伸縮機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

吳義成

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

伸縮機(jī)構(gòu)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及國防兵器等行業(yè)中被大量使用，但伸縮機(jī)構(gòu)在機(jī)械原理或機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程教學(xué)中并未給出具體的定義和分類，缺乏系統(tǒng)性的研究。如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)有詳細(xì)的分類和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，系統(tǒng)性研究已經(jīng)或正被大量開展，但伸縮機(jī)構(gòu)則不然，針對(duì)該類型機(jī)構(gòu)的研究空間巨大，系統(tǒng)性研究正需加強(qiáng)。

1 問題提出

伸縮機(jī)構(gòu)一般是指沿著某個(gè)軸的方向或直線方向，該機(jī)構(gòu)的總長度能伸長或縮短。狹義的伸縮機(jī)構(gòu)是起重機(jī)械的一種重要機(jī)構(gòu)。其實(shí)伸縮機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)、生活中被大量使用，如自動(dòng)伸縮門、液壓起重機(jī)手臂、螺旋安裝器等裝置中。總結(jié)各行各業(yè)中現(xiàn)有使用的伸縮機(jī)構(gòu)原理，基本上可分類為液壓式驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)、平行四邊形鉸接伸縮機(jī)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵在于各類型的伸縮機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)伸縮功能，同時(shí)要保證能在軸向承受一定的力的作用，而且還要控制設(shè)計(jì)成本。鑒于此，本文在總結(jié)目前已經(jīng)大量使用的伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合基礎(chǔ)上，提出了一種新型基于電氣控制的伸縮機(jī)構(gòu)，說明了這種新型自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。

2 液壓式驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)

起重機(jī)的伸縮機(jī)構(gòu)包括臂架伸縮機(jī)構(gòu)和支腿收放機(jī)構(gòu)。臂架伸縮機(jī)構(gòu)的作用是改變臂架長度以獲得需要的幅度和起升高度，滿足作業(yè)要求。液壓驅(qū)動(dòng)是臂架伸縮機(jī)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)型式；通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的伸縮液壓缸和油路，可以實(shí)現(xiàn)臂架的各種伸縮方式。圖1所示是該類型伸縮機(jī)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)原理。

圖1 多節(jié)伸縮臂結(jié)構(gòu)原理圖

該伸縮結(jié)構(gòu)主要采用一級(jí)伸縮液壓缸及鏈排滑輪機(jī)構(gòu)來完成。液壓系統(tǒng)作為汽車起重機(jī)的主動(dòng)力傳送系統(tǒng)，不僅可以提供較大的傳動(dòng)比，而且使整機(jī)質(zhì)量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊[1]。但此種伸縮機(jī)構(gòu)制造成本高，維修保養(yǎng)費(fèi)用相對(duì)較大。

3 平行四邊形鉸接伸縮機(jī)構(gòu)

圖2 平行四邊形鉸接伸縮機(jī)構(gòu)

日常生活中有大量使用平行四邊形鉸接伸縮機(jī)構(gòu)的例子，主要是利用平行四邊形結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定的特征，平行四邊形容易伸縮、易變的特點(diǎn)；如小區(qū)的電動(dòng)推拉門，伸縮式手推車[2]，可伸縮衣架等。它的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該型伸縮機(jī)構(gòu)在直線方向能伸長或縮短，使用比較廣泛；但具有在該直線伸縮方向不能承受過大的力和力矩的特性。

4 旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)

圖3 可伸縮螺桿結(jié)構(gòu)示意圖[3]

旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)比較常見的是采用螺桿和螺母配合使用，實(shí)現(xiàn)一段局部伸縮，如圖3所示。

此種旋轉(zhuǎn)可伸縮機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)可調(diào)螺母在螺柱上的位置來實(shí)現(xiàn)伸縮的目的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但不能實(shí)現(xiàn)多段伸縮，伸縮長度有限，而且該種結(jié)構(gòu)在軸向不能承受過大的力或載荷。要實(shí)現(xiàn)多層螺母和螺桿傳動(dòng)，就必須使多層螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中間部分的螺母或者螺桿相對(duì)于不同的參照，既可充當(dāng)螺母，同時(shí)又可充當(dāng)螺桿，因此必須解決中間部分螺母或者螺桿的周向和軸向的固定問題[4]。

目前新型旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)正處在深入研究當(dāng)中，如針對(duì)火炮炮膛內(nèi)的殘?jiān)m土、油垢和銹蝕等情況需要清理而開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)。它是基于空間剪叉機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征分析，將可旋轉(zhuǎn)底盤與空間剪叉伸縮臂組合在一起形成一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)伸縮功能的機(jī)構(gòu)[5]，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 組合可旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

5 新型伸縮機(jī)構(gòu)

本新型自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)合電子元器件來實(shí)現(xiàn)伸縮功能；具體結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。

圖5 新型自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

該新型伸縮機(jī)構(gòu)采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線電動(dòng)機(jī)是由初次級(jí)之間的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生推力來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)行[6]。直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)裝在伸縮桿1段的內(nèi)壁中，共有若干段；直線電動(dòng)機(jī)次級(jí)固定在伸縮桿2段的外壁中。在對(duì)吸盤式電磁鐵3得電產(chǎn)生相當(dāng)大的吸力將關(guān)節(jié)6吸附進(jìn)入伸縮桿1段的空腔中后，關(guān)節(jié)6不會(huì)阻擋伸縮桿2段的運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)采取分段式供電[7]，次級(jí)磁場(chǎng)受整個(gè)初級(jí)磁通的影響，在磁場(chǎng)力的作用下，向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮桿2段縮回伸縮桿1段的動(dòng)作。如果要實(shí)現(xiàn)伸長，可對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的定子初級(jí)實(shí)行反向分段式供電，這樣直線電動(dòng)機(jī)次級(jí)在磁場(chǎng)力的作用下，反向運(yùn)動(dòng)，將帶動(dòng)伸縮桿2段伸長出伸縮桿1段，當(dāng)關(guān)節(jié)6到達(dá)伸縮桿1段所開孔處，吸盤式電磁鐵失電，釋放關(guān)節(jié)6恢復(fù)原位，將伸縮桿1段和伸縮桿2段連接起來。該機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）使用單片機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)電磁鐵的得失電狀態(tài)以及直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)和次級(jí)進(jìn)行控制，對(duì)之可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮；

（2）由于采用了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在軸向可承受一定的力的作用；

（3）可實(shí)現(xiàn)完全意義上的伸縮，在某一個(gè)方向的長度發(fā)生變化；

（4）該機(jī)構(gòu)維修保養(yǎng)比較方便，具有一定的適用場(chǎng)合，如開發(fā)自動(dòng)升旗裝置、機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

6 結(jié)論

不同種類的伸縮機(jī)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)、生活等各類行業(yè)中已被大量使用，但該類機(jī)構(gòu)不同于現(xiàn)有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)研究已經(jīng)系統(tǒng)化；對(duì)于伸縮機(jī)構(gòu)的研究，還有很多正待將來去開發(fā)。本文旨在針對(duì)該類型機(jī)構(gòu)做一下小結(jié)性的工作，并提出一種新型基于電氣控制能進(jìn)行自動(dòng)伸縮的機(jī)構(gòu)。相信在未來的太空時(shí)代，為了便于長途運(yùn)輸和使用空間的限制，伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究必將迎來燦爛的前景。

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