1308-機床夾具柔性化技術研究及設計

1308-機床夾具柔性化技術研究及設計,機床,夾具,柔性,技術研究,設計 新技術開發(fā)一種新型的鋼球增力液壓夾具蘇東寧 ,鐘康民(濟南大學 ,山東 濟南 250000)摘要 :介紹了一種新型的鋼球增力液 (氣 )夾具 ,推出了其理論增力系數(shù)和實際增力系數(shù)的計算公式 ,并對它與其他兩種鋼球增力液壓夾具的性能進行了比較。關鍵詞 :對稱 ;鋼球增力機構 ;無桿液壓缸 ;增力系數(shù) ;夾具 ;壓力角 ;摩擦損失中圖分類號 : TH13715 　　　　文獻標識碼 :B 　　　　文章編號 :1006 - 0316(2003) 04 - 0066 - 03A ne w kind of hydraulic f ixture combined with steel — ball amplif ierSU Dong2ning , ZHON G Kang2min(Dept1of Mechanical Engineering of Jinan University , Jinan 250002 , China)Abstract :This paper introduces a new kind of hydraulic fixture combined with steel2ball amplifier , gives the formulas of ideal forceincreasing ratio and actual force increasing ratio1 The comparison in performance characteristics with other two kinds of hydraulic fix2tures combined with steel2ball amplifier was also shown1Key words :steel2ball amplifier ;rodless hydraulic cylinder ;force increasing ratio ;fixture ,symmetry ;pressure angle ;friction loss1收稿日期 :2003 - 01 - 13作者簡介 :蘇東寧 (1965 - ) ,機械工程碩士 ,講師。機械增力機構與液壓夾具相結合 ,能有效地降低系統(tǒng)的工作壓力 ,延長工作壽命 ,減小系統(tǒng)的結構尺寸。在各種增力機構中 ,鋼球增力機構具有力傳遞效率高 ,結構簡單 ,制造工藝簡便的優(yōu)點。文獻\[1 \]中介紹了兩種基于鋼球增力機構的液壓夾具 ,但其僅給出了理論增力系數(shù)的計算公式 ,這給實際應用帶來不便。本文將簡單介紹這兩種夾具的工作原理 ,推出其實際增力系數(shù)。同時我們還要介紹一種新型的具有雙活塞無桿液壓缸的鋼球增力液壓夾具 ,給出其理論增力系數(shù)和實際增力系數(shù) ,最后 ,對這三種增力機構的性能作一下比較。1 　鋼球增力機構與單活塞無桿液壓缸111 　工作原理圖 1、圖 2 所示分別為文獻 \[ 1 \]所介紹的在液壓夾具中與單活塞無桿液壓缸組合使用的雙鋼球和三鋼球增力機構 ,其工作原理為 :當換向閥位于左位時 ,壓力油進入液壓缸左腔 ,在壓力油的作用下 ,活塞向右移動 ,置于活塞中部孔中的鋼球隨之推動上方的鋼球向上運動 (圖 2 中將活塞中部銑扁 ,并加工出一個通孔 ,工作時中間鋼球在下面的鋼球作用下推動上方鋼球向上運動 ) 。在這個過程中 ,鋼球將輸入力進行了放大 ,并由右上方的鋼球將放大后的力Fo 傳遞出去 ,推動夾具上的元件 (未示出 ) 夾緊工件。當換向閥位于右位時 ,活塞向左移動 ,右上方鋼球下降 ,夾具將工件松開。需注意的是 ,圖 2 所示系統(tǒng)中的右上方鋼球與右下方鋼球的中心線應位于同一垂直線上。圖 1 　雙鋼球增力機構圖 2 　三鋼球增力機構·66· 　　 機械 　 2003 年第 30 卷第 4 期　　112 　力學計算在忽略了鋼球與各接觸面間的滾動摩擦的前提下 ,經(jīng)建模分析計算 ,圖 1 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it 與實際增力系數(shù) i p 的計算公式分別為 :it = Fotπ d24 p= 1tanα (1)i p = Fopπ d24 p= 1 - tan (α +β ) tanγtan (α +β ) + tanφ (2)圖 2 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it 與實際增力系數(shù) i p 的計算公式分別為 :it = Fotπ d24 p= 12tanα (3)ip = Fopπ d24 p= [1 - tan(α +β ) tanγ \]\[1 - tan(α +β ) tanθ ]2tan(α +β ) [1 + tanφ tanθ ](4)式中 : Fot為理論輸出力 ; Fop為實際輸出力 ; d 為活塞直徑 ; p 為液壓缸左腔壓力 ;α 為理論壓力角 ;β 為兩鋼球間的滑動摩擦角 ;γ 為力輸出件 (即右上方鋼球 ) 與導向孔間的滑動摩擦角 ;φ 為液壓缸與活塞間的滑動摩擦角 ;θ 為中間鋼球與活塞內孔間的滑動摩擦角。2 　鋼球增力機構與雙活塞無桿液壓缸在圖 1、圖 2 所示兩種系統(tǒng)的基礎上 ,我們研究開發(fā)出一種新型的鋼球增力液壓夾具 ,即圖 3 所示的具有對稱結構的三鋼球增力機構與雙活塞無桿液壓缸組合而成的液壓夾具 。此機構的工作原理同圖1、圖 2 所示系統(tǒng) ,區(qū)別在于結構 :在圖 2 系統(tǒng)的基礎上 ,增添了與其對稱布置的另一增力裝置。工作時 ,兩邊機構同時動作 ,共同完成將輸入力放大并將工件夾緊的功能。圖 3 　液壓夾具經(jīng)分析計算 ,此系統(tǒng)的任一邊增力機構的理論增力系數(shù)的計算公式與公式 (3) 完全相同 ,即 :it = Fotπ d24 p= 12tanα (5)系統(tǒng)任一邊實際增力系數(shù) i p 的計算公式為 :i p = Fopπ d24 p= 1 - tan (α +β ) tanθ2tan (α +β ) [1 + tanφ tanθ ] (6)式中符號含義同公式 (4) 。3 　性能比較311 　增力效益由公式 (1) 、式 (3) 、式 (5) 可看出 ,在忽略了各接觸面的摩擦的條件下 ,圖 1 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it 是圖 2、圖 3 系統(tǒng)的 2 倍 。但在考慮了滑動摩擦后 ,它們的差別并非如此大。例如 ,設理論壓力角α = 8° ,各滑動摩擦角 β =γ =θ =φ = 5° 時 ,由公式(2) 、式 (4) 、式 (6) 計算出的實際增力系數(shù) i p 分別為31076 ,21063 ,21106 ,即圖 1 所示系統(tǒng)的增力效益分別是圖 2 圖 3 所示系統(tǒng)的 1149 及 1146 倍 。上述討論可看出 ,從增力效益看 ,圖 1 系統(tǒng)最佳 ,圖 3 所示系統(tǒng)次之 ,圖 2 系統(tǒng)相對較差 。我們再來比較一下式 (4) 、式 (6) ,會發(fā)現(xiàn) :它們的區(qū)別在于式 (6) 中的 ip 表達式少了一項 [1 - tan (α+β ) tanγ \] ,而這一項恰恰是因為輸出件鋼球與導向孔間的摩擦影響的結果。而這一結果的原因在于 :由于圖 3 系統(tǒng)在結構上的對稱性 ,使得系統(tǒng)的力輸出件在水平方向的受力平衡 ,輸出件與導向孔間不存在摩擦 \[2 \],從而使得圖 3 所示的具有對稱結構的三鋼球增力機構與雙活塞無桿液壓缸組合而成的液壓夾具的增力效益較圖 2 所示的三鋼球增力機構與單活塞無桿液壓缸組合而成的液壓夾具的要高。這一結論在較大載荷工作情況下尤顯其意義。312 　輸出件的行程經(jīng)分析計算 ,當活塞的有效水平位移相同時 ,圖2 與圖 3 所示系統(tǒng)力輸出件的輸出位移相等 ,是圖 1所示系統(tǒng)的兩倍。即圖 1 所示系統(tǒng)的增力效益雖佳 ,但它的行程卻不如圖 2 與圖 3 所示系統(tǒng)。4 　結論上述所介紹的三種鋼球增力液壓夾具 ,從增力效益看 ,圖 1 系統(tǒng)最佳 ,圖 3 所示系統(tǒng)次之 ,圖 2 系統(tǒng)相對較差。就行程看 ,圖 2 及圖 3 (下轉第 71 頁 )·76·　　 機械 　 2003 年第 30 卷第 4 期　　表 1 　實驗值與理論值比較實驗裝置號 1 號 2 號試驗次數(shù)測點載荷　　　ε 0° 差值 ε 45° 差值 ε 90° 差值 ε 0° 差值 ε 45° 差值 ε 90° 差值12N - 38 40 66 - 43 40 704N - 76 - 38 76 36 132 66 - 89 - 46 78 38 143 736N - 116 - 40 111 35 196 64 - 134 - 45 116 38 215 728N - 154 - 38 146 35 266 70 - 178 - 44 155 39 287 7210N - 192 - 38 182 36 332 66 - 223 - 45 195 40 358 71差值均值 - 3815 3515 6615 - 4510 3818 721022N - 3910 35 66 - 44 41 744N - 79 - 40 71 36 131 65 - 89 - 45 80 39 147 736N - 118 - 39 108 37 198 67 - 134 - 45 118 38 218 718N - 158 - 40 142 34 263 65 - 180 - 46 158 40 290 7210N - 198 - 40 177 35 331 68 - 230 - 43 197 39 363 73差值均值 - 3918 3515 6613 - 4418 3910 721532N - 40 36 - 40 36 - 44 42 774N - 79 - 39 71 - 79 - 39 71 - 89 - 45 81 39 148 716N - 118 - 39 107 - 118 - 39 107 - 134 - 45 119 38 221 738N - 157 - 39 144 - 157 - 39 144 - 178 - 44 159 40 291 7010N - 196 - 39 179 - 196 - 39 179 - 223 - 45 197 38 365 74差值均值 - 3910 3518 6718 - 4418 3818 7210表 2 　實驗值與理論值比較實驗裝置號 測點應變 三次測量應變均值 2N 下應變理論值1ε 0°ε 45°ε 90°- 391335156615- 4116331465102ε 0°ε 45°ε 90°- 441838197211- 421736196714參考文獻 :\[ 1 \]刑世建 1 材料力學實驗 \[ M \] .重慶 :重慶大學出版社 ,19981\[2 \]王紹銘 ,熊莉 ,等 1 材料力學實驗指導 \[ M \] .北京 :中國鐵道出版社 ,20001\[3 \]陳鋒 ,段自力 ,等 1 材料力學實驗 \[ M \] .武漢 :華中理工大學出版社 ,19991\[ 4 \]顧立成 1 材料力學實驗 \[ M \] .陜西 :西安地圖出版社 ,19941\[ 5 \]劉鴻文 1 材料力學上冊 \[ M \] .北京 :高等教育出版社 ,19961\[ 6 \]鄭大素 ,江允正 ,楊淳 . 用優(yōu)化方法確定直角應變花貼片最佳位置振動 \[J \] .測試與診斷 ,1997 ,12 (4) :53 - 55.(上接第 67 頁 )所示系統(tǒng)的行程是圖 1 所示系統(tǒng)的 2倍。若在承受較大工作載荷的場合下使用 ,可考慮采用圖 3 所示的系統(tǒng)。參考文獻 :\[1 \]鐘康民 ,宋強 ,郭培全 . 鋼球增力式液壓夾具 . 制造技術與機床 ,1999 ,11\[ 2 \] Zhong Kangmin , Guo Peiquan1 Orthogonal reinforcement mecha2nism and hydraulic drive1 In : Proceedings of tenth world congresson the theory of machines and mechanisms (Vol5) 1 Oulu , Finland :Oulu University Press , 1999 : 2037 - 20421·17·　　 機械 　 2003 年第 30 卷第 4 期　　可 調 夾 具 在 四 拐 曲 軸 加 工 中 的 應 用遼 寧 省 丹 東 市 五 一 八 內 燃 機 配 件 廠 姚 廣 鷹 譚 延 軍 司 艷 軍我 廠 生 產 的 四 拐 曲 軸 有 六 個 規(guī) 格 , 以 前 在 銑 一 側工 藝 面 時 見 圖 , 每 種 規(guī) 格 的 曲 軸 都 需 要 設 計 一 套夾 具 , 浪 費 較 大 , 為 此 我 們 設 計 了 一 種 可 調 夾 具 , 這 種可 調 夾 具 適 用 于 我 廠 各 種 規(guī) 格 的 四 拐 曲 軸 銑 工 藝 面 的加 工 。這 種 可 調 夾 具 由 自 動 定 心 機 構 和 兩 個 型 鐵 夾 緊圖機 構 共 部 分 組 成 , 它 們 各 自 都 用 定 位 鍵 和 型 螺 檢與 機 床 工 作 臺 聯(lián) 接 , 可 以 在 機 床 工 作 臺 的 型 槽 內 往復 移 動 , 以 適 應 加 工 不 同 規(guī) 格 曲 軸 的 需 要 , 例 如 加 工圖 所 示 的 曲 軸 工 藝 面 時 型 鐵 夾 緊 機 構 是 在 和 萬主 軸 頸 上 , 定 心 機 構 是 在 第 連 桿 軸 頸 上 , 操 作 時 ,先 把 第 連 桿 軸 頸 朝 下 放 入 定 心 機 構 里 , 第 及 第 萬主 軸 頸 便 隨 之 置 于 兩 個 型 鐵 上 , 然 后 搖 動 手 輪 使 螺桿 轉 動 , 從 而 使 螺 母 相 向 移 動 , 完 成 自 動 定 心 ,檸 緊 螺 母 將 曲 軸 壓 緊 在 型 鐵 上 就 可 以 銑 工 藝 面 了當 工 藝 面 在 曲 軸 的 其 它 位 置 時 , 只 要 移 動 自 動 定 心 機構 和 型 鐵 夾 緊 機 構 即 可 。霆霆霆 袱 悶悶 擎擎氣氣氣卜卜卜卜卜卜卜尸 戶比比 盯盯定 心 機 構 型 鐵 夾 緊 幾 構岡 定 心 機 構 夾 緊 機 構 示 意 圖自 動 定 心 機 構 主 要 由 帶 螺 母 夾 套 , 螺桿 等 部 分 組 成 見 圖 定 心 機 構 , 帶 螺 母 夾套 上 的 定 位 塊 其 高 度 方 向 的 尺 寸 , 應 根據(jù) 曲 軸 中 心 與 連 桿 軸 頸 中 心 距 離 的 最 大 值與 最 小 值 來 確 定 , 以 保 證 適 應 加 工 多 種 規(guī)格 的 曲 軸 , 定 心 機 構 的 螺 桿 , 一 頭 為 左旋 、 另 一 頭 為 右 旋 , 均 為 型 螺 紋 。型 鐵 夾 緊 機 構 見 圖 夾 緊 機 構 選擇 型 鐵 寬 度 時 , 應 以 主 軸 頸 寬 度 最 小 的曲 軸 為 設 計 依 據(jù) 。編 樣 棟 林帶 螺 母 夾 套 定 位 塊 螺 桿 定 心 抓 構 座 體限 位 塊 定 位 鍵 夾 緊 螺 母 型 螺 吹舍 飯 下讀禾』祝 賀 《 機 械 制 造 》 被 確 認 為 中 文 核 心 期 刊西 南 交 通 大 學 范 文 田由 于 《 機 械 制 造 , 雜 志 主 要 報 導 機 械 工 業(yè) 新 技 術 、新 經(jīng) 驗 及 機 械 科 技 研 究 成 果 及 其 推 廣 和 應 用 , 設 有 綜述 、 設 計 計 算 、 制 造 工 藝 、 工 藝 設 備 、 檢 測 技 術 、 工場 經(jīng) 驗 、 維 修 和 改 裝 、 機 電 信 息 等 主 要 欄 目 , 受 到 機械 行 業(yè) 從 事 科 研 、 設 計 、 制 造 和 維 修 的 科 技 人 負 、 技術 工 人 、 管 理 干 部 、 高 等 學 院 師 生 等 廣 大 讀 者 的 重視 , 在 國 內 機 械 工 程 界 具 有 一 定 的 影 響 和 威 望 。 因 此 ,經(jīng) 國 內 圖 書 期 刊 研 究 部 門 按 照 文 獻 計 量 學 原 理 , 將 。 機械 制 造 》 雜 志 評 選 為 機 械 、 儀 表 工 業(yè) 類 學 科 的 全 國 中文 核 心 期 刊 , 為 此 , 我 們 表 示 衷 心 祝 賀 。核 心 期 刊 又 稱 重 點 期 刊 或 重 要 期 刊 。 是 指 刊 載 某一 學 科 或 專 業(yè) 的 有 關 信 息 較 多 、 水 平 較 高 , 并 能 夠 反映 該 學 科 的 最 新 成 果 和 前 沿 動 態(tài) , 受 到 該 專 業(yè) 讀 者 特別 關 注 的 那 些 期 刊 。 ‘ 這 次 的 評 選 方 法 是 從 我 國 較 有 影機 械 制 造 》 宮 年 第 軟 斯響 的 檢 索 工 具 全 國 報 刊 索 引 和 中 國 機 械 工 程 文 摘 以及 國 內 種 本 專 業(yè) 的 重 要 期 刊 上 統(tǒng) 計 出 人 。 三年 間 全 國 各 種 刊 物 在 機 械 和 儀 表 工 業(yè) 學 科 方 而 的 載 文量 , 文 摘 星 和 刊 登 在 各 刊 上 的 論 文 被 種 刊 物 的 引 用量 , 根 據(jù) 文 獻 離 散 規(guī) 律 , 進 行 綜 合 量 化 計 算 和 分 析 , 再聘 請 本 學 科 有 關 專 家 進 行 書 面 鑒 定 后 , 共 評 選 出 習 ’種 這 類 學 科 的 核 心 期 刊 和 種 專 業(yè) 期 刊 。 貴 刊 在 核 心期 刊 中 名 列 第 位 。有 關 評 選 核 心 期 刊 的 研 制 報 告 , 具 體 步 驟 和 評 出的 其 它 種 枚 心 期 刊 和 種 專 業(yè) 期 刊 , 皆 已 公 布 花北 京 大 學 出 版 社 于 年 , 月 出 版 的 我 國 第 一 部 中文 核 心 期 刊 要 目 總 覽 》 上 。 由 于 所 統(tǒng) 計 的 數(shù) 據(jù) 準 確 可靠 , 評 選 方 法 科 學 吐 較 少 人 為 因 素 的 影 響 , 因 而 可 信度 大 , 評 選 結 果 具 有 較 高 的 權 威 性 。 編 拜 其 路一 ‘一? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net軸 !"聯(lián) 接 的 ， 二 者 之 間 要 有 一 定 的 間 隙 ， 以 減 小 摩 擦 阻力 ， 使 刀 座 浮 動 靈 活 ， 該 間 隙 由 轉 軸 !"上 的 調 整 圈 !#來保 證 ， 一 般 調 在 $% & ’’ 左 右 。 在 底 座 和 刀 座 之 間 裝 有一 導 軌 導 向 機 構 ， 它 是 由 導 軌 (、 導 軌 ) 分 別 固 定 在 底座 和 刀 座 上 ， 在 底 座 上 凹 進 的 導 軌 ( 上 裝 一 彈 夾 #， 用來 固 定 滾 針 *， 使 滾 針 均 勻 分 布 在 彈 夾 上 。 內 仿 形 滾 輪的 結 構 與 燕 尾 導 向 浮 動 刀 架 的 結 構 完 全 一 樣 。該 結 構 工 作 原 理 是 ： 調 整 螺 釘 !+， 使 彈 簧 產 生 一 定的 初 壓 力 ， 這 時 刀 座 緊 靠 擋 塊 !,。 調 節(jié) 刀 盤 上 的 絲 杠 進行 對 刀 ， 使 滾 輪 緊 靠 工 件 內 壁 ， 刀 座 離 開 擋 塊 !,， 繞 轉軸 !"逆 時 針 轉 一 個 合 適 的 角 度 ， 使 彈 簧 !*受 到 比 初 壓力 更 大 的 壓 力 。 切 削 時 ， 當 工 件 內 圓 半 徑 減 小 時 ， 靠 模滾 輪 受 壓 ， 刀 座 逆 時 針 轉 動 ， 彈 簧 縮 短 ， 所 受 壓 力 增 大 ；當 工 件 內 圓 半 徑 增 大 時 ， 靠 模 滾 輪 受 的 壓 力 減 小 ， 彈 簧反 彈 ， 刀 座 順 時 針 轉 動 ， 滾 輪 接 觸 工 件 內 壁 。 它 的 工 作簡 圖 如 圖 &所 示 ， 調 整 螺 釘 和 擋 塊 使 彈 簧 產 生 一 定 的 初壓 力 ， 形 成 壓 縮 彈 簧 。 當 滾 輪 受 的 壓 力 ! 增 大 時 ， 繞 支點 下 降 ， 壓 縮 彈 簧 壓 縮 ； 當 ! 減 小 時 ， 壓 縮 彈 簧 反 彈 ，滾 輪 上 升 。# 結 論比 較 以 上 "種 設 計 方 案 的 優(yōu) 缺 點 ： 燕 尾 導 向 的 浮 動刀 架 結 構 ， 彈 簧 套 裝 在 燕 尾 部 位 ， 結 構 緊 湊 ， 燕 尾 導 向 ，由 于 有 油 路 潤 滑 系 統(tǒng) ， 滑 動 靈 活 ， 但 正 是 有 了 這 油 路 潤滑 系 統(tǒng) ， 在 使 用 中 維 護 麻 煩 ， 燕 尾 槽 中 的 塞 鐵 是 易 損件 ， 拆 換 較 頻 繁 ， 在 使 用 中 維 護 保 養(yǎng) 一 定 要 到 位 。 杠 桿式 導 軌 導 向 的 浮 動 刀 架 結 構 ， 彈 簧 和 導 軌 導 向 機 構 分裝 在 轉 軸 兩 側 ， 形 成 杠 桿 式 ， 結 構 較 燕 尾 導 向 式 要 大 。由 于 旋 轉 結 構 中 裝 有 軸 承 ， 導 向 結 構 中 裝 有 滾 針 ， 運 動靈 活 ， 且 不 需 要 頻 繁 地 拆 裝 維 修 。不 管 采 用 哪 種 方 案 ， 其 原 理 都 是 一 樣 的 ： 工 件 不動 ， 刀 盤 旋 轉 ， 在 切 削 過 程 中 ， 刀 架 浮 動 ， 滾 輪 內 仿 形 ，使 得 鋼 管 的 設 計 基 準 與 工 藝 基 準 一 致 ， 確 保 切 削 后 的鋼 管 端 面 坡 口 均 勻 一 致 ， 有 效 地 消 除 了 焊 接 鋼 管 在 直徑 方 向 上 的 不 圓 度 對 坡 口 均 勻 度 的 影 響 ， 使 得 加 工 的端 面 坡 口 光 潔 均 勻 ， 可 達 較 高 的 坡 口 精 度 。參 考 文 獻! 王 光 斗 等 % 機 床 夾 具 設 計 手 冊 -./% 上 海 科 學 技 術 出 版 社 ，!01$" 徐 灝 % 機 械 設 計 手 冊 -./% 北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ， !00!$2編 輯 方 也 3作 者 單 位 ： 浙 江 大 學 機 械 廠郵 政 編 碼 ： 杭 州 · #!$$",收 稿 日 期 ： "$$&年 &月@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@利 用 氣 動 夾 具 可 實 現(xiàn) 自 動 裝 夾 ， 能 大 幅 度 提 高 工效 和 加 工 質 量 ， 且 可 在 非 常 惡 劣 的 環(huán) 境 下 工 作 ， 因 此 被廣 泛 應 用 于 機 械 零 部 件 、 電 子 零 部 件 的 加 工 裝 夾 及 各種 自 動 化 設 備 的 夾 緊 裝 置 中 。氣 動 夾 具 因 使 用 空 氣 作 為 工 作 介 質 而 有 “ 綠 色 夾具 ” 之 美 譽 ， 且 設 備 成 本 低 于 液 壓 夾 緊 裝 置 ， 但 由 于 氣體 的 可 壓 縮 性 而 使 其 工 作 壓 力 不 高 ， 一 般 不 大 于 $% 1.45， 因 此 如 何 利 用 氣 動 夾 具 輸 出 較 大 的 夾 緊 力 就 成為 人 們 探 索 的 一 個 重 要 課 題 。筆 者 設 計 的 用 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 驅 動 的 增 力 夾 緊機 構 可 大 大 提 高 夾 緊 力 ， 使 用 該 系 統(tǒng) 既 可 避 免 為 提 高夾 緊 力 而 使 用 大 功 率 系 統(tǒng) ， 從 而 降 低 系 統(tǒng) 的 復 雜 性 和成 本 ， 又 可 消 除 因 使 用 鉸 接 氣 缸 而 帶 來 的 多 變 性 和 不穩(wěn) 定 性 。! 夾 緊 機 構 的 工 作 原 理 及 特 點附 圖 所 示 的 夾 緊 機 構 由 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 和 鉸 接增 力 裝 置 組 合 而 成 。工 藝 裝 備摘 要 6 介 紹 了 由 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 驅 動 的 增 力 夾 緊 機 構 及 其 優(yōu) 越 性 ， 分 析 其 工 作 原 理 ， 并 給 出 了 理 論 、 實 際 夾 緊 力和 力 放 大 系 數(shù) 的 計 算 公 式 。關 鍵 詞 ： 無 桿 活 塞 缸 鉸 桿 增 力 機 構 夾 具中 圖 分 類 號 ： 78,&+ 文 獻 標 識 碼 ： ) 文 章 編 號 ： !$$$ 9 *0012"$$&3!$ 9 $$,! 9 $"基 于 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 驅 動 的 增 力 夾 緊 機 構" 盛 小 明 " 鐘 康 民!"機 械 制 造 !" 卷 第 !#! 期!""# $ %"固 定 式 無 桿 活 塞 氣 缸 與 普 通 氣 缸 的 區(qū) 別 是 在 其 活塞 的 徑 向 裝 有 一 個 過 渡 滑 塊 ， 滑 塊 兩 端 對 稱 地 鉸 接 兩個 鉸 桿 ， 活 塞 在 壓 力 作 用 時 上 下 運 動 ， 滑 塊 則 在 水 平 方向 滑 動 。 當 系 統(tǒng) 夾 緊 時 ， 鉸 點 ! 將 繞 " 點 作 圓 周 運 動 ，而 滑 塊 水 平 方 向 的 運 動 可 增 加 一 個 自 由 度 ， 因 此 ， 可 以補 償 ! 點 的 水 平 方 向 的 位 移 。! 力 學 計 算該 系 統(tǒng) 共 有 三 級 力 的 放 大 。 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 滑塊 的 鉸 桿 #!、 !" 構 成 第 一 級 力 的 放 大 ， 力 放 大 系 數(shù)為 ：$" %"#"$%"!%&’!"鉸 桿 &#、 #’ 為 第 二 級 力 的 放 大 ， 當 忽 略 摩 擦 力等 因 素 時 ， 力 放 大 系 數(shù) 為 ：$! %"#"$%"!%&’!!夾 具 ’( 為 一 杠 桿 ， 對 系 統(tǒng) 實 行 第 三 級 力 的 放 大 ，其 力 放 大 系 數(shù) 為 ：$( %)!)"因 此 ， 整 個 系 統(tǒng) 的 力 放 大 系 數(shù) 為 $ ) $" * $! * $(設 無 桿 活 塞 缸 活 塞 所 產 生 的 推 力 為 ：" )!+*!+則 整 個 系 統(tǒng) 的 理 論 輸 出 力 為 ："#% %!*!)!",%&’!"%&’!!)"+（"）而 系 統(tǒng) 的 實 際 輸 出 力 為 ："#-%!*!)!"""!",%&’（!",#"）%&’（!!,#!）)"+（!）式 中 *— —— 活 塞 直 徑!"、 !!— —— 理 論 壓 力 角#— —— 鉸 鏈 副 的 當 量 摩 擦 角 ， # ) &./0$’!-).（-— —— 鉸 鏈 軸 半 徑 ； )— —— 鉸 鏈 上 兩 鉸 鏈孔 的 中 心 距 ； .— —— 鉸 鏈 副 的 摩 擦 因 數(shù) ）""— —— 杠 桿 的 傳 動 效 率 ， 通 常 取 12 34"!— —— 氣 缸 的 機 械 效 率 ， 通 常 取 12 3系 統(tǒng) 實 際 的 力 放 大 系 數(shù) ：$- %)!"""!+%&’（!",#"）%&’（!!,#!）)"（(）從 理 論 上 講 鉸 桿 機 構 的 理 論 壓 力 角 越 小 越 好 ， 但由 于 制 造 精 度 等 原 因 ， 它 的 取 值 不 可 能 很 小 ， 在 工 程 實際 中 ， 一 般 取 !5$’ )(6746。 如 取 !" ) !! )+6， - )4 55，)! )"11 55， . )12 "， )!8 )" )!， 計 算 可 得 #" ) #! )12 496，代 入 公 式 :(;， 可 計 算 得 實 際 力 放 大 系 數(shù) 為 $- ) ,,2 3"。( 結 論通 過 上 述 計 算 可 知 ， 氣 動 夾 具 采 用 上 述 增 力 夾 緊機 構 后 ， 實 際 的 力 可 放 大 ,,2 3"倍 ， 亦 即 采 用 壓 力 + )12 & 的 氣 動 系 統(tǒng) ， 當 氣 缸 直 徑 ( ) "11 55 時 ， 氣動 夾 具 采 用 上 述 增 力 夾 緊 機 構 后 ， 可 得 到 的 實 際 輸 出力 為 +!12 "(! ?@。因 此 ， 利 用 固 定 式 無 桿 活 塞 缸 驅 動 的 增 力 夾 緊 機構 可 得 到 放 大 系 數(shù) 大 于 ,,2 3"的 力 放 大 作 用 ， 在 輸 出 力及 氣 缸 直 徑 一 定 的 條 件 下 ， 能 顯 著 降 低 系 統(tǒng) 壓 力 ， 從 而降 低 設 備 的 成 本 ， 降 低 功 率 損 耗 ； 而 在 輸 出 力 及 系 統(tǒng) 壓力 一 定 的 條 件 下 ， 則 能 顯 著 減 小 氣 缸 的 直 徑 ， 從 而 使 龐大 的 設 備 變 得 簡 化 、 靈 巧 。參 考 文 獻" AB#’C D&’C5$’E FG# >H$IG&’2 J.%B#C#’&K LH$’M#./H5H’% =H/BN&’$052 &’O PQO.&GK$/ R.$SHTUV2 >.#/HHO$’C0 #M WH’%B X#.KOU#’C.H00 #’ %BH WBH#.Q #M =&/B$’H0 &’O =H/B&’$050:Y#K4;2JGKGE Z$’K&’O8 JGKG [’$SH.0$%Q >.H00E "333E !1(9 7 !1+!! 羅 善 明 2 曲 柄 增 力 機 構 的 模 擬 設 計 T\V2 機 械 科 學 與 技 術 E!11!E !":(;： +"( 7 +"4E +(,( 鐘 康 民 E 宋 強 E 郭 培 全 E 胡 秉 臣 2 鉸 桿 增 力 式 離 心 離 合 器 的 工作 原 理 與 設 計 計 算 T\V2 制 造 技 術 與 機 床 E !111E :(;8 "( 7 "4$:編 輯 功 成 ;作 者 單 位 ： 蘇 州 大 學 機 電 工 程 學 院郵 政 編 碼 ： 江 蘇 · !"41!"收 稿 日 期 ： !114年 +月工 藝 裝 備!" 機 械 制 造 !" 卷 第 !#! 期!""# $ %"例如 : 當 1 臺液壓設備所需輸出力為 100 kN、液壓缸直徑 D = 80 mm 時 , 采用該裝置的參數(shù)如上。若采用液壓缸活塞直接輸出力 , 經(jīng)計算 , 所需的液壓系統(tǒng)的工作壓力為 20 M Pa; 而采用該裝置后 ,液壓系統(tǒng)的工作壓力只需 2. 9 M Pa。同上 , 所需輸出力為 100 kN , 液壓系統(tǒng)工作壓力給定為 2. 5 M Pa, 若采用液壓缸活塞直接進行力的輸出 , 經(jīng)計算 , 所需液壓缸直徑 D = 225 mm ; 而采用該裝置后 , 所需液壓缸直徑 D = 85 mm。由上述實例可見 , 利用機械增力機構與液壓傳動技術結合 , 在輸出力及液壓缸直徑一定的條件下 ,能顯著降低液壓系統(tǒng)壓力 ; 而在輸出力及液壓系統(tǒng)壓力一定時 , 則能顯著減小液壓缸的直徑。基于無桿活塞缸的斜楔增力液壓夾具蘇州大學機電工程學院 (215021)　付春梅液壓傳動夾具在現(xiàn)代制造業(yè)中應用極為廣泛。液壓缸的結構形式往往出于習慣而選擇有桿活塞式液壓缸。圖 1 所示即為常用的基于有桿活塞液壓缸的斜楔增力夾具 , 其工作時 , 斜楔的斜面在液壓缸活塞桿的推動下作用于滾輪 , 使得杠桿式壓板繞固定鉸鏈軸轉動 , 從而夾緊工件。圖 1　基于有桿活塞缸的斜楔增力夾具原理圖該夾具液壓缸軸線方向上尺寸過大 , 結構不緊湊 ; 活塞桿剛性較差 , 因而需在斜楔下面設計支承元件。為此 , 我們設計了 2 種用無桿活塞液壓缸代替有桿活塞液壓缸的斜楔增力夾具 , 一種是基于無桿活塞缸的單面斜楔增力夾具 , 活塞做成單面斜楔狀 , 用于單向夾緊工件的場合 , 見圖 2。另一種是基于無桿活塞缸的雙面斜楔增力夾具 , 活塞做成雙面斜楔狀 , 用于雙向夾緊工件的場合 , 見圖 3。圖 2　單面斜楔增力夾具　　圖 3　雙面斜楔增力夾具當活塞在液壓缸左腔液體壓力的作用下向右運動時 , 活塞上的斜面作用于滾輪 , 使?jié)L輪驅動杠桿式壓板繞固定鉸鏈軸擺動 , 進而夾緊工件。工件夾緊后 , 在保持油壓不變的情況下可對工件進行加工。加工完畢后使換向閥切換至右位工作 , 活塞向左運動 ,杠桿式壓板在復位彈簧 (圖中未予示出 )作用下反向擺動 , 從而松開工件。不難看出 , 對于基于有桿活塞缸的夾具而言 , 具有同樣功能的無桿活塞缸夾具在軸線方向上的尺寸大大減小 , 使得夾具的總體結構變得簡單緊湊。此外 , 由于沒有了外伸的活塞桿 , 增強了剛性。通過建立數(shù)學模型 , 可得圖 2 所示機構的夾緊力 F c 的計算公式為 :F c = PD2p l1G4l2 \[ tan (A+ U1p ) + tanU2 ] (1)圖 3 所示機構的夾緊力 F c 的計算公式為 :F c = PD2p l1G8l2 tan (A+ U1p ) (2)式中 : p —— 液壓油的工作壓力 ;D —— 液壓缸的內徑 ;l1、 l2—— 杠桿主動臂與被動臂的長度 ;G—— 杠桿的傳遞效率 , 通常取 G= 0. 97;A—— 斜楔角 ;U1p—— 滾輪的當量摩擦角 ;U2 —— 活塞與缸的摩擦角。tanU1p = (rf 1) R (f 1 為滾輪與其轉軸之間的摩擦因數(shù) , r 為滾輪轉軸半徑 , R 為滾輪外圓半徑 ) ;U2 = arctanf 2 (f 2 為活塞與缸壁間的摩擦因數(shù) )。基于對稱連桿式二次正交增力浮動機構的氣動夾具蘇州大學機電工程學院 (215021)　林杰　芮延年氣壓傳動是一種“準綠色”的傳動技術 ; 缺點是系統(tǒng)壓力 p 不可能太高 (一般 p = 0. 4～ 0. 7 M Pa) ,因而往往造成夾具體積過于龐大。因此 , 在要求輸出力較大的場合 , 人們常利用不同類型的增力機構 , 對壓縮空氣作用于活塞上的軸向力加以放大 , 然后再進行輸出。此外 , 較多夾具需要 2 點浮動夾緊 , 一般都是采用附加的浮動機構 , 這使結構復雜 , 且夾緊力不夠大。為此 , 我們設計了集增力與 2 點浮動夾緊功能于一體的新型夾具 , 運用二次正交對稱機構與無桿氣缸結合 , 使整個夾具結構緊湊 , 輸出力大。1. 工作原理夾具工作原理如圖 1 所示 , 在無桿活塞式氣缸的活塞中部設計有 1 個徑向孔 , 以適當間隙與滑塊·44· 《新技術新工藝》·機械加工與自動化　 2004 年　第 10 期配合 , 并通過鉸鏈與連桿連接而形成移動副。當無桿缸活塞在上腔的壓縮空氣的作用下向下運動時 , 使徑向孔中的滑塊隨著向下運動 , 通過對稱正交連桿作用 , 使得兩壓頭同時向下運動輸出作用力 , 從而夾緊工件。如下腔進壓縮空氣 , 則壓頭向上運動 , 松開工件。圖 1　工作原理圖由圖 1 可以看出 , 由于工件上承受夾緊力的2 點不可能絕對等高 , 且夾緊機構各個構件的尺寸也不可能制造得絕對精確 , 因而用常規(guī)的夾緊機構不可能對 2 點均勻施壓。而該夾具中的滑塊能夠根據(jù)工件 2 點的位置在活塞徑向孔中作自動適應性滑動調整 , 在保證 2 點均壓的同時 , 基本保持了夾具結構的簡潔、緊湊。2. 力學計算不考慮壓頭的浮動 , 通過建立力學模型 , 圖 1 所示夾具系統(tǒng)的 2 個壓頭的輸出力總和與輸入力之比i 可用式 (1)計算 :i = 1 + A 1B 3A1B 2 + A 1B 3(1)式中 A、 B為連桿的壓力角 (見圖 1) ; H1、 H2、 H3 為鉸接中心 O 1、 O 2、 O 3 處的當量摩擦角 ,A 1 = tan (A+H1) , B 2 = tan (B+ H2) ,B 3 = tan (B+ H3) , 其通用計算公式為 :H= arctan f dl (2)式中 d 為相應鉸接處鉸鏈軸的直徑 ; l為連桿兩端鉸鏈孔的中心距 ; f 為鉸鏈副的摩擦因數(shù)。3. 力學特性討論與應用由式 (1)可以得出實際輸出力 FO 為 :FO≈ 1 + A 1B 3A1B 2 + A 1B 3PD 2p4 (3)式中 D 為氣缸內徑 ; p 為氣缸內壓縮空氣壓力。壓力角 A、 B的值越小 , 二次正交對稱增力機構的力放大效果越顯著。例如當 f = 0. 1, d = 10 mm ,l = 100 mm 時 , 由式 (2) 可計算得 H≈ 0. 6° , 若設計時采用的壓力角 A= 10°、 B= 15° , 由式 (1) 算得增力系數(shù) i≈ 11。在如此小的空間結構內能達到 11 倍的力放大效果 , 這是一般增力機構極難做到的?？梢?, 采用二次正交對稱增力機構能夠顯著減小系統(tǒng)的體積。例如某夾具要求實際輸出力 FO = 15kN , 若采用系統(tǒng)壓力的氣缸直接作用 , 可算得氣缸直徑 D≈ 200 mm。而采用同樣系統(tǒng)壓力的圖 1 所示夾具 , 并取壓力角 A= 10°、 B= 15° , 經(jīng)式 (3) 計算得 :D≈ 55 mm。由以上所述 , 可見 , 對稱式二次正交連桿浮動夾具不僅夾緊力大 , 在輸出力一定的條件下 , 可顯著減小氣缸直徑及整個夾具的體積。且由于采用了無桿活塞式氣缸 , 不僅簡化了結構 , 實現(xiàn)了浮動夾緊 , 而且相關的密封部位由動密封轉變?yōu)殪o密封 , 氣體泄漏容易得到控制。采用二次正交對稱增力機構的力放大作用 , 能在一定程度上克服氣壓傳動系統(tǒng)壓力小的缺點 , 從而可在某些場合代替液壓傳動夾具 , 適應了現(xiàn)代傳動技術向少、無污染方向發(fā)展?；跓o桿活塞缸的杠桿式壓板液體傳動夾具蘇州大學機電工程學院 (215021)　鐘康民在設計基于杠桿式壓板的液體傳動夾具時 , 經(jīng)常受到機構自由度不夠的困擾。因杠桿式壓板的運動方式為擺動 , 液體缸中活塞為直線運動 , 若液壓缸固定 , 勢必造成整個裝置的自由度為零。采用鉸接缸雖然能解決這一問題 , 但鉸接缸剛性差 , 且缸體擺動與活塞的直線運動同時進行 , 容易引發(fā)沖擊和噪聲。為此 , 設計出一種基于無桿活塞缸的杠桿式壓板液體傳動夾具 , 較好地解決了上述問題。該夾具原理見圖 1, 在液壓缸無桿活塞中部設計 1 個圓柱形的徑向孔 , 耐磨襯套以過盈配合壓入該孔中 , 杠桿式壓板右端球頭部與耐磨襯套為間隙配合。當活塞上、下運動時 , 杠桿式壓板繞固定支點擺動 , 壓緊或松開工件。圖 1　基于有桿活塞缸的斜楔增力夾具原理圖杠桿式壓板的左端也為球形 , 并壓入了 1 個球冠狀壓緊元件 , 這可使壓緊工件時為面接觸 , 以降低工件夾緊部位的接觸應力 , 尤其適用于對材料強度較低的輕合金工件的壓緊。該夾具與有桿活塞缸相比 , 結構緊湊 , 制造工藝性好 , 剛性高。·54·《新技術新工藝》·機械加工與自動化　 2004 年　第 10 期