CN103195859B - 局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，解决了目前普通的弹簧平衡无法实现在转动过程中保持实时平衡的问题。该平衡装置，包括固连于外部机构上的铰接座和回转轴，主要由压缩弹簧构成的平衡弹簧，以及由负载力臂和作用力臂相互固连构成的操纵臂；其中，平衡弹簧的一端与铰接座铰接，平衡弹簧的另一端与作用力臂铰接，回转轴活动链接于操纵臂的两个力臂的交汇处，且操纵臂以回转轴为中心转动。本发明还提供了该平衡装置的实现方法，通过操纵臂和平衡弹簧的配合，很大程度上减小在弹簧压缩量增加时附加的力的增加量，有效地实现了在局部旋转中的恒扭矩平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种平衡装置及其实现方法，具体地讲，涉及的是局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置及其实现方法。
背景技术
所谓局部旋转，是指旋转角度小于90度的旋转。在局部旋转的机构平衡中，普通的弹簧平衡仅能做到在某个弹簧压缩量位置的平衡，当离开平衡位置时，转动角度越大，需要附加的平衡力或力矩就越大，主要是因为在弹簧的正常工作范围内，弹簧压缩量与其所受压力呈正比。当需要做到对某固定点转动过程中不同位置均能平衡时，普通的弹簧平衡就无法实现了。
若采用压缩空气或液压平衡，其设备的结构就相对复杂，需要配备相关的压缩空气源或液压站等设施，这无疑相应地增加了成本。而对于运动部件，还需考虑相关的压缩空气气路或压力油路的传递和输送，也增加了对空间位置的要求，其整体结构也不够紧凑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，解决目前普通的弹簧平衡无法实现在转动过程中保持实时平衡的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，包括固连于外部机构上的铰接座和回转轴，主要由压缩弹簧构成的平衡弹簧，以及由负载力臂和作用力臂相互固连构成的操纵臂；其中，平衡弹簧的一端与铰接座铰接，平衡弹簧的另一端与作用力臂铰接，回转轴活动链接于操纵臂的两个力臂的交汇处，且操纵臂以回转轴为中心转动。
为了便于力的传递，所述作用力臂和平衡弹簧之间还设有一端与平衡弹簧固定连接、另一端与作用力臂铰接的连杆。
为了减少转动摩擦，所述回转轴与操纵臂之间还设有轴承。
基于上述局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置的结构，本发明还提供了该平衡装置的实现方法，包括如下步骤：
（1）负载力臂承受外部负载下压，操纵臂绕回转轴转动，产生扭矩；
（2）作用力臂相应地转动上升，传递扭矩；
（3）作用力臂带动连杆一端上升，二者间的铰接使连杆该端绕铰接点转动；
（4）连杆的另一端推动平衡弹簧，使其压缩，并产生向上的扭力，该扭力使平衡弹簧绕铰接座的向上转动，以平衡抵消该扭力。
进一步地，当外部负载位移变化时，操纵臂的转动幅度相应变化，连杆的位置也相应变化，平衡弹簧的压缩量和旋转幅度也相应变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）针对现有的普通弹簧平衡机构的缺点进行改进，本发明巧妙地设计出一种平衡装置，很大程度上减小在弹簧压缩量增加时附加的力的增加量，从而达到了恒扭矩平衡效果，使负载在局部旋转的不同位置均能保持平衡，有效地解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。
（2）本发明的结构简单，只需很小的人力干预即可实现局部旋转中的恒扭矩平衡，不仅使人工操作更轻便自如，而且与现有的液压或气压平衡相比，无需复杂的油路或气路系统，极大地降低了成本，保证了低廉的成本优势，具有广泛的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的初始状态的原理图。
图2为本发明的施力状态的原理图。
图3为本发明的工作过程的原理图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-负载力臂，2-回转轴，3-作用力臂，4-连杆，5-平衡弹簧，6-铰接座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1～图3所示，该局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，包括固连于外部机构上的铰接座6和回转轴2，主要由压缩弹簧构成的平衡弹簧5，以及由负载力臂1和作用力臂3相互固连构成的操纵臂；其中，平衡弹簧的一端与铰接座铰接，平衡弹簧的另一端与作用力臂铰接，回转轴活动链接于操纵臂的两个力臂的交汇处，且操纵臂以回转轴为中心转动。为了扩展连接空间，所述作用力臂和平衡弹簧之间还设有一端与平衡弹簧固定连接、另一端与作用力臂铰接连杆4。为了减少转动时的摩擦力，降低力矩传递过程中能量损失，所述回转轴与操纵臂之间还设有轴承。
本发明的实现方法如下：
（1）负载力臂承受外部负载下压，操纵臂绕回转轴转动，产生扭矩；
（2）作用力臂相应地转动上升，传递扭矩；
（3）作用力臂带动连杆一端上升，二者间的铰接使连杆该端绕铰接点转动；
（4）连杆的另一端推动平衡弹簧，使其压缩，并产生向上的扭力，该扭力使平衡弹簧绕铰接座的向上转动，以平衡抵消该扭力。
进一步地，当外部负载位移变化时，操纵臂的转动幅度相应变化，连杆的位置也相应变化，平衡弹簧的压缩量和旋转幅度也相应变化。
在具体的实践操作中，例如在工艺装备的设计制造项目中，常需要一个工人操作重量超过100公斤的工装，该工装操作需要在水平方向和垂直方向转动一定的角度，由于回转中心选择的局限性很大，只能在特定位置选择，在转动时该工装的重心偏离回转中心很远，导致重力偏心位移很大，如果没有平衡器平衡掉重量，人工将无法负重操作。又由于工艺变更，原先采用的平衡器的方案因与其他工艺装备干涉而无法实施。并且其他的平衡装置如液压或气压的装置结构复杂，成本高，占用空间大，而该工装的可利用空间有限，均不适合应用。
该操作工装需要绕回转中心垂直旋转一定角度（约23度），如果在高位使负载平衡，操作到低位则需要压缩弹簧使出很大的力，如果在低位平衡，也需要很大的力将该工装抬起到高位。而该工装的操作非常频繁，操作节拍为1分钟一次，每次出稍微大一些的力，则总的劳动强度会非常高。
本发明恰恰解决了这个问题，利用弹簧着力点绕回转中心转动的力臂变化，与弹簧弹力的线性变化进行匹配，实现对工装扭矩的实时平衡。根据力矩的计算公式：力矩=力×力臂，在本实施例中，工装产生的扭矩恒定为M0=F0×L0，而弹簧产生的相应的平衡扭矩在高位时M=hA×FN，在低位时M’=hB×F’N，其中弹簧的弹力在高位时为FN，在低位时为F’N，弹力在高位和低位之间的位移差为ΔL，故FN＜F’N，而hA＞hB，所以M与M’的数值大约相等，由此保证其恒扭矩平衡。
经过实际检验，该平衡装置完全可行，并且效果良好。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
Claims (4)
1.局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，其特征在于，包括铰接座和回转轴，主要由压缩弹簧构成的平衡弹簧，以及由负载力臂和作用力臂相互固连构成的操纵臂；其中，平衡弹簧的一端与铰接座铰接，平衡弹簧的另一端与作用力臂铰接，回转轴活动连接于操纵臂的两个力臂的交汇处，且操纵臂以回转轴为中心转动；所述作用力臂和平衡弹簧之间还设有一端与平衡弹簧固定连接、另一端与作用力臂铰接的连杆。
2. 根据权利要求1所述的局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置，其特征在于，所述回转轴与操纵臂之间还设有轴承。
3. 权利要求1～2任一项所述的局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）负载力臂承受外部负载下压，操纵臂绕回转轴转动，产生扭矩；
（2）作用力臂相应地转动上升，传递扭矩；
（3）作用力臂带动连杆一端上升，二者间的铰接使连杆该端绕铰接点转动；
（4）连杆的另一端推动平衡弹簧，使其压缩，并产生向上的扭力，该扭力使平衡弹簧绕铰接座向上转动，以平衡抵消该扭力。
4. 根据权利要求3所述的局部旋转恒扭矩弹簧平衡装置的实现方法，其特征在于，当外部负载位移变化时，操纵臂的转动幅度相应变化，连杆的位置也相应变化，平衡弹簧的压缩量和旋转幅度也相应变化。
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