一种新型多自由度组合液压缸设计.pdf

功能都件 F u n c l_0 n u n its 一 种新型多自由度组合液压缸设计 术 苗 玉刚①赵峰② 陕西理Z - - 学院机械工程学院， 陕西 汉 中7 2 3 0 0 3 ； 陕西理工学院陕西省工业 自动化重点实验 室， 陕西 汉 中7 2 3 0 0 0 摘要 针对机床夹具的自动化螺旋夹紧机构在工作过程中需要多自由度运动的问题 ， 设计 了一种新型多自 由度组合液压缸。该组合液压缸可以实现直线运动、 旋转运动和旋转直线复合运动 3种运动形式 。 技术性能完善、 控制简单、 安装方便 ， 不仅能够满足机床螺旋夹紧机构的需要 ， 而且为其他 多自由度 传动产品的设计提供 了一种研发思路。 关键词 螺旋夹紧机构 ； 多自由度运动 ； 组合液压缸 中图分类号 T H1 2 2 ； T H1 3 2 文献标识码 A De s i g n o f a n e w mu l t i d e g r e e o f f r e e d o m c o mb i n e d h y d r a u l i c c y l i n d e r MI AO Yu g a n g ① ． ZHAO Fe ng ② C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C H N； S h a a n x i K e y L a b o r a t o r y o f I n d u s t r i a l A u t o ma t i o n ，S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy，H a n z h o n g 7 2 3 0 0 0， C HN Ab s t r a c t F o r t h e p r o b l e m t h a t t h e a u t o ma t i c s c r e w c l a mp i n g me c h a n i s m o f ma c h i n e t o o l f i x t u r e n e e d s mu l t i d e - g r e e o f f r e e d o m mo t i o n，de s i g n a n e w mu l t id e g r e e o f f r e e d o m c o mb i n e d h y d r a ul i c c y l i n d e r ． T he c o m b i n e d h y d r a u l i c c y l i n d e r c a n r e a l i z e l i n e a r mo t i o n，r o t a r y mo t i o n，r o t a ry a n d l i n e a r c o mp o u n d mo v e - me n t ．I t i s o f g o o d t e c h n i c a l p e r f o r ma n c e，s i mp l e c o n t r o l ，e a s y i ns t a l l a t i o n，n o t o n l y c a n s a t i s f y t h e n e e d o f ma c h i n e t o o l s c r e w c l a mp i n g me c h a n i s m，b u t a l s o p r o v i d e a r e s e a r c h i d e a f o r o t h e r mu l t i d e g r e e o f fre e d o m t r a n s mi s s i o n p r o d uc t s ． Ke y wo r d s s c r e w c l a mp i n g me c h a n i s m ；mu l t i d e g r e e o f fr e e d o m mo t i o n ；c o mb i n e d h y d r a u l i c c y l i n d e r 在机械加工过程中， 工件 因受到切削力 、 离心力 、 惯性力等外力作用将产生移动 、 振动或变形 ， 为了保证 工件在定位元件上所 占有的确定位置在加工过程中保 持不变， 就要使用夹紧装置将工件可靠地夹紧⋯。在 组合机床夹具中， 常用的一种 自动化夹紧装置为螺旋 夹紧机构 见 图 1 ， 这种夹 紧机构的夹紧方式是通过 直线液压缸驱动加工有螺旋槽的夹 紧螺杆来实现的。 夹具体上安装有导向销 ， 夹紧螺杆上开设有 与之相配 合 的螺旋导 向槽 ， 当液压缸带动夹紧螺杆作往复直线 运动时 ， 卡在螺旋导 向槽 内的导 向销驱使夹紧螺杆发 生转动 ， 从而实现夹紧螺杆在做直线运动的同时产生 旋转运动 ， 即压板向下移动到 B位置的同时 ， 旋转到 C 位置 ， 夹紧工件 ； 向上移动到 A位置的同时， 旋转到 D 位置 ， 松开工件 。 由图 1 可知， 上述螺旋夹紧机构存在以下问题 1 一 螺母 ；2 --蛰圈 ；3 --导 圊销 ；4 一导 向套 ；5 - -夹紧螺杆 ； 6 一活动接头；7 直线液压缸；8 --夹具体；9 一机床工作台； 1 o - 一 定位块 ；1 1 一 待加工工件 ； 1 2 一 压板。 图1螺旋夹紧机构结构示意图 1 夹紧螺杆的旋转运动是靠导 向销在螺旋槽中 滑动实现 的， 存 在润滑 困难 、 易磨损 、 传 动效 率低 等 问题。 2 压板 的工作行程是 固定 的， 当工件 的厚度发 生改变时 ， 必须通过定位块的厚度补偿 ， 方能使压板运 陕西省工业自动化重点实验室项 目 1 3 J S 0 2 6 ； 陕西省工业 自动化重点实验室访问学者项 目 1 2 J S 0 3 5 ； 陕西理工学院研究生创新基金 S L G Y C X 1 4 2 3 s． 动到 B、 C位置时 ， 仍能夹 紧工件 ， 因为压板 的工作行 程不同时， 螺 旋槽 的螺旋 角度 数也不 同 ， 因此这 种 夹 紧机构的通用性较差。 3 在某些组合机床上 ， 要求工件加工完成后 ， 从 右边 自动输出至下一个工位 ， 然后从左边 自动输入下 一 个工件 ， 工件输送方向如图 2 a 所示 。当压板松开工 件时， 在竖直方 向上处于 A、 D位置， 此时夹紧螺杆 、 压 板正好与工件的输人 、 输 出均发生干涉 ， 压板必须下移 到 E位置 见图 2 b ， 即工件 的输送面以下 ， 方能避免 这种干涉产生。 工件流动方向 1 2 3 4 5 1 、5 _ 一 压板 ；2 一 工件 ；3 一定位块 ；4 一机床工作 台。 a 工件输入输出示意图 1 一 工件输送面 ；2 --压板 ；3 -- 工作 ；4 一定位块 ； 5 _ 一 工作 台；6 _ 一 夹具体 ；7 一 液压缸 。 b 工件输送面示意图 图2 组合机床螺旋夹紧机构夹装工件示意图 针对上述问题 3 ， 李瑾 等人是 通过设计一种 新型旋转夹具来解决的 ， 即在旋转夹紧复合运动的基 础上又增加 1 个直线运动。具体而言就是将 2个液压 缸串联在一起 ， 利用另 1个液压缸的活塞实现夹紧压 板的直线运动 ， 利用另 1个液压缸的活塞实现夹 紧压 板的旋转夹紧运动。对其详细分析可以发 现， 压板所 需要的运动是一种多 自由度运动 ， 即旋转直线同步运 动 旋转夹紧动作 和直线运动 压板下移至工件输送 面以下动作 ， 而这种多 自由度运 动是 由组合液压缸 来 完成 的。 目前 ， 大多数情况下 ， 多 自由度运动是通过机械性 地组合旋转 运动和直线运 动单元来实现 的_ 4 J 。国 内 关于多 自由度运动的研究主要有 黄灿军 等人设计 了一种新型旋转伸缩一体式液压缸 。该复合液压缸将 液压马达和液压缸相结合 ， 可实现复杂 的旋转与伸缩 ZU1 等 ／一 0 年 幂 0 朋 F u n c ti0 n U n _ls 功能都件 复合运动 ； 专利文献 [ 6 7 ] 发明了一种活塞杆可做直 线与旋转组合运动 的液压缸。当活塞直线运动时， 装 配在螺旋导 向槽 内的导向销驱使活塞杆发生转动 ， 从 而实现旋转直线 同步运动 ； 专利文献 [ 8 ] 发明 了一种 可实现旋转移动过程中的自动夹 紧装置。该装置通过 两台电动机和丝杆实现直线运动和旋转运动。 综上所述 ， 多 自由度运动主要可分为两类 一类是 旋转直线 同步运 动， 即螺旋式运 动； 另一类是 直线运 动 、 旋转运动和螺 旋式运动_ 9 J 。而实现方式 主要有 直线液压缸 带有螺旋槽 的螺杆、 直线液压缸 液压 马达 、 电动机 机械传动装置等。 在上述研究 的基础上 ， 设计 了一种新型多 自由度 组合液压缸。该液压缸通过滚珠花键副将直线液压缸 和液压马达有机集成 ， 可 以实现直线运动、 旋转运动及 螺旋式运动。下面 ， 主要介绍这种组合液压缸的结构 特征 、 工作原理及应用。 1 多 自由度组合液压缸设计 1 - 1滚珠花键结构原理 滚珠花键利用滚珠在沟槽中一边作平滑的直线运 动， 一边传递扭矩， 是具有划时代意义的直线运动系 统 _ l ， 主要分为凸缘式花键和 凹槽式花键两种类 型。 一 般情况下 ， 凸缘式花键能承受较大的径向载荷和传 递较大的扭矩 ， 属于大扭矩型滚珠花键副， 广泛应用于 载荷较大的工作场所。凸缘式滚珠花键副的结构如图 3所示。花键轴外圆有 1 2 0 。 等分排列的三条轨道凸起 部分与花键轴套相应凹槽部分将滚珠夹持在轨道凸起 左右 ， 形成 6条负荷滚珠列 。 负荷滚珠列 l 一醑封端盖 ；2 键榴 ；3 一 花键 套 ；4 一花键轴 ； 5 一滚珠 ； 持架 ；7 一 反向器 。 a 滚珠花键副三维结构图 b 滚珠花键副截面图 图3 组合液压缸整体结构 图 花键轴和花键套 上分 布有经过精 密磨削加工 的 滚道槽 ， 滚道槽 被加工成 与滚珠 半径相 接近 的 R沟 槽形状。当花键 套和 花键轴 作相 对直线 运动 时 ， 滚 珠在沟槽上滚 动 ， 并 通过保 持架 和反 向器持续 进行 整列循环运动 ； 当花 键套 和花键 轴作相 对旋转 运动 功能郜件 F u n n U n its 时 ， 6列负荷滚珠 由于沟槽的阻挡不能产生相 对旋转 运动 ， 3列扭矩方 向上 的负载滚珠便 平衡 、 均匀地传 递扭矩 ， 当扭矩方向改变时 ， 另外 3列负载滚珠 均等 地传递扭矩。 相对 于齿形 花键 副， 滚珠花键副具有 以下特 点 1 滚珠的接触为角接触 ， 很容易施加预压 ， 使旋转方 向间隙为零 ， 因此整体刚性好 ； 2 能够实现精确 的运 动和定位功能 ； 3 以滚动代替滑动 ， 传动效率高 、 运 动平稳 ； 4 使用滚珠保持架 ， 即便花键轴和花键套分 离 ， 滚珠也不会脱落 ， 因此安装方便。 1 ． 2组合液压缸设计 多 自由度组合液压缸的结构及工作原理如图 4所 示 。输 出轴 1 5一端为实一 15、 , 轴 ， 一端为空心轴， 在空心 轴右端 内部装有滚珠花键螺母 1 3 ， 花键螺母与空心轴 通过螺栓连接固定 ， 空心轴右端外 部与活塞 3装配成 一 体 ； 滚珠花键轴 1 4通过组合轴承 1 2 、 端盖 5 、 锁紧螺 母 1 1 、 轴 承端盖 4固定在缸体 2上 ， 一端与滚珠花键 螺母配合 ， 另一端通过联轴器 l 0与液压马达 9连接 。 其 中花键轴 、 空心轴的长度决定 了输出轴的直线位移 ， 即花键轴、 空心轴 的长度越大 ， 输 出轴的直线位移越 大 ， 但同时液压缸的轴 向尺寸也越大 ， 所以应综合考虑 输 出轴的直线位移与液压缸整体尺寸 ， 以便设计出性 能结构较合理的组合液压缸 。 1 、 5 _ _ 端 盖 ；2 一 敞 压 缸 缸 体 ；3 一 般 压 缸 活 塞 ；4 轴 承 端 盖 ； 6 一密封盖 ；7 一液压 马达支架 ；8 一 安全罩；9 一液压马达 ； 1 O 联轴器 ；1 1 锁 紧螺 母；1 2 --Z K L N 组合轴承 ；1 3 一滚珠花键螺母 ； l 4 一滚珠花键轴；1 5 输出轴；1 6 一导向套。 图4组合液压缸整体结构图 组合液压缸的工作原理 为 1 输 出轴作 直线运 动。当 P 或 P 接通时， 液压油推动液压缸活塞作往复 直线移动 ， 液压缸 活塞带动输 出轴作往复直线运 动； 2 输出轴作旋转运动。当 P 、 P 同时接通时， 活塞在 两端液压油作用下保持固定， 液压马达通过联轴器带 动滚珠花键轴旋转 ， 花键轴通过花键螺母带动输 出轴 旋转 ； 3 输 出轴作旋转直线复合运动。当 P 。 或 P 接 通 ， 同时液压马达旋转时， 输出轴做直线运动的同时又 做旋转运动 ， 即做螺旋式运动。 当输出轴作螺旋式运动时 ， 液压缸活塞与液压缸 缸体之间的密封是滑动 转动的密封 ， 密封 比较困难 ， 1 30 为此采用一种轴承结构 ， 将活塞的直线运动与旋转运 动分开。轴承结构示意图如图 5所示。 1 、3 一轴承端盖；2 一液压缸活塞；4 一滚珠花键螺母； 5 一滚珠花键轴 ；6 一 密封盖；7 、8 一角接触球轴承 ；9 输 出轴 。 图5 轴承结构示意图 输出轴 9通过一对角接触球轴承 7和 8 、 左右端 盖 1 、 3与液压缸活塞 2固定在一起 ， 花键轴 5旋转时 ， 带动输出轴和轴承内圈旋转， 在滚珠的作用下外圈不 旋转 ， 进而液压缸活塞不旋转 ； 液压缸活塞往复直线运 动时， 通过轴承带动输出轴作往复直线运动 ； 当花键轴 旋转 ， 同时液压缸活塞直线运动时 ， 两者互 不干涉 ， 紧 密配合。 2应用分析 当组合液 压缸输 出轴上 安装夹 紧压板 时 见 图 6 ， 可作为机床夹具 的螺旋夹 紧机构来 使用 ， 其工作 原理为 1 初始状态 活塞处于 M 位置 ， 压板处于 E、 D 位置 。装上第一个工件后 ， P 油 口接通 ， 活塞在液压油 作用下移动到 M 位置， 压板上升到设定高度 A位置 ； 液压马达启动 ， 压板顺时针旋转 9 0 。 到工作位置 C 。 2 P 。 油口接通 ， 活塞移动到 M 位置 ， 压板下移至 B位置夹紧工件 。 3 工件加工完成后 ， P ， 油 口接通 ， 压板上升至 A 位置， 松开工件 ； 液压 马达启 动， 压板逆 时针旋转 9 O 。 回到 D位置。 4 P 油 口接通 ， 压板下移至 E位置 ， 此时压板和 活塞杆均低于工件输送平面 ， 工件 自动输 出至下一个 工 位 。 5 自动输 入第 2个工件 ， 重 复步 骤 1 、 2 、 3 、 4 ， 直到所有工件加工完成。 6 当所有工件加工完成后 ， 停车关闭液压泵时， 压板 处 于 初 始 状 态。 当下 一 次 开 机 时 ， 重 复 步 骤 1 一 5 。 压板在旋转时不承受载荷 ， 因此液压 马达 只需要 较小的扭矩 即可实现， 此时可将液压马达换成步进 电 动机 ， 因为步进电动机是靠脉冲信号来进行控制的， 通 过控制脉冲的个数就可以准确定位 ， 不需要 位置传感 ZU 1 0 _耳 0 器进行反馈 ， 控制简单 ， 经济性好 ， 体积小 。从 而可以 减小组合液压缸整体结构尺寸 、 减少环境污染、 降低能 耗 ， 节约成本。 1 一 工件输送平面 ；2 一压板 ；3 一 工件 ；4 一定位块 ； 5 一机床工作台；6 一组合液压缸。 图6 利用组合液压缸实现工件夹装示意图 3 结语 1 该新型多 自由度组合液压缸利用滚珠花键既 能传递扭矩又能实现直线运 动的特点 ， 将 直线运动液 压缸与液压马达有机结合 ， 结构紧凑 ， 功能完善 ， 能够 满足机床夹具对多 自由度液压执行元件的需要。 2 螺旋夹紧机构的组合液压缸整体部分安装在 机床的底 部 ， 节 省 了工 作 台空 间， 使 整 机 布 局更 加 简洁。 3 可将液压马达换成步进 电动机 ， 节 能环保 ， 体 积小 ， 控制简单 。 4 该组合液压缸不仅可 以用在机 床夹具 中， 还 可 以用在刀具的交换、 机器人手臂、 钻床 、 搅拌机 、 定位 F u n c l10 n U n ils 功能都件 系统等需要多个 自由度运动的设备 中_ 4 ] 。 参考文献 [ 1 ] 王光斗 ， 王春福 ．机 床夹具设 计手册 [ M] ．上海 市 上 海科学 技术 出版社 ， 2 0 0 1 2 8 2 9 ． [ 2] 吴拓 ， 简 明机 床 夹 具 设计 手 册 [ M] ．北 京 市 化学 _T业 出版 社 ， 2 01 0 8 81 0 2 ． [ 3] 李瑾 ， 曹东锋 ．一种 新型 旋转 夹具 的设计 [ J ] ．制 造技 术与 机床 ， 2 0 1 2 1 2 2 1 02 1 2 ． [ 4 ] 卢蓉芝 ． 旋转直线永磁电机的设计与仿真[ D ] ． 镇江 江苏科技大 学 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ] 黄灿军 ， 叶金玲 ．新型旋 转伸缩 一体式液 压缸的设计 [ J ] ．组 合机 床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 3 7 1 0 21 0 4 ． [ 6 ] 李 允 旺 ．活 塞 杆 可 做 直 线 与 旋 转 组 合 运 动 的 驱 动 缸 中 国， 2 0 1 0 2 0 2 4 3 5 3 6 ． 3 [ P] ． 2 0 1 1一叭 一 0 5 ． [ 7 ] 宋 国裕， 殷嘉寿， 潘 志荣， 等 ．一种伸缩旋转式液压缸 中国， 2 0 1 1 2 0 3 2 5 4 6 9 ． 4[ P ] ． 2 0 1 20 51 6 ． [ 8 ] 雷小强 ， 任发 民， 张广鹏 ．一 种可实 现旋转移动 过程 中的 自动夹 紧 装置 中国， 2 0 0 7 2 0 0 3 1 0 9 4 ． 4[ P] ． 2 0 0 8一O 1 0 2 ． [ 9 ] 欧景 ， 柴凤 ， 毕云龙 ．旋转一直线电机技术发展现状分 析 [ J ] ．微 电 机 ， 2 0 1 3， 4 6 4 8 8 9 2 ． [ 1 O ] 顾伯忠 ， 周于鸣 ， 杨 德华 ．滚珠 花键 副的刚度 的计算 及应用 [ J ] ． 天文研究与技术 ， 2 0 0 6， 3 4 3 6 5 3 7 2 ． 第一作者 苗玉刚， 男， 1 9 8 8年 生， 硕士研 究生， 研 究方向为机械设计与控制 。 编辑 汪 艺 收稿 日期 2 0 1 40 71 8 文章编号 1 5 0 5 3 9 妇果您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入读者意觅调壹表中的相应位置。 上接第 1 2 7页 电动机功率 3 ． 7 k W； 故电机可以满足要求。 3 ． 2制造 精度 与误 差分 析 经过长期反复试验笔者认为分度盘 1 是此刀库的 最核心零件 ， 为了使刀库转位精度能够满足使用要求 ， 因此分度盘在加工过程 中必须严格控制其各项加工误 差 必须保证每个滚子啮合槽角度误差应控制在 5 以内， 槽宽公差控制在 0 ． 0 2～0 ． 0 3 m m范 围内， 其 次 必须保证滚轮轴及滚轮与凸轮槽 的接触刚度 。为了保 证分度盘的使用寿命及耐磨性， 分度盘应选用合适的 材质及热处理工艺 。分度盘的制造水平直接影响到刀 库转位 的平稳性、 刀盘定位 的准确度 以及刀库的使用 寿命 ， 在保证分度盘制造质量的前提下 ， 此类型刀库的 分度转位精度及可靠性才能得到保证。上述技术问题 笔者公 司通过试验及技术攻关 已经得到解决 。 4 结语 目前槽轮分度机构在笔者公司生产的刀库 中已经 广泛应用， 并且使用效果良好， 精度及可靠性等各项指 标均满足使用要求。此结构刀库与双伺服电动机驱动 消隙分度机构及其他结构类型的分度机构相 比其制造 成本更低 、 结构更简单、 性能更可靠 。此结构刀库成功 应用不但为公司降低了大量制造及维护成本 ， 也相应 地提高 了产品的竞争力。 参考文献 [ 1 ] 机床设计手册 编 写组． 机 床设计 手册 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版 社 ． 1 9 8 6 6 2 9 6 6 1 ． r 2 j 陈心 昭． 现代 实 用 机 床设 计 手 册 [ M] ．北 京 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 1 8 8 4 1 91 1 ． r 3 J 邓文英 ． 金属工艺学[ M] ．北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 1 0 3 2 ． [- 4 J 孙桓 ．机械原理 [ M] ．北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 0 2 4 82 8 2 ． 第一作者 杨春波 ， 男， 1 9 8 0年生， 工程 师， 主要研 究方 向 为机 床设 计 与 工 艺研 究。 编辑 汪 艺 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 2 文章编警 1 5 0 5 3 8 如暴您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入读者意见调查表中的相鹰位置。 1 31