【文章內(nèi)容簡介】 時(shí)間地工作，在某些特別的情況下，還能滿足防爆、防腐、耐高溫等特殊要求[3]。液壓執(zhí)行元件主要有油缸、馬達(dá)等，液壓執(zhí)行元件運(yùn)動平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，能夠傳遞較大的動力，但是需要一個(gè)完整的供油系統(tǒng)，還會出現(xiàn)泄漏，液壓元件對精度要求很高，價(jià)格貴。氣動執(zhí)行元件不僅可以提供較高的動力，且使用的是空氣無污染，能夠進(jìn)行集中的供應(yīng)和長距離的傳輸，與液壓執(zhí)行原件和電動執(zhí)行原件相比，同條件下功率較小，而且速度不容易控制，所以多用于對點(diǎn)位控制精度不高的系統(tǒng) [4]。 換向機(jī)構(gòu)方案確定 水管兩點(diǎn)布局分布在公司現(xiàn)場測量得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)量桶的內(nèi)桶直徑為220mm,計(jì)量桶的邊沿距離為30mm，水管外徑為26mm，水管轉(zhuǎn)動點(diǎn)到入水口的距離為600mm，轉(zhuǎn)動點(diǎn)距離計(jì)量桶的水平距離為300mm,，通過這些實(shí)測數(shù)據(jù)和實(shí)際情況，得出水管起始兩點(diǎn)的布局分布圖如圖31。圖 31 水管布局分布圖從圖31可以看出，水管做圓周運(yùn)動，在計(jì)量桶上方以水管原有位置為中心，水管的布局分布方案有兩種，在計(jì)量桶兩側(cè)布局分布。在布局分布的過程中考慮到水管入水口距離計(jì)量桶的上沿壁有40mm的距離，水在進(jìn)入到計(jì)量桶的過程中有發(fā)散性，為保證水流入到計(jì)量桶或直接進(jìn)入水池的過程中水不會流到計(jì)量桶的上沿壁上，同時(shí)又要考慮在實(shí)驗(yàn)過程中入水口不能離計(jì)量桶的內(nèi)外壁太遠(yuǎn)而造成在水管移動過程中的誤差，所以要保證水管的外壁距離計(jì)量桶的內(nèi)壁或者外壁有一個(gè)8—10mm的距離，在移動中水一直在流出，為了減少水管移動中的帶來的誤差，兩個(gè)位置要保證距離內(nèi)外壁的距離是相等的，圖示采用以水管入水口的運(yùn)動軌跡與計(jì)量桶內(nèi)壁邊和外壁邊的交點(diǎn)做圓弧，圓弧的半徑為23mm，在以該圓弧與水管入水口運(yùn)動軌跡交點(diǎn)為水管入水口的位置，水管外徑為26mm,即半徑為13mm,這樣就可以保證8—10mm的距離，而不會使水流到計(jì)量桶巖壁上。布局分布第一方案這一側(cè)有許多不同流量的水管用于不同流量下的水表檢定，空間較小，若需要將換向機(jī)構(gòu)安裝在計(jì)量桶外側(cè)，即布局分布第一方案的外側(cè)，則會出現(xiàn)空間不足，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。布局分布第一方案水管位置二則正好在水池的上方，當(dāng)水管入水口處于布局分布第一方案水管位置二，水流進(jìn)入到水池中，需要采用銜接水管來將水流引入到水池中，銜接水管設(shè)計(jì)較為簡單。布局分布第二方案一側(cè)側(cè)是在檢定系統(tǒng)外部，有一個(gè)較大的空間，擁有足夠的空間來安裝換向機(jī)構(gòu)，但是這一側(cè)在水池外部，當(dāng)水管入水口處于布局分布第二方案水管位置二時(shí)，水流進(jìn)入到水池外部，需要采用一個(gè)水管來銜接將水引到水池中，這銜接水管的設(shè)計(jì)和安裝會比較復(fù)雜。 連桿推動方案水管入水口的兩點(diǎn)運(yùn)動軌跡是一個(gè)圓弧，而氣缸的活塞桿運(yùn)動軌跡為直線，采用連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)由直線運(yùn)動變?yōu)閳A弧運(yùn)動[5]。其原理圖如圖32所示。圖 32 連桿推動原理圖氣缸和滑塊采用螺紋固定，滑塊與連桿直接是通過轉(zhuǎn)動副連接，連桿與水管則需要通過轉(zhuǎn)動副來連接。氣缸利用活塞桿的伸縮帶動滑塊做直線運(yùn)動，滑塊帶動連桿動作，從而帶動水管做圓弧運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為圓弧運(yùn)動。如圖33所示，在布局分布方案中分析到，在布局分布第一方案的一側(cè)還有許多其他口徑的水管，空間不足，無法安裝下整個(gè)連桿推動機(jī)構(gòu)，故該連桿機(jī)構(gòu)只能在布局分布第二方案一側(cè)。該方案在實(shí)驗(yàn)開始前水管處于水管位置二，氣缸處于收縮狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)給予一個(gè)信號控制氣缸伸長推動水管入水口到計(jì)量桶上方，讓水流入到計(jì)量桶內(nèi)。采用該方案能夠很好的將直線運(yùn)動軌跡變?yōu)閳A弧運(yùn)動軌跡，且安裝在布局分布第二方案一側(cè)，擁有足夠的空間可以放置機(jī)構(gòu)。但是該方案機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，需要采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)動副要求精度較高，在加工過程中增加了難度；同時(shí)水管和連桿之間的轉(zhuǎn)動副無法直接在水管上連接，需要從水管焊接一個(gè)連接塊和連桿組成轉(zhuǎn)動副，而設(shè)計(jì)要求卻不能在水管山焊接；另外對于連桿的長度和氣缸的擺放位置計(jì)算要求很高，在設(shè)計(jì)中要求滿足水管入水口兩個(gè)位置距離計(jì)量桶內(nèi)外壁810mm距離要求，在連桿和滑塊之間的角度也要考慮，太大或者太小都會對整個(gè)設(shè)計(jì)造成很大的影響，角度太小很可能會造成死點(diǎn)，若太大，則對氣缸的選型造成很大影響；采用這個(gè)方案的安裝則較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)一個(gè)固定方案，固定方案若采用從計(jì)量桶伸出固定板塊，則需要做一個(gè)支點(diǎn)支撐，若直接做一個(gè)固定板塊則高度很高；在設(shè)計(jì)中采用氣缸直接推動一個(gè)方形塊，還需要考慮由于滑塊和連桿重力造成的氣缸活塞桿產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，若用一個(gè)滑軌，則又增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性；當(dāng)水管入水口在位置二時(shí)，下方不是水池，因此在設(shè)計(jì)銜接管時(shí)也比較復(fù)雜。處于對該設(shè)計(jì)的基本要求，用于做實(shí)驗(yàn)，要滿足加工簡便，機(jī)構(gòu)簡單，精度要求不高，以及經(jīng)濟(jì)效益考慮所以該方案不是很合適。圖 33 連桿推動方案布局分布圖 杠桿推動方案杠桿推動方案采用杠桿原理，通過杠桿的擺動來實(shí)現(xiàn)將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為圓弧運(yùn)動，如圖34所示。圖 34 杠桿推動方案布局分布圖杠桿推動方案由于機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和空間需要只能在布局分布第二方案一側(cè)。如圖34所示，氣缸推動杠桿的一端，中間采用轉(zhuǎn)動副，另一端與水管連接，杠桿長度取400mm，靠近水管一側(cè)為200mm。該方案較連桿法簡便。但是該方案存在許多不足。杠桿沿中心位置的轉(zhuǎn)動副進(jìn)行圓周運(yùn)動，在水管一側(cè)，杠桿的圓弧軌跡和水管運(yùn)動的圓弧軌跡不一致，在汽缸一側(cè)氣缸直線運(yùn)動軌跡于杠桿端點(diǎn)運(yùn)動軌跡也不一樣，存在較大間隙，所以在與氣缸和水管連接的地方需要采用間隙法，但是較大的間隙就會造成在運(yùn)動過程中較大的沖擊力，從而損壞部件，減少使用壽命；且在設(shè)計(jì)安裝上要求較高，需要保證杠桿安裝在水管轉(zhuǎn)動點(diǎn)和水管兩個(gè)入水口連線的中心點(diǎn)的連線上這樣才可以保證間隙最小，另外氣缸的安裝則需要保證垂直于杠桿在水管轉(zhuǎn)動點(diǎn)和水管兩個(gè)入水口連線的中心點(diǎn)的連線上的安裝位置，這給安裝增加了難度；同時(shí)汽缸的固定以及銜接水管的設(shè)計(jì)會出現(xiàn)和連桿推動法一樣的不足；轉(zhuǎn)動副精度要求高，還要考慮氣缸固定問題。從加工，安裝，經(jīng)濟(jì)等各方面綜合考慮出發(fā)，該方案不是很適合。 氣缸擺動推動方案氣缸擺動推動方案采用的是兩個(gè)轉(zhuǎn)動副來實(shí)現(xiàn)將氣缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樗艿膱A弧運(yùn)動的，在氣缸做伸縮動作時(shí)，氣缸依靠第一轉(zhuǎn)動副做小幅度的擺動，如圖35所示。圖 35 氣缸擺動推動方案圖氣缸擺動推動方案采用第一轉(zhuǎn)動副和轉(zhuǎn)動副二來輔助完成直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧運(yùn)動，第一轉(zhuǎn)動副固定在氣缸的后支座上，使得氣缸可以擺動，轉(zhuǎn)動副二連接氣缸連接件和水管連接件，在水管做圓弧運(yùn)動時(shí)為保證氣缸的直線運(yùn)動二不至于卡死，氣缸做小幅度的擺動。為保證轉(zhuǎn)動副一不因氣缸及氣缸連接件的重力作用而產(chǎn)生彎矩力，設(shè)計(jì)中添加轉(zhuǎn)動副三，轉(zhuǎn)動副三一方面能夠起到支撐作用，還可進(jìn)行轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動副二的連接設(shè)計(jì)如圖36所示。圖 36 轉(zhuǎn)動副二連接圖水管外表面為圓表面，無法直接和連接轉(zhuǎn)動副，采用一個(gè)水管連接件來連接轉(zhuǎn)動副。水管與水管連接件為保證不會轉(zhuǎn)動則需要采取焊接的方式。氣缸擺動推動方案采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動副能夠很好的將氣缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樗艿膱A弧運(yùn)動，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為簡單，水管的布局分布可以旋轉(zhuǎn)布局分布第一方案和布局分布第二方案，固定支座可以設(shè)計(jì)在計(jì)量桶上方或者在計(jì)量桶外，可選擇性多，且安裝要求比較低。但是采用該方案需要三個(gè)轉(zhuǎn)動副，加工精度要求高；在氣缸動作過程中，高速的沖擊會下氣缸要做小幅度的擺動，容易對氣缸造成損壞；同時(shí)考慮到氣缸和氣缸連接件的重力，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動副三來座位支撐，增加工藝，使得機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)又增加的摩擦阻礙；水管處無法直接與轉(zhuǎn)動副連接，需要采用一個(gè)水管連接件，為保證該連接件在動作過程中和水管不發(fā)生相互旋轉(zhuǎn)，需要采取焊接的方式，這樣就破壞了機(jī)臺，是不被允許的。從機(jī)臺保護(hù)，加工精度，經(jīng)濟(jì)等各方面綜合考慮出發(fā)，該方案不是很適合。在前面的杠桿推動法中考慮到間隙，而在布局分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)距離比較小，考慮是不是可以采用間隙法來推動水管。間隙法指使用一個(gè)連接件直接與水管連接，該連接件套在水管上，水管的外壁直徑為26mm，在動作過程中水管則能夠通過間隙來做調(diào)整而不使氣缸卡死。如圖37所示。圖 37 間隙法氣缸直接推動方案圖采用間隙法氣缸直接推動方案機(jī)構(gòu)簡單，在機(jī)構(gòu)上只需要設(shè)計(jì)一個(gè)氣缸連接件，氣缸連接件上與水管連接的空留有間隙，保證氣缸能正常動作，不被卡死。該機(jī)構(gòu)在水管布局分布的選擇上可以選擇布局分布第一方案和布局分布第二方案，氣缸的安裝固定可以在計(jì)量桶上方或者計(jì)量桶外，選擇性多。但是采用間隙法氣缸直接推動方案在動作中沖擊力大，誤差較大，如果使用硬性材料加工氣缸連接件則會有很大的沖擊力對零件損傷很大，所以在材料上選用尼龍棒；氣缸的安裝則需要保證垂直于杠桿在水管轉(zhuǎn)動點(diǎn)和水管兩個(gè)入水口連線的中心點(diǎn)的連線上的安裝位置，這樣可以保證水管在運(yùn)動過程中的間隙最?。辉O(shè)計(jì)氣缸連接件時(shí)需要考慮間隙大小的合理設(shè)計(jì)如果間隙取值過小，則無法滿足動作要求，若間隙取值過大，則會有較大的沖擊力產(chǎn)生。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要用于公司做實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)任務(wù)要求結(jié)構(gòu)簡單，零件加工容易，控制精度要求較低。間隙法氣缸直接推動方案機(jī)構(gòu)非常簡單，加工容易，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，故采用間隙法氣缸直接推動水管方案。 在計(jì)量桶外固定氣缸方案采用間隙法只需要固定氣缸，因?yàn)闅飧走B接件采用尼龍棒很輕不要考慮重力給氣缸活塞桿帶來的彎矩。氣缸安裝固定如果采用計(jì)量桶外固定則對應(yīng)的布局分布第二方案，在計(jì)量桶外有很大的空間可以用來安裝氣缸。但是采用這個(gè)方案如果從計(jì)量桶上伸出一個(gè)懸臂梁來固定氣缸，則懸臂梁需要一個(gè)支撐，才能解決懸臂梁彎曲的問題；若直接做一個(gè)從地面上架起的架子，則高度非常高，浪費(fèi)材料，增加加工和安裝的難度；另外當(dāng)水流不進(jìn)入計(jì)量桶時(shí)候，水流的下方不是水池，則銜接水管的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。 在計(jì)量桶上固定氣缸方案將氣缸直接固定在計(jì)量桶上，這個(gè)方案簡單，不會出現(xiàn)懸臂情況。而水管的布局分布可以是布局分布第一方案，也可以是布局分布第二方案，考慮到銜接水管設(shè)計(jì)的難易度，采用布局分布第一方案。如圖38所示。圖 38 在計(jì)量桶上固定氣缸方案圖采用一塊氣缸固定板塊使用三個(gè)螺栓固定在計(jì)量同上，而氣缸則固定在這塊板塊上，對于中心高度的調(diào)整則采用墊片來進(jìn)行調(diào)整。圖示水管位置二下方為水池，銜接管的設(shè)計(jì)比較簡單；在安裝中需要保證氣缸垂直于杠桿在水管轉(zhuǎn)動點(diǎn)和水管兩個(gè)入水口連線的中心點(diǎn)的連線，這就在安裝時(shí)候需要把水管位置擺在，氣缸活塞桿伸出到一半的位置，增加的安裝的難度。從綜合方面考慮，將氣缸固定在計(jì)量桶上方機(jī)構(gòu)簡單，加工、安裝容易，可以避免許多不必要的問題，所以采用在計(jì)量桶上固定氣缸方案。 機(jī)械部份的計(jì)算與設(shè)計(jì)選型 水管移動速度與所需力的計(jì)算水管是鋼材料，外徑為R=26mm，內(nèi)徑為r=25mm，直線長度為l=600mm，加上彎道長度總長約為L=700mm。水的密度為1g/cm3。水管的體積計(jì)算公式為： （31）水管的質(zhì)量計(jì)算公式為： （32）管道內(nèi)水的質(zhì)量計(jì)算公式為： （33） 總質(zhì)量計(jì)算公式為： （3