Патент на изобретение №2344031

(54) МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИЗДЕЛИЙ

(57) Реферат:

Манипулятор относится к устройствам, которые применяются при обслуживании машин, станков, прессов и другого оборудования. Он содержит передаточный механизм с ведущим и выходным звеньями, исполнительный механизм с выходными звеньями с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, привод и стойку. Передаточный механизм выполнен в виде кулачково-зубчато-рычажного многозвенника, который включает ведущее звено-кулачок, сопряженное с профилем кулачка коромысло, зубчатое колесо, жестко и соосно связанное с коромыслом, сопряженную с колесом шестерню, водило, жестко и соосно связанное с шестерней, выходное звено, шарнирно связанное с водилом, и поворотную направляющую, которая сопряжена с выходным звеном и шарнирно связана со стойкой. При этом водило выполнено с возможностью возвратно-поворотного движения с углом размаха 180°. Изобретение обеспечивает компактность манипулятора и его повышенную производительность. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, которые применяются для выполнения вспомогательных операций при обслуживании машин, станков, прессов и устройств различного назначения. Манипуляторы, 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 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.

Известно также устройство типа «рука» для передачи изделий, выполненное в виде комбинированного механизма, содержащего передаточный механизм с выходным звеном, исполнительный механизм с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, и привод, в данном механизме выходное звено выполнено с возможностью сложного вращательного движения (патент №2217296 РФ, опубл. в БИ, 2003. – №33 – прототип). Данное устройство является средством того же назначения, что и предполагаемое изобретение.

Основной недостаток прототипа заключается в том, что его применение возможно лишь при наличии большой рабочей площади. Это затрудняет и даже исключает применение такого устройства в автоматизированных рыбоконсервных линиях и в судовых условиях.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение компактности манипулятора и повышение производительности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в манипуляторе для передачи изделий, содержащем передаточный механизм с ведущим и выходным звеньями, исполнительный механизм с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, привод и стойку, передаточный механизм выполнен в виде многозвенного механизма, который включает водило, выполненное с возможностью возвратно-поворотного движения с углом размаха 180°, при этом водило шарнирно связано с выходным звеном.

Ведущее звено передаточного механизма выполнено в виде кулачка, закрепленного на валу привода, при этом кулачок кинематически связан с упомянутым водилом посредством коромысла, зубчатого колеса и шестерни.

Выходное звено передаточного механизма подвижно сопряжено с поворотной направляющей, последняя выполнена в виде призмы со сквозным продольным отверстием для сопряжения с выходным звеном и шарнирно связана со стойкой.

Коромысло и зубчатое колесо жестко закреплены на общей оси их качания, при этом коромысло сопряжено с рабочим профилем кулачка.

Шестерня и водило жестко закреплены на общей оси их качания, при этом шестерня сопряжена с зубчатым колесом.

На конце выходного звена передаточного механизма жестко закреплен палец для шарнирной связи с выходными звеньями исполнительного механизма, при этом на пальце укреплен упор, а выходные звенья связаны между собой силовым упругим элементом в виде пружины растяжения для фиксированного положения выходных звеньев исполнительного механизма относительно выходного звена передаточного механизма.

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

где П – функция положения выходного звена;

– безразмерный параметр передаточного механизма, =r/d>1;

r – длина водила;

d – расстояние между центрами поворота водила и поворотной направляющей;

– текущий угол поворота водила, отсчитываемый от линии центров;

– первая передаточная функция – аналог угловой скорости выходного звена;

– вторая передаточная функция – аналог углового ускорения выходного звена.

Выполнение передаточного механизма манипулятора в виде многозвенного кулачково-зубчато-рычажного механизма, включающего кинематически связанные звенья: ведущий кулачок, коромысло, жестко и соосно связанное с зубчатым колесом, шестерню, жестко и соосно связанную с водилом, и выходное звено, несущее выходные звенья исполнительного механизма, улучшает кинематические характеристики манипулятора. Это следует из того, что предложенная структура кинематической цепи передаточного механизма обеспечивает не только предпочтительный характер движения выходных звеньев исполнительного механизма с губками для захвата изделий, но и существенно определяет компактность манипулятора и возможность его использования в ограниченных рабочих пространствах, например в судовых условиях.

Выполнение ведущего звена передаточного механизма в виде кулачка позволяет реализовать практически любой закон поворотного движения коромысла, сопряженного с рабочим профилем кулачка, например закон качания с постоянной скоростью. При этом, поскольку водило связано с коромыслом посредством цилиндрических зубчатых колес, оно будет совершать движение, аналогичное движению коромысла (адекватное либо отличающееся на величину передаточного числа между колесами). Водило представляет собой как бы ведущее звено для выходного звена передаточного механизма. Полный угол поворота выходного звена будет равен углу размаха водила, который в предлагаемом механизме равен 180°. Передаточный механизм манипулятора соответствует первому условию работоспособности (удовлетворяет формуле Чебышева):

W=3·n-2p₅-p₄=3·5-2·6-2=1,

где W – степень подвижности механизма, W=1;

n – число подвижных звеньев: кулачок, коромысло – зубчатое колесо, шестерня – водило, выходное звено, поворотная направляющая, n=5;

р₅ – число низших кинематических пар, р₅=6;

р₄ – число высших кинематических пар, р₄=1.

Выходное звено передаточного механизма совершает сложное движение. Это достигается его шарнирной связью с водилом и сопряжением с поворотной направляющей. Такая связь звеньев проста и надежна даже при значительном нагружении.

Жесткое и соосное крепление коромысла, сопряженного с профилем ведущего кулачка, с зубчатым колесом, позволяет иметь одно подвижное звено из двух конструктивных элементов. Это упрощает конструкцию, уменьшает число кинематических пар, повышает точность движения и положения звеньев манипулятора.

Жесткое и соосное крепление шестерни с водилом также упрощает конструкцию, уменьшает число кинематических пар и повышает точность функционирования.

Палец, жестко закрепленный на конце выходного звена передаточного механизма для шарнирной связи с выходными звеньями исполнительного механизма, является типовым и наиболее простым элементом в системе шарнирной связи звеньев. Наличие силового упругого элемента между выходными звеньями исполнительного механизма и упора на пальце для шарнирной связи упомянутых выходных звеньев обеспечивает фиксированное положение выходных звеньев с губками относительно выходного звена передаточного механизма при рабочем и холостом ходах. Этим исключается необходимость использования копира на всем участке движения выходных звеньев.

Формулы (1)-(3) определяют правильность построения кинематической цепи передаточного механизма манипулятора. Иначе говоря, обеспечивается соответствие числа подвижных звеньев и кинематических пар, при котором исключается неопределенность движения, либо заклинивание механизма.

Заявляемый манипулятор отличается от прототипа сочетанием конструктивных элементов и характером связи между ними, обеспечивающими компактность манипулятора и возможность его использования в условиях ограниченных рабочих площадей.

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, выходное звено 9 и поворотную направляющую 10. Ведущий кулачок 4 закреплен на валу привода, на свободном конце коромысла 5 смонтирован ролик 11 для сопряжения с рабочим профилем кулачка. Профиль кулачка в интервалах сближения и удаления выполнен симметричным в виде Архимедовых спиралей. На границах ходов профиль образован постоянными радиусами-векторами. Зубчатое колесо 6 установлено соосно оси 12 качания коромысла и сопряжено с шестерней 7, на оси которой соосно закреплено водило 8. На свободном конце водила жестко закреплен палец 13 для шарнирной связи с выходным звеном 9. Поворотная направляющая 10 выполнена в виде пустотелой призмы для подвижной связи с выходным звеном, при этом призма шарнирно связана со стойкой.

Исполнительный механизм 2 выполнен в виде рычажно-кулачкового механизма, он включает ведущее звено, которым является звено 9 передаточного механизма, выходные звенья 14 и 15 с губками 3 для захвата изделий и копиры-клинья 16. Выходные звенья шарнирно связаны с ведущим звеном посредством пальца 17, жестко закрепленного на конце ведущего звена. На пальце 17 закреплен упор 18 для фиксированного положения выходных звеньев относительно звена 9 при прямом и обратном ходах. Выходные звенья снабжены силовым упругим элементом 19 для взаимодействия выходных звеньев с упором 18. На свободных концах выходных звеньев смонтированы ролики 20 и 21 для сопряжения с профилями копиров 16, смонтированных на границах ходов.

Губки 3 выполнены по форме передаваемых изделий и закреплены на выходных звеньях жестко, но разъемно. Границы прямого (рабочего) и обратного (холостого) ходов выходных звеньев соответствуют позициям «схват изделия» и «выдача изделия».

Манипулятор для передачи изделий работает следующим образом.

При работе привода вращение ведущего кулачка 4 передаточного механизма преобразуется посредством системы промежуточных звеньев в сложное движение выходных звеньев 14 и 15 с губками для захвата изделий. Выходные звенья совершают поступательное и поворотное движения вместе с выходным звеном 9 и, кроме того, поворотное движение с выстоями определенной продолжительности относительно звена 9.

На границах прямого и обратного ходов выходные звенья занимают положение, при котором губки оказываются разжатыми. Это обеспечивается в результате взаимодействия роликов 20 и 21 выходных звеньев с рабочими профилями копиров 16. В позиции «схват изделия» в разжатые губки подается объект манипулирования. В момент начала рабочего хода ролики 20 и 21 перестают взаимодействовать с профилями копира 16, при этом силовой упругий элемент 19 приводит выходные звенья в положение взаимодействия с упором 18, в результате чего губки с изделием занимают сжатое положение. При рабочем ходе система выходные звенья – губки – изделие занимает фиксированное положение относительно звена 9, поскольку силовой упругий элемент 19 обеспечивает контакт выходных звеньев с упором. При рабочем ходе губки контактируют с изделием по большей части его периметра, надежно удерживая изделие, переносимое из одной позиции в другую.

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 силовой упругий элемент обеспечивает поджатие выходных звеньев к упору 18.

Последующие рабочие циклы осуществляются аналогичным образом.

При работе манипулятора водило 8 выполняет возвратно-поворотное движение с углом размаха 180°, при этом выходное звено 9 совершает сложное движение, состоящее из поворотного и поступательного движений, при этом палец 17, несущий выходные звенья с губками, перемещается по криволинейной траектории с изменяющимся радиусом кривизны.

Предлагаемый манипулятор в сравнении с прототипом отличается компактностью, занимает меньшую рабочую площадь, его кинематический и рабочий циклы реализуются при повороте водила на 180°.

Формула изобретения

1. Манипулятор для передачи изделий, содержащий передаточный механизм с ведущим и выходным звеньями, исполнительный механизм с выходными звеньями с губками для захвата изделий, ведущим звеном которого является выходное звено передаточного механизма, привод и стойку, отличающийся тем, что передаточный механизм выполнен в виде кулачково-зубчато-рычажного многозвенника, который включает ведущее звено-кулачок, сопряженное с профилем кулачка коромысло, зубчатое колесо, жестко и соосно связанное с коромыслом, сопряженную с колесом шестерню, водило, жестко и соосно связанное с шестерней, выходное звено, шарнирно связанное с водилом, и поворотную направляющую, которая сопряжена с выходным звеном и шарнирно связана со стойкой, при этом водило выполнено с возможностью возвратно-поворотного движения с углом размаха 180°.

2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что поворотная направляющая выполнена в виде призмы со сквозным продольным отверстием для сопряжения с выходным звеном.

3. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что на конце выходного звена передаточного механизма жестко закреплен палец для шарнирной связи с выходными звеньями исполнительного механизма, при этом на пальце укреплен упор, а выходные звенья связаны между собой силовым упругим элементом в виде пружины растяжения для фиксированного положения выходных звеньев исполнительного механизма относительно выходного звена передаточного механизма.

4. Манипулятор по п.1 или 3, отличающийся тем, что поворотное движение выходного звена передаточного механизма соответствует зависимостям

,

,

,

где П – функция положения выходного звена;

– безразмерный параметр передаточного механизма, =r/d>1;

r – длина водила;

d – расстояние между центрами поворота водила и поворотной направляющей;

– текущий угол поворота водила, отсчитываемый от линии центров;

– первая передаточная функция – аналог угловой скорости выходного звена;

– вторая передаточная функция – аналог углового ускорения выходного звена.

РИСУНКИ