基于三次正交铰杆增力机构的绿色气动夹具设计.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9 卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 4 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 4 ． 0 1 5 基于三次正交铰杆增力机构的绿色气动夹具设计 吴凡 ，钟康 民 1 ．苏州大学机 电工程学院，江苏苏州 2 1 5 0 2 1 ；2 ．苏州农业职业技术学院，江苏苏州 2 1 5 0 0 8 摘要设计一种基于三级正交铰杆增力机构的气动夹具 ，分析其工作原理，给出机构的增力系数和夹具输出力的计算 公式。该夹具利用正交铰杆机构的角度效应 ，对气缸的输入力进行三次放大，增力效果明显，技术性能较为完善 ，克服了 气压传动夹具因压力较低导致夹紧力不大的缺点 ，可在一定范围内代替容易产生环境污染的液压传动夹具，绿色化特征突 出。 关键词气压传动；夹具；正交增力机构 ；铰杆；压力角 中图分类号T H1 3 8 T H 1 1 2 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 4 6 2 De s i g n o f Gr e e n Pn e u ma t i c Cl a mp i ng De v i c e Ba s e d o n Thr e e S t a g e d Or t ho g o na l To g g l e Fo r c e - a mp l i fie r W U Fa n ， _．ZHONG Ka 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 ． 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 B a s e d o n t h e t h r e e s t a g e d o h o g o n a l t o g g l e f o r c e a mp l i fi e r ，a n e w k i n d o f p n e u ma t i c c l a mp i n g d e v i c e wa s d e s i g n e d ． I t s wo r k i n g p ri n c i p l e w a s i n t r o d u c e d，a n d t h e r e l e v a n t f o r mu l a o f f o r c e i n c r e a s i n g c o e f fi c i e n t a s w e l l a s t h e o u t p u t f o r c e w a s p r e s e n t e d ． B y u s i n g t h e a n g l e e ff e c t o f o rt h o g o n a l t o g g l e me c h a n i s m，t h e i n p u t f o r c e o f c y l i n d e r c a n b e i n c r e a s e d t h ri c e w h i c h r e s u l t s t o a s i g n i fi c a n t f o r c e i n c r e a s e e f f e c t an d p e r f e c t t e c h n o l o g y p e r f o r ma n c e ．T h i s e n v i r o n me n t f r i e n d l y me c h a n i s m c a n o v e r c o me t h e s h o r t c o mi n g o f t r a d i t i o n a l p n e u ma t i c fi x t u r e f o r t h e l o w p r e s s u r e w h i c h l e a d s t o a s ma l l c l a mp i n g f o r c e ，a n d c a n r e p l a c e t h e h y d r a u l i c fi x t u r e w h i c h p r o n e s t o e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n i n a c e r t a i n r a n g e ． Ke ywor dsPn e uma t i c t r a ns mi s s i o n；Fi xt u r e；Or t h o g o n a l f o r c e a mp l i fie r ；To g g l e；Pr e s s u r e a ng l e 相对 于液压传 动夹具来 说 ，气压传 动夹具具有下 述突 出优点 1 以清洁的压缩空气作为工作介质，不会产 生液压传动系统因油液泄漏与挥发而造成的环境污 染 ，是一种绿色化 的夹具技术。 2 总体成本显著低于液压传动夹具 ，是一种 经济的夹具技术。 3 工件 被 夹紧后 的切 削过 程 中 ，基本 不再 消 耗能量，是一种节能夹具技术。而一般液压传动夹 具 ，除了加设 蓄能器保 压 回路的之外 ，液压泵是始终 运转 的，由此造成无谓的能量消耗与系统发热 。 但是 ，气压传动有一个较为致命的缺点，即压缩 气体极容易泄漏，从而导致其工作压力较低 一般 为0 ． 4 0 ． 7 M P a 。在要求夹紧力较大的场合，往往 会造成夹具的体积过于庞大，以至于工程结构无法承 受。这时，夹具设计人员往往迫不得已依赖系统压力 高、夹紧力大，但却造价高、耗能多、污染大的液压 传动夹具。作者设计的基于三次正交铰杆增力机构的 气动夹具 ，利用铰杆间的角度效应 ，对气缸 的输入力 进行三次放大，弥补了气压传动压力不高的缺陷，从 而可在某些场合代替液压传动夹具。 1 工 作原 理 图 1 是基于三次正交铰杆增力机构 的双 向浮动 夹 紧气动夹具。当方向控制阀处于左位二 [ 作状态时，压 缩空气进入气缸左腔 ，推动活塞向右移动。活塞推力 通过活塞杆 及 浮动滚 子 的运 动 ，传递 到一 次 铰杆 机 构 ，导致铰杆机构的压力 角 O t 变小 ，通过角度效应第 一 次把活塞传递来的输入力放大；之后再传递到二次 铰杆 机构 ，导致铰杆机构 的压力角 变小 ，通过角度 效应第二次将输入力 放大 ；最后 通过 三次铰 杆机构 ， 导致铰杆机构的压力角 变小，通过角度效应第三次 将输入力放大，变为输出力 F ，并 由力输出元件传 递给工件，实现对上下两只工件的夹紧。此后，便可 对工件进行加工。加工完毕后，使方向控制阀处于右 位工作状态 ，压缩空气进入气缸右腔，活塞向左移 动，从而使加工完毕的工件得以松开 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 4 作者简介吴凡 1 9 8 l 一 ，女，硕士研究生，主要从事高职机电类专业课程的教学工作。电话 1 3 7 7 1 7 0 3 2 7 6 ，Em a i l e h e r r y w u f a n 1 2 6 ． c o n。 第 1 4期 吴凡 等基于三次正交铰杆增力机构的绿色气动夹具设计 4 7 件 2 2 2 ，力的放大倍数高达 2 2 2 ，4 t a n 6 。4 X0 ． 0 9 4 5 ⋯～ ⋯ ⋯⋯一 ～ ’ 图 1 基于三次正交铰杆增力机构 的双向浮动夹紧气动夹具 之所以在活塞杆上加工出一个矩形通孔 ，并在其 中以适当的间隙配合放置一个浮动滚子 ，是由于两个 工件的尺寸不可能完全一致 ，夹紧构件的各个相关尺 寸也不可能制造得绝对精确 ，如果将一次铰杆机构直 接铰接到活塞杆上，依靠夹具系统产生弹性变形而勉 强实现同时对两个工件进行夹紧，则不能保证上下两 个工件上承受相等的夹紧力。而浮动滚子具有力反馈 自动适应调节功能 ，可保证上下夹紧元件对两个工件 的夹紧力基本一致。 2力学计算 2 ． 1 力学计算公式 图1 所示夹具中，活塞杆的推力 F i 、三次正交铰 杆增力机构的增力系数 i 和夹紧力 F 的计算公式分 别为 F i 1 叶 ． 卵M ⋯ L z J4 t a n a t a n flt a n y 、 一面 ,r r d 2 面p 叼 1 6 t a n t a n t a n M 3 式中d为气缸直径； P为气压系统压力 M P a ；O ／ 、 、 为铰杆机 构理论 压力 角 如 图 1示 ；卵 为三 次正交铰杆增力机构的的力传递效率。通过经验统计 数据，在 O t5 。 左右时，叼 为 0 ． 7 5左右。 2 ． 2 应用计算举例 由公式 2 可见 ，图 1 所示夹具具有较大的力 放大效果，因此在输入气体压强较小的情况下 ，可以 得到较大的夹紧力。例如 取输入压强P 0 ． 5 MP a ， 气缸直径为 1 0 0 m m， 6 。 ，其增力系数 一 在机构体积如此紧凑的情况下 ，能拥有这样大的力放 大效果 ，这是一般增力机构所难以达到的。但是，应 该 指出的是 尽 管铰 杆机 构 的理 论压力 角 、 和 y 越小，增力效果越好，但是在实际机构中，由于制造 和装配误差等原因，理论压力角不能取得太小 ，一般 可取 O ／ ⋯ I5 。 。 假设上述参数不变，由公式 3 可以计算出夹 紧力 F 。 8 7 2 k N，则每个工件所受的夹紧力为 4 3 6 k N 。如果没有力放大装置作用，若要夹紧 2只工件， 则需要两个气缸分别作用。要得到相同的夹紧力，可 计算得每个气缸的直径为 d 一1 0 5 4 m m。这样大直径 的气缸，工程上一般是无法接受的。不难看出，采用 三次正交铰杆增力机构后，在输出的夹紧力和气压系 统压力一定的情况下 ，能够显著减少气缸的直径及整 个夹具 的体积 。 如果采用两个液压缸来分别夹紧2只工件，每个 工件所 受的夹紧 力 同样 为 4 3 6 k N ，取 系统压 力 P 5 M P a ，则可计算得液 压缸 d 一3 3 0 m m。这说 明，图 1 所示气动夹具能在一定范围内，代替液压传动夹具。 3总结 文 中提出的基 于三次正交 铰杆增力机构 的气 动夹 具 ，具有 以下 特点 1 技术功能较为完善 ，机构中各基本结构的 几何形状较为简单 ，制造方便。 2 利用三级增力机构 ，增力 效果 明显 ，在系统 压力一定的情况下，可显著提高输出的夹紧力；在输 出夹紧力一定的条件下，可显著减小整个系统的体积。 3 采用具有高倍放大功能 的机械增力机构， 能在一定范围内，用节能环保的气压传动技术，来取 代能源利用率低 、容易产生污染的液压传动技术，能 较好适应现代传动技术与制造技术 ，向绿色化方向发 展 的趋 势与潮 流。 参考文献 【 1 】 席川， 钟康民． 过临界点铰杆增力 自 锁液压 一 机械复合 加压装置[ J ] ． 机械制造， 2 0 0 7 1 6 6 6 8 ． 【 2 】司广琚， 钟康民． 绿色夹具 基于斜楔增力自锁机构的冲 击式气动夹具[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 1 7 3 7 4 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