基于气动肌腱与二次正交铰杆增力机构的夹具系统.pdf

基 于 气 动 肌 腱 与 二 次 正 交 铰 杆 增 力 机 构 的 夹 具 系 统 口司广琚 口王明娣 口钟康民 苏州大学 机 电工程学院苏州2 1 5 0 2 1 摘要简述了气动肌腱作为一种新型的柔性气动执行元件， 具有许多普通气缸所不具备的特性 ， 能较好地适应制 造技 术绿 色化发展趋势 ， 将气动肌腱 与各种形式 的机械增力机构相结合 ， 是一种 实用而又新颖的创新设 计方法。 在 此基础 上 ， 介绍 了两种 以气动肌腱为驱动力的二 次正交铰 杆增 力气动 夹具的结构特点、 工作原理 ， 并给 出了其力学计 算式 。 关键词 气动肌腱铰杆增 力机构增力系数绿色夹具 中图分类号 T G 7 5 1 ； T H1 3 8 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 4 0 0 6 8 0 3 气 动肌 腱 是 一种 功 率 一质 量 比高 、 能提 供双 向拉 力 的新 型 气动 柔 性执 行 元 件 。 它 不是 一 根普 通 的橡 胶 管 ， 而 是 一 个 高 效 的 能 量 转 换 器 ， 无 相 对 运 动 构 件 ， 无 易损 件 ， 无 泄漏 现 象 。 因此 ， 它 与传 统 气 缸相 比不 但 结 构 简 单 、 摩擦 小 、 无污 染 ， 而 且 能产 生相 当于 同径 气缸 数 倍 的拉伸 力 】 ， 能 较好 地 适 应 制造 技 术绿 色 化 的发 展 趋 势 。 因此 ， 近年 来 气 动肌 腱 受 到 了广泛 关 注 ， 并 陆 续 出现 了 以气 动肌 腱代 替 传 统气 缸 的传动 技术 。 利用 机 械增 力机构 的力 放 大作用 ， 与 气动 肌腱相 结合 ， 形成 新 型 的气 动 一机 械 复合 传 动 系统 ， 可 以实 现气 压传 动 与 机械传 动在 技术上 的优势互 补 ， 大大 简化 系统结 构 。 特 别是 在需 要 较 大输 出力 而 结构 尺 寸受 限制 的场合 ， 有很 大 的应 用 空间 。 另外 也 可在某 些场 合 中 ， 用 相对 绿 色 化 的气 压 传 动技 术 ， 来 取 代 容易 产 生空 气及 地 面 污 染 的液压传 动技术 。 1 铰杆增力机构简介 铰杆增 力 机 构是 一 种 仿 生机 构 ， 因其 具有 力 放大 效 果显著 、 力 传递效 率 高等显 著优 点 ， 在机械 工程 领域 得 到 了极 为 广 泛 的应 用 _ I 8 】 。 但 是 ， 在此 之 前应 用 于 - 1 - “ 程领域 的 铰杆增 力机 构一 般 只x ,-J - ． 人力进 行一 次放 收稿 日期 2 0 0 7 年 l 1 月 大 _ I 6 】 ， 涉 及 到 二 次 的 非 常 少 ， 而 二 次 铰 杆 增 力 机 构 的力放 大 倍数 ， 一般 能 比单 次 铰 杆 增力 机 构增 加 一 个 数 量 级 。 二 次 铰 杆 增 力 机 构 是 一 种 串 联 组 合 机 构 ， 其 类 型 是多 种多 样 的。 仅从 输 出运动 的方 式来 看 ， 既有 输 出力 与 输 入 力 方 向 相 同 或 平 行 的 机 构 ， 也 有 输 出 力 与 输 入 力 方 向不 相 同或 不平 行 的 机构 ； 既有 输 出直线 运 动 的 机构 ， 也有 输 出圆弧 曲线运 动 的机 构 ； 既有单 向输 出运 动 的机 构 ， 也 有双 向输 出运 动 的机 构 ； 既有 只包 括 1 个 力输 出件 的机构 ， 也 可 以有 包括 2 个 并行 的力 输 出件的 机 构 。 此 外 ， 铰 杆机 构 本身 也 有 好 几 种形 式 ， 如 单 臂铰 杆 机 构 、 不 等 长 双 臂 铰 杆 、 等 长 双 臂 铰 杆 等 。 2 气动肌腱与二次铰杆增力机构的组合系统 上 述 众 多 类 型 的 二 次 铰 杆 增 力 机 构 ， 与 气 动 肌 腱 进 行 串联 组 合 ， 能得 到许 多形 式 的气 动 一机 械 复合传 动装 置 ， 在此 ， 我们 仅介绍 两 种采用 二 次正 交 铰杆增力 机 构 的 、 且输 出运 动 为单 向直 线 运 动 的典 型 复合 传动 装 置 ， 并结合 图例对 它们进 行分 析 与 比较 ， 还 对其 力学 与技术 性 能进 行讨 论 。 所 谓 正 交机 构 ， 是 指输 入 力 方 向进行 正 交 变 向后 进 行 输 出 的机 构 ， 即一 次 正 交 机构 的输 出 力与 输入 力 3 结论 本 文 在对 P r o ／ E软件 特 点 、 企 业 - 1 - 装设 计 特 点 以 及 P r o ／ E 在 工 装 快 速 设 计 中 的 应 用 可 能 性 进 行 分 析 的基础上 ， 以单 件 小批 生产 中常用 的组 合夹具 为例 ， 介 绍 了 P r o ／ E族 表 和 U DF在工 装快 速设 计 中的应用 ， 进 而说 明 了实施 工 装标 准 化后 ， 借 助于 P r o ／ E软 件 的参 数 化 功 能 及 二 次 开 发 - 1 - 具 ， 可 以 进 一 步 提 高 工 装 设 计 质 量 ， 加 快 工 装 设 计 速 度 。 2 0 0 8／ 4 参 考 文 献 1 黄健宇． 实施工装标准化提高工装和产品设计制造质量与效 率 f J 】 ． 机械工业标准化与质量 ， 2 0 0 2 ， 1 2 7 2 9 ． 2 谭雪松， 主编． P r o ／ E N G I N E E R Wi l d f i r e中文 版基础教程 【 M】 ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 5 ． 3 蔡冬根， 主编． P r o ／ E N G I N E E R2 0 0 1 应用培训教程【 M】 ． 北 京 人民邮电出版社， 2 0 0 4 ． △ 编 辑 方 也 机械制造4 6 卷 第5 2 4 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 方 向 相 垂 直 [ 3 ． ， - - 0z t 交 机 构 的 输 出 力 与 输 入 力 方 向 相 同 或 平 行 [ 7 ． 。 2 、 1非 对 称 布 局 的 气 动 肌 腱 与 单 臂 铰 杆 一等 长 双 臂 铰 杆 串联 机 构 的 组 合 装 置 单臂 铰杆 一等 长 双臂铰 杆 二次 正交 串联 机构 与气 动 肌腱 组 成 的气 压 一机 械 复合 传 动 装 置 ， 有非 对 称 布 局 与 对 称 布 局 两 种 空 间 布 局 方 式 。 非 对 称 布 局 装 置 的 工 作 原 理 如 图 1 所 示 。 当气 动肌 腱 内部充 入 压 缩空 气 后 ， 就 会 在 产生 径 向膨胀 的同 时伴 随 着轴 向 收缩 ， 从 而 提供 一 个 轴 向收 缩 力 。 该 收 缩 力 通 过 单 臂 铰 杆 一等 长 双 臂 铰 杆 串 联 机 构 进行 - - 0 z 力 放大 后 ， 传 递 到 力输 出件上 ， 最后 由力输 出件 以向上直 线运 动方 式输 出 ， 施 加 到作 用对象 上 ； 当 压 缩 空 气 撤 除 后 ， 气 动 肌 腱 恢 复 到 松 弛 状 态 。 力 输 出 件 在 自动 复位 机 构 图 中未 示 出 ， 一 般 为 弹 簧 式 或 重 力 式 的 作 用 下 ， 返 回 到 初 始 位 置 。 图1 所示 装置 的理 论输 出力 。 的计 算式 为 F o t- 寺 一 1 1 式 中 、 ／ 3 为 理 论 压 力 角 ； 为 气 动 肌 腱 的 收 缩 力 。 考 虑力传 递摩 擦 损失 后 的输 出力 ， 为实 际输 出力 。 图 l 所示 装置 的实 际输 出力 。 的 计算式 为 丽击 上 舒 一 1 ] 2 式 中 - 为单臂 铰 杆 的 当量 摩擦 角 ； 为 双臂铰 杆 的 当 量 摩擦 角 ； T为 力 输 出元 件 与 其 导 向孔 内壁 之 间 的 当 量摩擦 角 。 不 同条 件下 的摩 擦 角 与 当量 摩擦 角 的计算 ， 见参 考 文 献 l _ 【 。 2 ． 2对称 布局 的 气动肌腱 与单臂铰 杆 一等 长双臂 铰 杆 串联 机 构 的 组 合 装 置 对 称布 局 的气动 肌腱 与单 臂铰 杆 一等长 双臂 铰杆 串 联 机 构 的 组 合 装 置 如 图2 所 示 。 图2 所 示 装 置 的 工 作 原理 与 图 1 所示 装 置 是相 同 的。 所 不 同 的仅 仅是 ， 该装 置 巧妙 地利 用 了气 动肌 腱 能 提供 双 向张 力 的功 能 ， 从 而仅用 一个 气动 肌腱 就可 以同时 驱动 两个 对称 的单臂 铰杆 一等 长 双臂 铰 杆 串联 机 构 ， 最 后 在 力 输 出件 上得 到 一 个 总 的输 出力 。 图 2 所 示 装 置 的理 论 输 出 力 和 实 际 输 出 力 p 2 的计算 式分别 为 ， 1 、 【 一1 F i 3 p 2 【 ‘ 面 I一 一 1 J F i W w 4 式 中 -q 为滑 轮 的力传 递效 率 。 对 比式 1 与 式 3 、 式 2 与 式 4 发 现 ， 图2 所 示 装 置 的理论输 出力是 图 1 的2 倍 。 而其 实 际输 出力 ， 在不 考虑 仉 的情况下 ， 却 是 图1 的2 倍多 。 因为在 式 4 括号 内的后 一项 的分子 上 ， 不 存 在 [ 1一t a n 卢 t a n T】 这 一 项 ， 而这 一 项 的数 值 肯 定小 于 1 。 出现这 一 现象 的原 因在 于 ， 图2 所示 装 置 的力 输 出件 ， 在 径 向上 所 受 的力 是 对 称 平 衡 的 ， 所 以 其 与 导 向 孔 内 壁 之 间 ， 理 论 上 不 存 在力传 递 的摩擦 损失 。 这 也说 明 ， 对 称 布局 装 置 的力传 递效率 ， 要 高于 非对称 布局 装置 。 3 应用计算举例 例 如 ， 我 们 在 图2 所示 装置 中 ， 取 5 。 ， 。 1 。 的值 为统 计平 均 的概 略 值 ， 叼 0 ． 9 5， 如选 取 F E S T O系列 产 品 中型号 为 MAS ． 2 0 的 气动 肌腱 为驱 动元 件 ， 当气压 为0 ． 5 MP a且 在 允许 工 作 范 围 内时 ， 其 产 生 的 最 大 收 缩 力 为 Fi 1 2 0 0 N， 最 小 收 缩 力 为 2 2 0Nt 。 若取 1 0 0 0N， 图2 所示 装 置 的实际 输 出 力 F o 8 5 0 4 7 N。 如果 选用 传统 的 刚性气 缸 由活 塞杆 直接 输 出作 用 力 ， 在 气 压 为 0 ． 5 MP a的 情 况 下 ， 要 获 得 8 5 0 4 7 N 的 输 出力 ， 经计 算气 缸 直径 需 为4 6 5 mm； 而 图2 所示 装置 中 2 0 0 8 ／ 4 回 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的气 动 肌腱 ， 在 自由状态 下 正 常直 径仅 约 为2 0 mm。 所 以 ， 采 用 气 动 肌 腱 与 增 力 机 构 进 行 组 合 ， 在 许 多 场 合 中 2 可 以代替 传统 刚性 气 缸 ， 在 获得 较 大输 出力 的 同时 又 可 使 结构 紧 凑 ； 另一 方 面 ， 如 果采 用 液 压传 动 ， 仍 由 活 3 塞 杆直 接输 出 同样 的作 用力 ， 在 液体工 作压 力为2 MP a 的情况 下 ， 要 获得 8 5 0 4 7 N 的输 出力 ， 经 计算 液压 缸直4 径需 3 2 3 3 mm。 这 一计 算 结 果表 明 ， 在 某些 场合 下 ， 用 基 于气 动 肌腱 的气 动 一机 械复 合传 动 装 置 ， 取代 容 易 5 产生 空气及 地 面污染 的液 压传 动装 置 ， 是 完全可行 的。 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 多普 通 气 缸所 不具 备 的优 点 ， 能 较好 地适 应 传 动 技 术 绿 色化 发 展潮 流 。 将 柔 性气 动 肌 腱 与各种 形 式 的 7 机 械 增力 机 构 相结 合 ， 是 一 种非 常 实 用 而又新 颖 的创 新 设计 方法 。 我们 希望 本文 的发 表 ， 能引起 同行人 士 的 8 关 注 ， 使气 动 一机 械 复合 传 动 技 术得 到 较快 的应用 推 广 和 不断 进步 ， 从 而对 加 快机 械设 计 与制造 技 术 的绿 9 色 化进程 ， 做 出具 体 的 、 实 质性 的贡献 。 参 考 文 献 1 王雄耀． 介绍一种气动新产品仿生气动肌肉腱 ⋯ ． 液压 气 动与密封， 2 0 0 2 ， I 3 1 3 5 ． 林文焕， 陈本通编著． 机床夹具设计[ M】 ． 北京 国防工业出 版社， 1 9 8 7 ． E d w a r d G H o ff m a n ． J i g a n d F i x t u r e D e s i g n [ M】 ． A l b any ， U S A De l ma r P u b l i s h e r s ， 1 9 9 6 ． 钟康民， 郭培全， 胡秉辰． 正交增力离心式离合器f J 】 ． 机械工 程学报， 2 0 0 0 ， 4 3 8 4 0 ， 4 4 ． 陆雯， 钟康民． 平行同步双边铰杆增力机构及其在液压传动 中的应用 [ J 】 ． 工程机械， 2 0 0 5 ， 1 4 54 6 ． Z h o n g K a n s ml n 。Gu o P e i q u an ． O r t h o g o n a l R e i n f o r c e me n t Me c h - ani s m and Hy d r a u l i c D r i v e [ C 】 ． P r o c e e d i n g s o f T e n t h Wo r l d Co ng r e s s o n t h e Th e o r y o f Mac Mn e s an d Me c h a n i s ms ．Ou l u ，F i ul- a n d ， 1 9 9 9 ． 陆雯， 王兵， 钟康民． 气动肌腱与铰杆增力机构的三种组合系 统及其比较[ J 】 ． 机械设计， 2 0 0 5 ， 2 2 2 5 2 5 4 ． R o b e r t L ． N o r t o n [ U S A] 著， 陈立周， 等译． 机械设计 一 机器和 机构综合与分析[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 王西彬． 绿色切削加工技术的研究⋯ ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 8 69 ， 1 4 ． △ 编 辑 功 成 富 士 电机2 0 0 8 新 春 新 品发 布 会 2 0 0 8 年3 月1 7日， 富士电机在上海新锦江大酒店举办了 “ 富士电机2 0 0 8 新春新品” 发布会 ， 具体新品有 1 高性能多功能型变频器 F R E N I C - ME G A系列 基本 型和 E MC滤波器 内置型 ◆新产品优点 具备的功能有 脉冲列输入 、 制动信号输出、 比率运转、 P I D、 零速控制、 S字型加减速范围设定、 显示变频器累计运转 时间、 变频器启动次数 警报、 商用运转时设备 装置的累 积时间以及启动次数等。 在操作面板上配备了 U S B接口。 2 G ． T WI N系列塑壳式断路器和漏电断路器 ◆新产品优点 ①符合全球主要标准； ②使用材料符合 R o ll S指令 ； ③ 采用了电弧、 气流控制断路方式； ④在业界率先采用了“ 兆测 试切换开关” 的标准配置 ； ⑤在三相回路中一相缺损的情况 下， 也能够对漏电进行检测并且工作。 3 按钮开关 mi n ic o AR 1 6 和 A F 1 6 系列 ◆新产品优点 【 A R I 6 系列的优点】 将面板的进深尺寸统一到2 8 ． 4咖 。 【 A F I 6 系列的优点】 将面板前面的高度缩短到2 mm A R1 6 系列为9 ． 5 m il 1 。 【 A RI 6 、 A F I 6 系列共同优点】 ①备有印刷电路板用插座、 快速接线用插座以及连接器 用插座等； ②符合全球主要标准 ； ③所使用 的材料均符合 E U ／ R o H S指令。 4 伺服系统 A L P H A 5 系列 ◆新产品特点 ①简单 P T P P o i n t t o P o i n t 定位 ； ⑦1 台3 用 ； ③简单连 接 通用通信伺服； ④基本性能 配置新高速伺服控制引擎 1 5 0 0 I- I z ； 电机旋转速度的高速化6 0 0 0 r ／ ra i n ； 高分辨率编码 器1 8 位 A B S ／ I ／ C 2 6 2 1 4 4 脉冲／ 回转 、 2 0 位 I N c 1 0 4 8 5 7 6 脉冲／ 回转 。 5 人机界面 MO N I T O U C H V 8 系列 ◆新产品优点 ①6 5 5 3 6 色真彩显示； ②1 6 7 7 万色和每秒3 0 帧视频显 示； ③ F L A S H R O M 1 3 M B ／ S R A M 5 1 2 K B ； ④对应8 Wa y 通讯 ； ⑤标配串行3 e h R S一 2 3 2 C ／ 4 8 5 ； ⑥标配1 0 0 B A S E一“I X以太 网 E the me t ； ⑦复合配件； ⑧充实的开关功能 多位开关等 ； ⑨标配 U S B 2 e h ； ⑩ C F卡和双驱动同时使用。 本刊讯 2 0 0 8 ／ 4 机械制造4 6卷 第5 2 4期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m