓缸在回程過程中碰到行程開關SQ3，SQ3發送信號使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節主動液壓缸9的行程時，壓力繼電器8可以檢測液壓缸內部壓強，使其內部最大壓強始終保持一致。

表1 液壓系統動作順序

4 結論

該機構綜合了機械、電氣、液壓3種控制方式，結構設計合理、緊湊;能輸出多種分度數，且分度數能實現可調控制;分度精度高，傳動力矩大，間歇時間可根據需要進行控制調節;以液壓缸作為動力執行元件，具有液壓傳動的沖擊小、無噪聲、傳動平穩、過載保護的優點，因此該機構特別適合載荷較大、多品種、多工位、生產節拍時有變化的流水生產線中的分度，適用范圍廣。定位裝置同樣采用液壓方式夾緊，使分度轉盤在間歇階段具有良好的定位特性。將液壓缸設計成多種行程可以實現更多級數的分度，最終可通過液壓控制來實現。可滿足當前生產自動化的需要，因此具有廣泛的市場應用前景。

［1］皺惠君，殷鴻梁.間歇運動機構設計與應用創新［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］張展.聯軸器，離合器與制動器［M］.北京:機械工業出版社，2007.

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

［4］張利平.液壓氣動系統設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［5］張利平.液壓傳動系統及設計［M］.北京:化學工業出版社，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