气动肌腱驱动的肘杆一杠杆增力双工位并行高效夹紧装置.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2015. 06. 035 气动肌腱驱动的肘杆-杠杆增力双工位并行高效夹紧装置 * 鹿摇 霖,胡摇 炜 苏州工业职业技术学院, 江苏 苏州摇 215104 摘摇 要创新设计了一种由气动肌腱驱动的基于肘杆和恒增力杠杆的角度和长度力放大效应的双工位高效夹具。 该 机构用结构极为简单、柔性好、输出力与直径比大、输出力与重量比高的气动肌腱来代替传统的刚性气缸,通过与传 统气缸驱动方式相比较,发现其夹紧效果更显著,系统结构更紧凑,同时符合绿色节能新理念,值得推广。 关键词气动肌腱;肘杆;杠杆;增力;夹具 中图分类号TG759摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201506-0098-03 Double-Position Highly-Efficient Parallel Clamping Device Based on Toggle-Lever Force Amplifier Driven by Pneumatic Muscle LU摇 Lin, HU摇 Wei Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou Jiangsu摇 215104, China Abstract In this paper, a type of double-position and highly-efficient clamping device which is driven by pneumatic muscle based on the angle and length force amplification effect of toggle and the eternal lever force amplifier is described. The pneu鄄 matic muscle which takes place of the traditional rigid cylinder has some features such as extremely simple structure, good flexibility, larger ratio of the output force and diameter/ weight, etc. By comparing with the traditional system, the system driven by pneumatic muscle has greater clamping force and more compact structure. Meanwhile, it is a green and energy-sav鄄 ing system, so it deserves to be promoted. Key words pneumatic muscle; toggle; lever; force amplifier; clamping device 0摇 引摇 言 作为工艺系统的组成部分之一,机床夹具在设计 中基本要求就是输出的夹紧力要足够大,在加工过程 中不能松动。 因此,液压系统由于输出效果好且技术 成熟得到广泛使用[1]。 但是液压传动系统能量利用 率低,液压泵噪声较大,且活塞与缸体间的动密封形 式容易发生油液泄漏及挥发,从而造成环境污染。 随 着环境污染现象的日渐严重和人们环保意识的逐渐 增强,很多情况下用运动速度快、动作平稳、成本较 低、无污染的气动装置来代替污染严重的液压传 动[2]。 由于气压传动的明显缺点是其系统工作压力 低一般 P0. 4 0. 7 MPa,为达到优良的夹紧效果 易使夹具体积过大。 同时,压缩空气虽无污染,但空 压机产生压缩空气所消耗的电能,仅有 19 转化成 压缩空气,剩下的 81转化为热能[3],不符合当代节 能理念。 气动肌键是 21 世纪诞生的新型驱动器,是一种 能提供双向拉力且功率-质量比高的新型气动柔性 执行元件,它的主要特性是与同直径气缸相比,重量 轻且驱动力是普通气缸的 10 倍。 目前已经有很多学 者开始尝试将气动肌腱用在夹具中来代替传统的刚 性气缸[4 6]。 1摇 工作原理与力学模型 在实际生产中,可以通过同时加工多个零件实现 生产效率的提高,因此,设计合理的多工位高效夹具 很有很必要。 1. 1摇 气缸驱动双工位夹紧装置 1. 1. 1摇 工作原理 图 1 所示为利用传统刚性气缸实现双工位夹紧 的典型机构。 该机构由刚性气缸体、两组活塞组件、 两组夹紧元件所组成。 图 1摇 刚性气缸双工位夹紧装置 1. 工件摇 2. 夹紧元件摇 3. 活塞组件摇 4. 液压缸 摇 摇 图 1 所示机构中,当换向阀处在如图所示位置 89 设计与制造摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期机械研究与应用 *收稿日期2015-11-02 作者简介鹿摇 霖1979-,女,江苏徐州人,讲师,硕士研究生,主要从事机构设计与创新、激光制造工程工作。 时,压缩空气通入气缸中部作用在两组活塞组件的活 塞端面上,推动两活塞向气缸两端同时移动,从而使 两活塞杆同时向左、右两端分别移动,则夹紧元件在 活塞杆的作用下各自夹紧对应工件后进行加工。 工 作结束后,换向阀换至右工位,压缩空气从气缸两端 进入,推动两活塞组件向中间移动,从而使夹紧元件 放松对工件的夹紧作用。 该机构整体对称,并可通过活塞组件自行调节在 气缸中的移动距离来解决工件厚度不均的问题。 1. 1. 2摇 力学计算 该机构力学模型简单,系统实际输出力为 F0 仔d2浊 4 p1 式中d 为气缸直径;p 为气压系统压力MPa;浊 为 气缸活塞装置工作效率,常取 0. 85[7]。 由式1可知,要保证系统结构紧凑,则在夹紧 力要求高的场合就要增加压缩空气的压力,目前工业 上常用气压系统压力为 0. 4 0. 7 MPa,同时系统压 力越大,能耗就越大;同样要求下,要减少能耗,则一 定要增加系统的结构尺寸,从而使得夹紧装置体积庞 大,结构不够紧凑。 因此,基于在保证夹紧力的前提下同时兼顾系统 节能和紧凑两方面的想法,本文将气动肌腱和肘杆- 恒增力杠杆相结合,设计了一种高效的双工位并行夹 紧装置。 1. 2摇 气动肌腱驱动的双工位并行夹紧装置 1. 2. 1摇 工作原理 图 2 所示为气动肌腱驱动的双工位并行夹紧装 置。 该夹具结构主要由气动肌腱、肘杆、杠杆、连杆、 传力件、滑块、夹紧元件及复位弹簧组成。 图 2摇 气动肌腱驱动的双工位并行高效夹具 1. 工件摇 2. 夹紧元件摇 3. 连杆摇 4. 杠杆摇 5. 肘杆摇 6. 滑块 7. 传力元件摇 8. 复位弹簧摇 9. 气动肌腱 摇 摇 气动肌腱是一种拉伸驱动器,模仿自然肌腱的运 动。 它由一个收缩系统和连接器组成,这个收缩系统 由一段被高强度纤维包裹的密封橡胶管组成,纤维形 成了一个三维的菱形网状结构。 如图 2 所示产,气动肌腱由一个二位三通电磁阀 控制,当处于所示左工位时,压缩空气进入气动肌腱 内部,在内部气压作用下,气动肌腱内部的橡胶管在 气压作用下开始变形,并产生径向膨胀,使栅格中的 纤维网格夹角变大,在轴向方向产生收缩,气动肌腱 便产生轴向的拉伸力。 该轴向拉力对传力件产生向 下的拉力,使其向下运动。 传力件上加工出一个径向 矩形滑槽,置于滑槽中的滑块在传力件带动下推动两 边肘杆机构,利用其角度效应将力一次放大后带动两 边恒增力杠杆转动,然后将力二次放大后传递给连 杆。 两边夹紧元件分别在连杆的作用下将两工件同 时夹紧。 结束加工后,电磁阀断电,二位三通阀处于右工 位,则气动肌腱内压力从阀出气口排出。 压力释放 后,高弹性橡胶材料在复原过程中迫使特殊纤维格栅 回复到原始位置,气动肌腱也恢复原来位置[8],失去 轴向的拉伸力。 在复位弹簧的作用力下,传力件向上 运动,拉动肘杆与工作时反方向运动,进而带动杠杆 反向运动,装置放松对工件的夹紧。 值得说明的是,滑块的作用很重要。 滑块以适当 的间隙置于传力元件滑槽中,当所夹零件厚度不同 时,滑块可通过在滑槽中自动调节所处的位置起到力 反馈作用,从而保证两工件的同时夹紧。 1. 2. 2摇 力学计算 通过建立力学模型,图 2 中所示系统的实际增力 系数的计算公式分别为 io l1 2l2tan琢 渍浊1浊2 2 式中io为夹紧元件实际增力系数;l1为杠杆主动臂 长度;l2为杠杆被动臂长度;琢 为滑块与肘杆连接处 间夹角;渍 为铰链副的当量摩擦角;浊1为杠杆机构效 率,常取 0. 97[9];浊2为肘杆机构效率,常取 0. 90[9]。 1. 2. 3摇 性能曲线 由式2可得出增力系数和输入件与肘杆连接 处间夹角 琢 及杠杆的主动臂与被动臂的长度比 l1/ l2 之间的关系,如图 3 所示。 图 3 中实线为增力系数与杠杆主、被动臂长度之 比 l1/ l2的关系琢 取 6毅时。 由性能曲线图可以看 出,机构的实际放大倍数与杠杆的主动臂与被动臂的 长度比呈线性关系,随比值的增大而增力。 但因结构 问题,一般杠杆的单级放大倍数会有一定限制,一般 不会超过 10。 虚线是增力系数与力输入件与肘杆连接处间夹 角 琢 在杠杆的主动臂与被动臂的长度比取为 4 时相 99 机械研究与应用2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 设计与制造 应关系的呈现呈递减曲线规律变化。 铰杆压力角 琢 越大,则实际增力系数 io越小。 应该指出的是,尽管 肘杆机构的理论压力角 琢 越小,其增力效果越明显, 但是由于相关构件的制造精度等原因,理论压力角的 取值不可能很小,在工程实际运用中,一般可取 5毅 10毅[10]左右。 图 3摇 增力系数分别与 琢、l1/ l2的关系图 2摇 应用举例与性能比较 气动肌腱与传统气缸相比结构简单、重量轻、密 封效果好,且能产生相当于同径气缸数倍的拉伸 力[2],夹紧效果好。 以本设计为例,取 琢7毅,渍5毅,l1240 mm,l2 80 mm,则利用公式2可得 io抑6. 16。 此时如采用 FESTO 型气动肌腱为驱动元件自由状态时直径 20 mm,允许使用的最高工作压力由弹性内管的强度决 定[2]。 若在其工作范围内取气压为 0. 5 MPa,则产生 的最大收缩力为 Fimax1 200 N,最小收缩力为 Fimin 220 N。 图 2 所示机构相应的输出力为 Fomac7 392 N,Fomin1 355 N。 而采用图 1 所示刚性气缸实现双 工位夹紧,在气压相同,缸径相同的情况下,则由1 可得气缸输出推力为约 134 N,可见机构 2 可产生的 输出力为机构 1 的 10 55 倍,夹紧效果显著提高。 若机构 2 取收缩力 Fi800 N,则对应的夹紧力 Fo4 928 N。 使用机构 1 在同等气压下要产生同样 的输出力,其气缸直径约为 122 mm,而机构 2 中气动 肌腱在自由状态时直径仅为 20 mm,可见相同夹紧效 果下,机构 2 的结构紧凑性更优。 3摇 结摇 论 介绍的气动肌腱驱动的肘杆-杠杆增力双工位 高效夹具具有如下特点。 1 该夹紧装置以质量轻、输出力大、耗气量小 的气动肌腱来代替传统的刚性气缸作为动力元件,结 合力放大机构,大大减少系统的体积及系统的功率消 耗。 同时,因为无移动机械部件所以摩擦损耗小。 2 适用范围广。 由于气动肌腱密封性能好,变 动密封形式为静密封形式,分隔驱动器内空气和周围 空气,所以无污染,符合绿色化设计理念,在抗尘、抗 污方面能力显著,因此该装置亦适合外部环境不太理 想的场合下工作。 3 气动肌腱是无污染的新型元件,以气动肌腱 为动力所设计的机构 2 既满足夹具输出要求又兼顾 了绿色化发展理念,同时结构对称具有美感,且主要 元件中肘杆、杠杆技术成熟,制造方便,因此机构具有 较好的推广价值。 参考文献 [1]摇 田子欣,邢艳辉. 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