CN100497962C - 一种平衡颠覆力矩的机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡颠覆力矩的机构，其中，连杆(1)的一端固定在产生颠覆力矩的转轴上，另一端利用销轴铰接在活塞杆(8)上，并且铰接中心与产生颠覆力矩的重心以及转轴的轴心始终保持在一条直线上。活塞(2)设置于活塞缸(3)内，并在竖直方向上往复运动，而在活塞(2)的底部设置恒压单元并始终受到恒定向上的力；此外，活塞缸(3)底部安装滚轮(7)。本发明针对如双轴转台等这类产生颠覆力矩的摆动装置，提供了一种平衡颠覆力矩的机构，从而增强了这类摆动装置在运动中的平稳性，使得装置可以选择扭矩小的驱动电机，降低电机功耗，具有节约电机使用成本的优点。

Description

一种平衡颠覆力矩的机构

技术领域

本发明涉及一种机械机构，更具体地说，涉及一种在转轴机构中用于平衡颠覆力矩的机械装置。

背景技术

如双轴转台等存在摆动机构，在旋转过程中，会产生颠覆力矩。究其原因，在力学分析的基础上，可以获得这样得结论，颠覆力矩是由重力产生的。在工作时，由于绕轴转动的部件重心与轴线不重合，从而重心相对轴心产生了颠覆力矩，并且随着转轴的转动，这个颠覆力矩会周期性的变化。例如，在双轴转台旋转的过程中形成的变化力矩。而参照图1可以分析这种颠覆力矩随着摆动、角度变化，所发生的变化情况。

图1中从左图到右图，颠覆力矩的变化为M_G＝0到M_G＝GLsinθ(图1表示转轴端面的正投影，G为重力、θ为重心与轴心连线相对垂直方向的夹角)。如上所述，颠覆力矩实质上是以转角的正弦值变化的。

问题在于，传统这类产生颠覆力矩的机构通常均不设置补偿颠覆力矩的机构，因此，颠覆力矩在转台运动过程中完全是由驱动电机承载，在选择电机时，还要考虑增大电机扭矩去补偿颠覆力矩带来的影响。这势必带来不必要的浪费。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种平衡颠覆力矩的机构，旨在增强产生颠覆力矩转轴机构的稳定性和可靠性，改变传统以输出大扭矩电机来解决颠覆力矩问题的方式，从而达到降低成本之目的。

为了解决上述问题，本发明构造了一种平衡颠覆力矩的机构，包括连杆、活塞缸、带有活塞杆的活塞以及滚轮。连杆的一端固定在产生颠覆力矩的转轴上，连杆的另一端利用销轴铰接在活塞杆上，并且铰接中心与产生颠覆力矩的重心以及转轴的轴心始终保持在一条直线上。活塞设置于活塞缸内，并在竖直方向上导向往复运动；活塞缸底部安装滚轮。活塞的底面设置有恒压单元，使得活塞受到恒定向上的力F，并保证FL’sinθ＝GLsinθ，其中：L’为F相对转轴轴心的力臂、G为产生颠覆力矩的重力、L为G相对转轴轴心的力臂，θ为重力G所在重心与轴心连线相对垂直方向的夹角，且G的重心、F的受力点与转轴轴心共线。

本发明构造了一种平衡颠覆力矩的机构，其改进在于，恒压单元为液压系统或气压系统，包括位于活塞下部的充液或充气容积，活塞缸底部设置有进孔和出孔，进/出孔连通保持容积内压强恒定的液压或气压系统。恒压单元还可采用机械方式实现，包括支撑在活塞下部的弹簧，弹簧的另一端固定在撑板上，撑板在下方的动力单元的带动下与活塞同步幅且同向移动。恒压单元还可以磁力的方式实现，包括在活塞底部固定的磁铁，与磁铁间隔且同磁极相对地设置有另一磁铁，该另一磁铁固定在撑板上，撑板在下方动力单元的带动下与活塞同步幅且同向移动。

通过上述技术方案，本发明的平衡颠覆力矩的机构，与现有技术相比，可选择扭矩小的驱动电机，因而减小了电机的功率，节约电机的使用成本；同时增强了这类产生颠覆力矩的摆动机构的平稳性。

附图说明

图1是颠覆力矩产生的原理图；

图2是本发明平衡颠覆力矩机构的结构示意图；

图3是本发明平衡颠覆力矩机构的使用状态图；

图4是保持液压或气压系统中压力横定的控制框图；

图5是本发明平衡颠覆力矩机构第二种实施方式的结构示意图；

图6是本发明平衡颠覆力矩机构第三种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示本发明的机构，其中连杆1的上端固定在产生颠覆力矩的转轴上，可以固定在转轴的一个端部，也可以圆环方式套接在轴杆上；同时利用螺栓或销固定。图中，连杆1的下端利用销轴铰接在活塞杆8上，注意，铰接中心与产生颠覆力矩的重心以及转轴的轴心始终保持在一条直线上。这是依靠连杆1上端的定位连接实现的，如图2中优选方式的三点定位方式。

活塞杆8带动下端的活塞2动作，由于设置活塞2的活塞缸3底部安装滚轮7。从而，当产生颠覆力矩的转台或工件绕转轴的旋转中心来回摆动时，活塞缸利用滚轮往复运动。此外，活塞缸3的导向作用下，活塞2在竖直方向上往复运动。

此时只要保证活塞2的底面受到恒定的压力F，且保证FL’sinθ＝GLsinθ(如图3所示)，既可以平衡颠覆力矩，实现本发明的目的。其中，L’为F相对轴心的力臂、G为产生颠覆力矩的重力(预先确定)、L为G相对轴心的力臂。为此在活塞2的底面设置恒压单元。当然恒压是理想状态，在机构中只要能基本上实现压力变化不大既可。

现有技术有多种实现恒压单元的方式。优选方式下采用图3所示液压或气压系统。其中，活塞缸3中活塞2下部的容积4充满油液或气体；活塞缸3底部设有进孔5和出孔6，两孔连通液压系统或气压系统。此时只要保证液压系统或气压系统的压力恒定既可。可以选用常规实现供水压力恒定的方案，如中国专利CN91100872.1公开的“全自动恒压给水设备”的方案，只需稍加改造既可用于本发明。再如，中国专利CN02139542.X公开的“恒压供液装置”的原理也可适用于本发明。优选方式下，选用如图4所示，实现本发明恒压液压/气压系统的方案。采用古典控制理论的办法，结合现代工业产品设计而成。通过CNC模拟量输出，经过放大器的处理，由电流控制比例阀实现液压油的压力的控制，在比例阀与液压缸(活塞缸)之间放置压力传感器，从而将实际压力转换成电信号，即电压，反馈回PID与CNC输出模拟量进行比较，这两个信号的差值作用于PID，改变送给比例阀的指令信号，于是比例阀自动控制调整量，以消除差值，从而控制整个系统的压力，保证液压缸中的压力恒定，从而平衡双轴转台的颠覆力矩。

如图5所示，实现恒压单元的一种方案，其中，支撑活塞2的弹簧11其另一端固定在撑板12上，撑板12在下方动力单元的带动下与活塞2同步移动。撑板在竖直方向上的移动轨迹可以预先根据力臂L、转角θ(图3所示)直接计算获得。在轨迹一定的条件下，可选用凸轮传动、连杆机构实现撑板在竖直方向的运动，并在与转轴同步的转动的基础上实现撑板12、活塞2同步幅、同向移动。从而保证弹簧压缩量始终恒定，活塞受到弹簧向上的弹力F一定。

当然，轨迹一定的条件下也可依靠数控系统实现撑板的规律移动。

图6给出了一种依靠磁力原理实现的方案，其中，恒压单元包括在活塞2底部固定的磁铁14，与磁铁14间隔且同磁极相对设置磁铁14’，磁铁14’固定在撑板12上。此时保证撑板12在动力单元的带动下与活塞2同步幅且同向移动即可实现本发明目的。

双轴转台大量应用于机床行业，且双轴转台的控制必定需要数控来控制运行和定位，以便实现精密工件加工。本发明尤其适用于双轴转台上。以图3实施方式为例，说明本发明的工作方式。将机构连杆安装在倾斜轴轴端，注意保证同轴度。将滚轮放置在平行于工作台的平面上，保证转台倾斜时平衡机构的跟随性。当保证气缸中压缩空气恒定的气压时，相当于给连杆一个方向始终竖直向上的恒定压力。当转角到任意θ角时，活塞作用在连杆上的恒定压力的力矩实际上为PL＇sinθ。当设定为P＝GL/L＇时，PL＇sinθ＝GLsinθ，则转台颠覆力矩就因已经被机构的反力矩补偿上了。因此，在恒定压力下，本发明的机构随摆动的转台往复运动同时平衡了转台的颠覆力矩。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种平衡颠覆力矩的机构，其特征在于，包括连杆(1)、活塞缸(3)、带有活塞杆(8)的活塞(2)以及滚轮(7)；其中，

所述连杆(1)一端固定在产生颠覆力矩的转轴上；所述连杆(1)的另一端利用销轴铰接在所述活塞杆(8)上，并且铰接中心与产生颠覆力矩的重心以及转轴的轴心始终保持在一条直线上；

所述活塞(2)设置于所述活塞缸(3)内，并在竖直方向上导向往复运动；所述活塞缸(3)底部安装所述滚轮(7)；

所述活塞(2)的底面设置有恒压单元，使得所述活塞(2)受到恒定向上的力F，并保证FL’sinθ＝GLsinθ，其中：L’为F相对转轴轴心的力臂、G为产生颠覆力矩的重力、L为G相对转轴轴心的力臂，θ为重力G所在重心与轴心连线相对垂直方向的夹角，且G的重心、F的受力点与所述转轴轴心共线。

2、根据权利要求1平衡颠覆力矩的机构，其特征在于，所述恒压单元包括位于所述活塞(2)下部的充液或充气容积(4)；所述活塞缸(3)底部设置有进孔(5)和出孔(6)，连通保持容积内压强恒定的液压或气压系统。

3、根据权利要求1平衡颠覆力矩的机构，其特征在于，所述恒压单元包括支撑在所述活塞(2)下部的弹簧(11)，所述弹簧(11)的另一端固定在撑板(12)上，所述撑板(12)在下方动力单元的带动下与所述活塞(2)同步幅且同向移动。

4、根据权利要求1平衡颠覆力矩的机构，其特征在于，所述恒压单元包括在所述活塞(2)底部固定的第一磁铁(14)，与所述第一磁铁(14)间隔且同磁极相对地设置有第二磁铁(14’)，所述第二磁铁(14’)固定在撑板(12)上，所述撑板(12)在下方动力单元的带动下与所述活塞(2)同步幅且同向移动。

Images