液压可调分度数输出机构设计

文明，曹西京，董斌兰

(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021;2.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

液压可调分度数输出机构设计

文明1，曹西京1，董斌兰2

(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021;2.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

设计一种可输出多种分度数的机构，以可调行程液压缸作为动力执行元件，齿轮齿条起中间传递作用，单向离合器作为单向转动部件，最终实现多种分度数输出的间歇运动要求。液压缸的行程利用机械限位方式调整。该机构定位装置同样采用液压夹紧定位方式，保证了该机构在间歇期间定位准确，同时方便实现自动控制。

可调行程液压缸;多种分度数输出机构;单向离合器;机械限位

当前，随着信息化与自动化的发展，为了满足某些生产工艺的需求，需要多种分度数输出机构来实现零件产品的加工和多种机构的间歇运动规律。而目前市面上虽然有很多种机构能实现多种分度数输出，但是这些机构大部分适合低速轻载荷场合［1］。当工作载荷很大时，这些机构都无法满足使用要求。针对这一需求，设计一种能适合重载荷、多种分度数输出的可调分度输出的机构。该机构是用液压缸作为驱动元件，带动齿条、齿轮传动，以实现直线往复运动转换成圆周运动规律的要求。该机构的工作原理是通过改变液压缸的运动行程，来推动齿条带动齿轮转动，使齿轮按照要求角度转动。同时齿轮上安装有单向离合器用于与轴连接，这样可以使往复运动的齿轮带动轴实现单一方向转动，从而达到间歇运动要求［2］。最终使该机构实现可调分度数输出的目的。此外，该机构利用液压控制的原理，可实现自动控制，完全满足当今自动化工业发展需求。

1 机构组件特点

1.1 液压缸及液压传动系统

1.1.1 液压缸特点

液压缸是将液压能转变为机械能、做直线往复运动 (或摆动运动)的液压执行元件。液压缸结构简单、工作可靠。当用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。其工作原理是:依靠液压传动，以油液作为工作介质，通过液压缸的密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力。

1.1.2 液压传动系统

在液压传动与控制的机械装置中，液压系统大部分使用具有连续流动能力的液压油为介质，通过液压泵将驱动泵的原动机机械能转换成液体的压力势能，经过压力、流量、方向等控制阀，送至液压缸、液压马达等执行器中，从而转换为机械能驱动负载。液压系统中一般都有动力源、执行器、控制阀、液压辅助件和工作介质等。一般而言，液压回路是指能够实现某种特定功能的液压元件的组合。而将若干特定的基本功能回路连续或复合而成的总体就称为液压系统。

液压缸作为执行部件，通过液压传动系统实现往复直线运动，液压传动系统一般为不带反馈的开环系统 (如图1所示为液压控制原理方块图)，它以动力传递为主，而信息传递为次，主要追求的是传动特性的完善。该机构采用的液压缸执行器是可调行程式液压缸［3］，原理是通过在液压缸中安装有刻度的挡块，利用机械限位的方式来调节行程。

图1 闭环控制液压系统原理方块图

1.2 液压缸可调行程机构演化及其特点

如图2所示，该机构采用可调行程液压缸作为驱动元件，用来推动齿条做往复直线运动。即通过控制齿条的运动行程从而达到控制齿轮的转动角度的目的。

图2 液压缸驱动的结构简图

该机构的特点是将液压缸的直线往复运动转换成圆周运动，通过单向离合器连接，使输出轴做间歇运动［3］。最终通过调节液压缸的行程来控制输出轴的转动角度，从而实现间歇的多种分度数输出。该机构的特点是结构紧凑，传动平稳，由于液压缸作为驱动元件，所以该机构同样具有噪声小特点，具有过载保护作用。该机构适合在低速、重载荷、需要经常改变分度数的间歇运动场合使用。

2 机构的结构设计

2.1 机构的结构组成

根据要求，对液压缸的运动行程进行设计，然后采用机械限位的方式进行定位。通过齿条与齿轮的啮合传动可以实现齿轮转动角度设置，可以实现30°﹑ 40°﹑ 60°﹑ 90°﹑ 180°等多角度转动，从而可以实现12﹑9﹑6﹑4﹑2等多种分度数的输出。同时该机构可以在输出轴上安装液压夹紧定位装置，当齿轮与输出轴在单向离合器作用下做空转时实现夹紧定位，即固定分度转盘的转动，这样可以保证分度机构在间歇阶段的精密定位要求。

该机构采用的辅助夹紧定位装置也需要液压系统来控制，当可调行程液压缸作回程运动，即单向离合器连接的齿轮空转时，则夹紧装置会夹紧与分度转盘相连的输出轴使其固定。当可调行程液压缸作推程运动时，则夹紧装置松开，使机构开始作分度转动。因此，该辅助装置主要是通过液压传动系统使可调行程液压缸与夹紧定位液压缸按照一定动作顺序实现。最终保证了机构能实现间歇运动，同时使分度转盘在间歇期间不会发生来回摇摆现象。

2.2 机构的工作原理

如图3所示为该机构内部结构的三维效果图。该机构中是驱动元件的可调行程液压缸是能实现多种分度数输出的关键元件，其中的单向离合器是能实现间歇运动的核心部件。当工作台即分度转盘需要转动时，可调行程液压缸推动齿条作直线运动，齿条带动齿轮转动，齿条运动的直线位移可以相应转换成齿轮的转动角度。此时单向离合器使齿轮带动轴转动，然后通过同轴的齿轮来带动分度转盘转动。当可调行程液压缸作回程运动时，则使与齿条啮合的齿轮转动方向变反，齿轮在单向离合器的作用下与轴之间空转，分度转盘相应地停止转动。安装在输出轴上的夹紧定位装置在液压传动系统作用下夹紧，使分度转盘具有良好的定位精度。这整个过程即完成了一个角度的转动与间歇运动。然后依次重复完成上述相应的动作，从而实现整个分度间歇运动。当所需分度数发生变化时，只需要通过改变液压缸的行程，即可以实现分度数的可调。

图3 机构的零件结构三维效果图

3 液压可调分度数输出机构控制设计与动作过程

3.1 可调分度数输出机构的液压系统的控制设计

根据液压系统控制该机构实现分度输出的间歇运动要求，该系统只要两只液压缸且分别安装，使其按照一定的顺序动作来完成整个分度数输出动作［4－5］。整个控制系统中，在液压缸行程调节中使液压缸活塞的底端运行到与该行程末端挡块接触，该接触元件即为该系统的核心控制部件。而且，在可调液压缸中加入了压力继电器，使在改变该液压缸的行程过程中始终保持液压缸的内部最大压强不变，这样可以增加其使用寿命。总体上，将可调行程液压缸作为主元件，起夹紧定位作用的液压缸作为辅助元件。两液压缸可各划分一个支路且相互关联。

可调行程液压缸往返速度相同，且不需要调速，但为了满足往返过程中到行程限位控制的端点避免冲击损坏接触元件，同样达到准确的定位要求，采用的是单向减速回路，即在进油路上安装有一个单向行程的减速阀。其中液压缸的行程控制采用前面介绍的机械限位方式。

起辅助作用的夹紧定位液压缸同样不需要调速，但在时间间隔上有一定的要求，可以在夹紧定位液压缸支路上采用回油节流调速回路。该系统采用的是开式循环方式。

3.2 可调分度数输出机构的液压系统的控制动作过程

如图4所示为该液压传动系统的原理图。

图4 组成系统的原理图

两液压缸按照所需顺序实现运动:夹紧定位液压缸10活塞回程 (夹紧定位装置松开)→可调行程液压缸9活塞伸出 (推动齿条运动)→夹紧定位液压缸10活塞伸出 (夹紧定位装置夹紧)→可调行程液压缸9活塞回程 (拉回齿条，齿轮此时在轴上实现空转)。

动作顺序为:

(1)夹紧定位液压缸10活塞回程

按下启动按钮使5YA得电，该液压泵处于卸荷状态，机构处于间歇阶段。同时周期时间继电器工作，使5YA失电，2YA得电。夹紧定位液压缸10活塞回程，完成的动作是松开对输出轴的夹紧定位。

(2)可调行程液压缸9活塞伸出

夹紧定位液压缸完成回程，碰到行程开关SQ2，SQ2发送信号使2YA失电，3YA得电。可调行程液压缸9活塞伸出，完成动作为主动液压缸推动齿条运动。

(3)夹紧定位液压缸10活塞伸出

主动液压缸9活塞伸出碰到行程开关SQ1，SQ1发送信号使3YA失电，1YA得电。夹紧液压缸10活塞伸出，完成动作为夹紧装置将输出轴夹紧。

(4)可调行程液压缸9活塞回程

夹紧液压缸10活塞伸出碰到行程开关SQ2，SQ2发送信息使1YA失电，4YA得电。可调行程液压缸9活塞回程，完成的动作是主动液压缸拉回齿条运动。

(5)可调行程液压缸在回程过程中碰到行程开关SQ3，SQ3发送信号使4YA失电，5YA得电，则主动液压缸开始卸荷。完成的动作是控制间歇运动时间。

其中在通过机械限位方式调节主动液压缸9的行程时，压力继电器8可以检测液压缸内部压强，使其内部最大压强始终保持一致。

表1 液压系统动作顺序

4 结论

该机构综合了机械、电气、液压3种控制方式，结构设计合理、紧凑;能输出多种分度数，且分度数能实现可调控制;分度精度高，传动力矩大，间歇时间可根据需要进行控制调节;以液压缸作为动力执行元件，具有液压传动的冲击小、无噪声、传动平稳、过载保护的优点，因此该机构特别适合载荷较大、多品种、多工位、生产节拍时有变化的流水生产线中的分度，适用范围广。定位装置同样采用液压方式夹紧，使分度转盘在间歇阶段具有良好的定位特性。将液压缸设计成多种行程可以实现更多级数的分度，最终可通过液压控制来实现。可满足当前生产自动化的需要，因此具有广泛的市场应用前景。

［1］皱惠君，殷鸿梁.间歇运动机构设计与应用创新［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］张展.联轴器，离合器与制动器［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］杨清娟.行程可调式新型液压缸［J］.一重技术，2008(2):35－36.

［4］张利平.液压气动系统设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［5］张利平.液压传动系统及设计［M］.北京:化学工业出版社，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，硕士研究生，主要从事机械电子工程方面的研究。E－mail:278747686@qq.com。

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