气动肌腱驱动的基于增力铰杆-恒增力杠杆的压紧装置设计.pdf

2 0 1 1年 8月 第 3 9卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 1 0 气动肌腱驱动的基于增力铰杆 一 恒增力杠杆的压紧装置设计 秦培亮 ，钟康民 1 ．苏州大学机 电学院，江苏苏州 2 1 5 0 2 1 ； 2 ．苏州农业职业技术学院机电与信息工程 系，江苏苏州 2 1 5 0 0 8 摘要介绍一种气动肌腱驱动的基于增力铰杆 一恒增力杠杆的压紧装置，分析其工作原理，并给出相应的力学计算公 式。利用气动肌腱输出力／ 直径比大、输出力／ 质量 比大的突出优点，该装置能够显著地对输入力进行放大，增力效果明 显，没有污染，是一种绿色的压紧装置。 关键词 气动肌腱；增力机构；铰杆 中图分类号 T H1 1 2 ；T G 7 5 6 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 0 2 8 2 De s i g n o n Fo r c e Cl a mpi ng De v i c e Ba s e d o n To g g l e Fo r c e Ampl i fie r ． f o r c e Le v e r Dr i v e n by Pne u ma t i C M us c l e Q I N P e i l i a n g ． Z HO N G K a n g mi n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，S o o c h o w U n i v e r s i t y ，S u z h o u J i a n g s u 2 1 5 0 2 1 ，C h i n a 2 ．De p a r t me n t s o f I n f o r ma t i o n a n d Me c h a n i c a l Eng i n e e r i n g， S u z h o u P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r e ，S u z h o u J i a n g s u 2 1 5 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w k i n d o f f o r c e c l a mp i n g d e v i c e b a s e d o n t o g g l e f o r c e a mp l i fi e r f o r c e l e v e r d riv e n b y p n e u ma t i c mu s c l e w a s i n t r o ． d u c e d ． Th e w o r k i n g p ri n c i p l e o f t h e d e v i c e wa s a n a l y z e d ． S o me c o r r e s p o n d i n g me c h a n i c s c a l c u l a t i n g f o r mu l a s o f o u t p u t f o r c e w e r e p r o v i d e d ． U t i l i z i n g t h e o u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s o f p n e u ma t i c mu s c l e s u c h a s l a r g e r a t i o b e t we e n o u t p u t f o r c e a n d d i a me t e r ， l a r g e r a t i o b e t w e e n o u t p u t f o r c e a n d we i g h t ， t h i s d e v i c e h a s a g o o d e f f e c t o f f o r c e a mp l i f y i n g w i t h n o c o n t a mi n a t i o n ． I t i s a g r e e n - o ri e n t e d d e v i c e ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c mu s c l e； F o r c e a mp l i fi e r ；T o g g l e 气动肌腱是一种功率／ 质量 比高、功率／ 直径 比 大、能提供双向拉力的新型气动柔性执行元件。它 是一个高效的能量转换器 ，其本身没有相对运动元 件，它模仿 自然肌腱的运动，如同很多动物的肌 肉 那样产生很强的收缩力⋯。与传统气缸相比，它有 很大的初 始拉伸力 。与液压缸相 比质量轻 ，惯 性 小，抗污、抗尘 能力强 ，摩 擦小 ，无相 对运动 部 件，无易损件 ，无泄漏现象 ，同时因具有柔性而不 会损坏相关部件。人们对气动肌腱的研究 ，主要集 中于其内部力作用机制的建模计算方面 ，而对 于这种新型气动执行元件 的应用技术领域的创新 ， 则较少涉及。基于这种情况，作者设计了气动肌腱 驱动的基于增力铰杆 一恒增力杠杆 的压紧装置 ，该 装置利用铰杆间的角度效应及恒增力杠杆的长度效 应进行输出力的放大 ，适用于气动执行元件输出力 放大的场合 ，如机床夹具等。 1 工作原理 气动肌腱驱动的基于增力铰杆 一恒增力杠杆的 压紧装置的工作原理如图 1所示。该压紧装置由大 小两个气动肌腱、恒增力杠杆、铰杆以及力输 出件 组成，当压缩空气充人大直径气动肌腱内部后 ，它 就产生相应的收缩力 ，通过柔索利用铰杆间的角 度效应对收缩力进行第一次放大，再 由杠杆的长度 效应产生二级力放大，从而得到最终的压紧力 F ， 达到压紧工件的 目的。当压缩空气撤除后，大直径 气动肌腱恢复到松弛状态 ，与此 同时小直径气动肌 腱 内部充人压缩空气 ，产生另一个收缩力 F，在其 作用下，力输出件又回复到初始位置，利用恒增力 杠杆代替一般杠杆 ，使得输出力 的放大效果更加显 著 。 在实 际应用 中，该压紧装置可以在气 动肌腱体积 大小一定的情况下，通过铰杆及杠杆的增力作用显著 增加夹紧力的大小 ，又可以在夹紧力要求一定的条件 下，减小整个系统的体积。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7一 O 9 作者简介秦培亮 1 9 8 1 一 ，男，硕士研究生，主要从事机械设计及制造方面的教学与研究。电话 1 3 3 7 2 1 7 4 7 7 9 ，Em a i l q p 1 5 5 6 0 1 2 6 ． c o rn。 第 1 6期 秦培亮 等气动肌腱驱动的基于增力铰杆 一恒增力杠杆的压紧装置设计 2 9 气 c Fj 图 1 气动肌腱驱 动的基于增力铰 杆 一恒增力杠杆的压紧装置 2力学分析 根据建立的力学模型，输出力 F 的计算公式为 Z ． F。 式 中F ， 为大直径气动肌腱收缩力 ； 为如 图 1 所示 的理论压力角 ； 卵为机构的机械传递效率 ； 为铰杆两铰接处的当量摩擦角， a r c s i n ，其中r 为铰链中心距 ，z 为铰链轴的半径； ．厂 为铰链副的摩擦因数 ； z 。 为恒增力杠杆主动臂的长度 ； f 为恒增力杠杆被动臂 的长度 。 3应用举例 设 采用 MA 2 2 0型号气 动肌腱 ，气 动肌腱 输 人力 F ， 1 2 0 0 N，O t 5 。 ， 5 。 ，Z 1 4 0 c m，Z 2 1 0 c m，卵 0 ． 9 5 ，分别将其代人式 1 ，计算得气 动肌腱压紧装置的输出夹紧力 F 1 2 9 5 5 N 。设在气 缸压强0 ． 4 M P a 的条件下，如用气压缸活塞直接输出 与 F 同样大 的压力 ，则气缸直径应为 2 0 3 m m，而 MA 2 2 0型号气动肌腱直径仅有 4 3 m m，只有气缸直 径的 1 ／ 5左右，极大地减小了装置的体积。 4结束语 气动肌腱作为一种新型的柔性拉伸执行元件，具 有许多传统气缸所不具备的优点 ，能较好地适应传动 技术绿色化这一发展潮流。该装置以气动肌腱作为动 力源 ，工作效率高、结构紧凑 、具有较大 的增力特 性，是一种非常实用而又新颖的创新设计。希望文中 的研究内容能够让更多的工程技术人员关注气动肌腱 的研究和应用 ，从而使其在工程上的应用范围更加广 泛 。 参考文献 【 1 】王雄耀． 介绍一种气动新产品 仿生气动肌肉腱[ J ] ． 液 压气动与密封 ， 2 0 0 2 1 3 1 3 5 ． 【 2 】李宝红， 刘军 ， 杨钢． 气 动人工肌 肉系统建模与仿真 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 7 2 3 2 8 ． 【 3 】隋立明， 包钢， 王祖温． 气动人工肌肉驱动关节特性研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 3 3 5 ． 【 4 】梁金生， 曹巨江． 提升转位机械手用的凸轮传动装置 [ J ] ． 轻工机械， 2 0 0 4 4 1 0 81 0 9 ． 上接 第 1 2页 变 化。根据实际测试的结果 ，安装附件时滑枕挠度 的 变化比滑枕移动时 自身挠度变化幅度大。上面所述的 补 偿方式 中 ，拉杆 所 产生 的 补偿 效果 已满足 不 了要 求 ，因此 须采用其它的补偿方式 。如 图 4 所 示 ，在主 轴箱前端滑枕下部安装了一块油腔板，通过电液比例 阀控制油腔板上的油压，从 而调整油腔板产生的推 力 ，使滑枕向上 “ 抬起” ，从而对滑枕因附件重量产 生的挠度变化进行补偿。实践证明，这种补偿方式可 以明显减小 向导轨副的变形 ，对于y向进给采用单 丝杠 或是 双丝杠的驱动方式均适用 。 4结论 作者详细论述了落地铣镗床主轴系统精度补偿 的方法，各种补偿方法都各有特色，但单一补偿方 法往往作用并不 明显 ，需要 同时使用几种补偿 方 法。在应用过程中可根据实际结构形式选用某些组 合，这样能够有效地提高补偿效果 ，进而提高机床 的工作 精度 。 参考文献 【 1 】毕承恩， 丁乃建， 杨惕新． 现代数控机床[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】刘建林． 具有反馈的落地铣镗床主轴箱补偿系统[ J ] ． 设计与研究， 2 0 1 0 2 7 5 7 6 ． 【 3 】戴晨， 刘小鹏 ， 张文桥． T K 6 9 1 6 B数控落地铣镗床补偿系 统分析[ J ] ． 湖北工业大学学报， 2 0 0 7 8 4 5 ．