綠色夾具_(dá)基于氣動(dòng)肌腱與機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的夾具系統(tǒng).pdf

第37卷增刊 2005年11月 南 京 航 空 航 天 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Journal of N anjing U niversity of A eronautics 2.蘇州大學(xué)機(jī)電學(xué)院,蘇州, 215021) 摘要:目前人們對(duì)夾具技術(shù)綠色化的研究,明顯滯后于對(duì)綠色切削以及綠色機(jī)床等方面的研究。 本文以流體傳動(dòng) 夾具工作介質(zhì)的綠色化為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合采用新型的氣動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行整合創(chuàng)新。提出將氣動(dòng)肌腱與機(jī)械增力機(jī) 構(gòu)進(jìn)行組合,以代替容易產(chǎn)生污染的液壓傳動(dòng)夾具。 并通過(guò)具體創(chuàng)新案例,對(duì)基于氣動(dòng)肌腱和機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的綠 色化夾具系統(tǒng)進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞:綠色制造;綠色介質(zhì);夾具;氣動(dòng)肌腱;增力機(jī)構(gòu) 中圖分類(lèi)號(hào): TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 收稿日期: 2005208215 作者簡(jiǎn)介:王明娣,女,博士,講師, 1975年3月生 , E 2mail:wangm ingdidi126. com;鐘康民,男,教授, 1952年12月生; 左敦穩(wěn),男,教授,博士生導(dǎo)師, 1962年6月生;王 珉,男,教授,博士生導(dǎo)師, 1950年3月生。 Green Fixture- Fixture System Based on Pneumatic M uscle and Force-Amplif ier W A N G M ing2d i 1, 2, ZH ON G K ang2m in 2, ZUO D un2w en 1, W A N G M in 1 (1. College ofM echanical and Electrical Engineering, N anjing U niversity of A eronautics 2. College ofM echanical and Electrical Engineering, Soochow U niversity, Suzhou 215021,China) Abstract: Compared w ith the research on the green cutting and the green machine tool, the research on the green fixture is obviously lagged behind.The new2style pneumatic element is studied on the green working medium of clamping devices to replace the traditional fluid.The pneumatic muscle and the force2amplifier are assembled to replace the hydraulic device, w hich inclines to pollute the environment. W ith innovated examples,the green fixture system s based on the pneumatic muscles and the force2 amplifiers are analyzed. Key words: green manufacturing; green medium; fixture; pneumatic muscle; force2amplifier 基于與自然和諧發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略 思想,近幾年來(lái)機(jī)械工程領(lǐng)域提出了綠色制造的理 念。目前,人們對(duì)綠色制造理論體系框架的研究較 為深入,對(duì)切削工藝、 刀具及機(jī)床的綠色化也給予 了較多關(guān)注1 6。但是, 對(duì)于綠色制造理論體系的 夾具技術(shù)對(duì)策問(wèn)題,卻鮮有涉及。 然而,機(jī)床夾具作 為制造系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán),它的綠色化程 度,無(wú)疑對(duì)整個(gè)制造過(guò)程的綠色化水平有著極為重 要的影響,在不少場(chǎng)合甚至具有關(guān)鍵性的影響。因 此,人類(lèi)在實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)綠色化的漫漫征途上,機(jī) 床夾具的綠色化是無(wú)法回避的。 機(jī)床夾具的夾緊力來(lái)源,主要有手動(dòng)、 液壓、 氣 動(dòng)、 電磁、 真空、 離心力及切削力等。 其中,液壓與氣 動(dòng)傳動(dòng)夾具在自動(dòng)化程度較高的機(jī)床上的應(yīng)用最 為廣泛。特別是液壓傳動(dòng)夾具,由于活塞的單位面 積輸出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣動(dòng)夾具,因而在要求夾緊力較 大的場(chǎng)合,往往成為夾具設(shè)計(jì)人員的首選。 但是,液 壓傳動(dòng)夾具也是上述各類(lèi)夾具中綠色化程度最低 的。因?yàn)樗粌H由于油液泄漏及揮發(fā)產(chǎn)生環(huán)境污 染,而且高速運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓泵也不可避免地要產(chǎn)生較 大的噪聲污染。顯而易見(jiàn),從介質(zhì)清潔程度方面來(lái) 看,氣動(dòng)夾具相對(duì)于液壓夾具,無(wú)疑具有得天獨(dú)厚 的優(yōu)勢(shì)。然而,氣壓傳動(dòng)的致命缺點(diǎn)是系統(tǒng)壓力不 可能太高(一般p= 014017M Pa ), 因而往往造成 夾具的體積過(guò)于龐大。因此,如何既能利用壓縮空 氣這一綠色工作介質(zhì),又能得到較大的夾緊力,是 流體傳動(dòng)夾具綠色化面臨的主要問(wèn)題。 文7, 8曾提出采用傳統(tǒng)氣缸與二次正交增力 機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合來(lái)代替液壓傳動(dòng)夾具;文9, 10對(duì)以 新型的氣動(dòng)執(zhí)行元件氣動(dòng)肌腱為驅(qū)動(dòng)的夾緊 系統(tǒng)進(jìn)行了初步探討。 本文將對(duì)氣動(dòng)肌腱與不同類(lèi) 型機(jī)械增力機(jī)構(gòu)組合的夾具系統(tǒng),進(jìn)行較為全面、 系統(tǒng)的分析與比較。 目的是使其在指導(dǎo)具體工程設(shè) 計(jì)實(shí)踐方面,具有較為便利的可操作性。 1 氣動(dòng)肌腱的技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)介 氣動(dòng)肌腱是一種功率2重量比高,能提供雙向 拉力的柔性執(zhí)行元件。與常規(guī)氣缸相比,它不僅重 量輕、 慣性小,而且能夠產(chǎn)生相當(dāng)于同缸徑氣缸約 10倍的初始拉伸力,耗氣量卻僅約為普通氣缸的 40%。 此外,由于不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件及易損件,因 而抗粉塵污染能力強(qiáng),自身不會(huì)產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象,也 不會(huì)像氣缸活塞運(yùn)動(dòng)那樣因摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大能 量損失11。 由于上述優(yōu)越的技術(shù)性能,氣動(dòng)肌腱在近年來(lái) 受到了較多關(guān)注。但是,目前人們對(duì)氣動(dòng)肌腱的研 究,主要集中于其內(nèi)部力作用機(jī)制的建模與計(jì)算方 面12, 13。而對(duì)于這種新型氣動(dòng)執(zhí)行元件在夾具技 術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新,則幾乎未有涉及。本文的研究 工作正是在這一空白領(lǐng)域展開(kāi)的。 2 氣動(dòng)肌腱與不同機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的 組合 雖然氣動(dòng)肌腱能夠提供比普通氣缸大得多的 力,但是在要求輸出力較大的場(chǎng)合,可能仍不能滿(mǎn) 足要求。因此將氣動(dòng)肌腱與適當(dāng)?shù)脑隽C(jī)構(gòu)組合, 可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在需要較大輸出力且結(jié)構(gòu) 尺寸受限制的場(chǎng)合下,有很大的應(yīng)用空間。 211 氣動(dòng)肌腱與杠桿式壓板組成的夾緊裝置 圖1為氣動(dòng)肌腱與杠桿式壓板組成的夾緊裝 置。 工作原理:當(dāng)氣動(dòng)肌腱內(nèi)部充入壓縮空氣后,會(huì) 產(chǎn)生徑向膨脹、 軸向收縮。其所產(chǎn)生的軸向收縮力 Fi,通過(guò)滑輪作用于杠桿式壓板,從而使該壓板的 圖1 杠桿增力夾緊裝置 另一端輸出力Fo壓緊工件。 為便于與下面的夾緊裝置進(jìn)行比較,在此引入 增力系數(shù)的概念。 增力系數(shù)是增力機(jī)構(gòu)輸出力Fo與 輸入力Fi的比值。 不考慮摩擦損失的增力系數(shù)為理 論增力系數(shù),用it表示;考慮摩擦損失后的增力系 數(shù)為實(shí)際增力系數(shù),用ip表示。 圖1所示系統(tǒng)的實(shí)際增力系數(shù)ip的計(jì)算公式 為 ip= Fop Fip =wl l1 l2 (1) 式中:w,l為滑輪、 杠桿的力傳遞效率;l1為杠桿 主動(dòng)臂長(zhǎng)度;l2為杠桿被動(dòng)臂長(zhǎng)度。 需要指出的是,杠桿機(jī)構(gòu)的增力作用一般極為 有限,因?yàn)檫^(guò)大的杠桿比將造成夾具結(jié)構(gòu)極不緊 湊。 因此,在需要較大夾緊力的場(chǎng)合,應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)較 為緊湊且具有更大增力系數(shù)的機(jī)械增力機(jī)構(gòu)。 212 氣動(dòng)肌腱與鉸桿杠桿增力機(jī)構(gòu)組成的夾 緊裝置 21211 單點(diǎn)夾緊裝置 圖2為氣動(dòng)肌腱與鉸桿2杠桿增力機(jī)構(gòu)組成的 單點(diǎn)夾緊裝置。工作原理:氣動(dòng)肌腱產(chǎn)生的軸向收 縮力Fi,通過(guò)鉸桿的角度效應(yīng)進(jìn)行一次力放大后, 再通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)將力進(jìn)行二次放大,從而使杠桿的 另一端輸出力Fo壓緊工件。 圖2 鉸桿2杠桿增力單點(diǎn)壓緊裝置 圖2所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it和實(shí)際增力系 數(shù)ip的計(jì)算公式分別是 411南 京 航 空 航 天 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第37卷 it= Fot Fit = l1 2l2tan (2) ip= Fop Fip =l l1 2l2 tan ( +) (3) 式中:為鉸桿的理論壓力角(圖2);為鉸桿兩鉸 接處的當(dāng)量摩擦角,= arcsin 2rf l (l為鉸桿兩鉸支 點(diǎn)的中心距;r為鉸鏈軸的半徑;f為鉸鏈副的摩擦 因數(shù)) 14。 由式(1, 3)對(duì)比可見(jiàn),該裝置與壓板式裝置相 比,其增力系數(shù)有了較大增加。但該裝置結(jié)構(gòu)不是 很緊湊,相對(duì)比較松散。 212. 2 雙向?qū)χ屑白詣?dòng)定心夾緊裝置 圖3為氣動(dòng)肌腱與鉸桿2杠桿增力機(jī)構(gòu)組成的 雙向?qū)χ谢蜃詣?dòng)定心夾緊裝置。其工作原理:氣動(dòng) 肌腱內(nèi)部充入壓縮空氣后產(chǎn)生的雙向收縮力Fi,作 用于導(dǎo)向桿并使其向下運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致鉸桿的上端向下 運(yùn)動(dòng),下端同時(shí)向外側(cè)運(yùn)動(dòng),理論壓力角隨之減 小。同樣,Fi經(jīng)鉸桿機(jī)構(gòu)的角度效應(yīng)一次放大及杠 桿機(jī)構(gòu)的二次放大后,使杠桿的另一端輸出力壓緊 工件。 圖3 雙向?qū)χ屑白詣?dòng)定心夾緊裝置 該裝置總的輸出力仍為Fo。 每一只杠桿作用于 工件表面的力為Fo?n(圖3),n為裝置中鉸桿2杠桿 機(jī)構(gòu)的副數(shù)。對(duì)雙向?qū)χ袏A緊裝置,n= 2;對(duì)雙向 自動(dòng)定心夾緊裝置,n= 2或n= 3。 圖3所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it和實(shí)際增力系 數(shù)ip的計(jì)算公式分別是 it= Fot Fit = l1 l2tan (4) ip= Fop Fip =l l1 l2 tan ( +) (5) 如前所述,基于長(zhǎng)度效應(yīng)的杠桿力放大機(jī)構(gòu), 增力效果一般并不顯著,且容易造成夾具結(jié)構(gòu)不緊 湊。而基于角度效應(yīng)的鉸桿增力機(jī)構(gòu),增力效果與 結(jié)構(gòu)緊湊性相對(duì)于杠桿機(jī)構(gòu)要優(yōu)越得多。因此,在 裝置的結(jié)構(gòu)空間受到較苛刻制約的場(chǎng)合,以及需要 很大輸出力的場(chǎng)合,可以采用下面介紹的基于對(duì)稱(chēng) 鉸桿增力機(jī)構(gòu)的夾緊裝置。 213 氣動(dòng)肌腱與對(duì)稱(chēng)鉸桿增力機(jī)構(gòu)組成的夾緊裝 置 21311 一次正交對(duì)稱(chēng)型鉸桿增力機(jī)構(gòu) 圖4為氣動(dòng)肌腱與雙邊單作用一次正交對(duì)稱(chēng) 型鉸桿增力機(jī)構(gòu)的組合夾緊裝置。 該裝置巧妙地利 用了氣動(dòng)肌腱能提供雙向張力的功能,且該系統(tǒng)中 的力輸出件在徑向上所受的力是對(duì)稱(chēng)平衡的,所以 力輸出件與其導(dǎo)向孔之間理論上不存在摩擦損失。 圖4 一次正交對(duì)稱(chēng)鉸桿增力機(jī)構(gòu) 圖4系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it和實(shí)際增力系數(shù)ip 的計(jì)算公式是 it= Fot Fit = 1 tan (6) ip= Fop Fip = 1 tan ( +) (7) 該裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,力傳遞效率 高。但因僅利用了一次角度效應(yīng)進(jìn)行力放大,所以 增力效果不甚顯著。為了獲得更大的增力系數(shù),可 以采用利用二次角度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)肌腱 進(jìn)行組合。 511增刊王明娣,等:綠色夾具基于氣動(dòng)肌腱與機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的夾具系統(tǒng) 21312 二次正交對(duì)稱(chēng)型鉸桿增力機(jī)構(gòu) 圖5為氣動(dòng)肌腱與雙邊單作用二次正交對(duì)稱(chēng) 型鉸桿增力機(jī)構(gòu)的組合裝置。它以串聯(lián)的方式,兩 次運(yùn)用了鉸桿的角度效應(yīng),進(jìn)行力放大與傳遞。 圖5 二次正交對(duì)稱(chēng)鉸桿增力機(jī)構(gòu) 圖5系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it和實(shí)際增力系數(shù)ip 分別是 it= Fot Fit = 1 2 1 tantan + 1(8) ip= Fop Fip = 1 2 1 tan ( +1) tan (+2) + 1 (9) 式中:為理論壓力角(圖5);1,2為對(duì)應(yīng)于理論 壓力角,的鉸桿副的兩鉸接處的當(dāng)量摩擦角,計(jì) 算公式同圖2所示系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì)上述力學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行比較,可以看出 力放大效果最為顯著的是圖5系統(tǒng),然后依次是圖 3, 2, 4, 1所示系統(tǒng)。圖1與圖4所示系統(tǒng)采用的都 是一次增力機(jī)構(gòu),不同的是前者基于長(zhǎng)度效應(yīng),后 者基于角度效應(yīng);而后者的增力效果要顯著高于前 者。 3 計(jì)算舉例 如在上述各圖所示系統(tǒng)中,取 w= 0195,l= 0197;杠桿機(jī)構(gòu)的主被動(dòng)臂長(zhǎng)度分別為l1= 120 mm ,l2= 60 mm;鉸桿長(zhǎng)度l= 60 mm ,鉸鏈軸半徑 r= 5 mm ,摩擦因數(shù)f= 01 1( 計(jì)算得 01955 ), 設(shè) 鉸桿機(jī)構(gòu)的理論壓力角為自變量,可以得到實(shí)際增 力系數(shù)對(duì)應(yīng)于不同理論壓力角的變化情況,如圖6 所示。 由圖6可見(jiàn),上述系統(tǒng)增力系數(shù)理論上越小越 好,但是實(shí)際角度不可能很小,一般情況下,取5 8,這樣能獲得比較大的增力系數(shù)。假設(shè)= 6,則 圖6 實(shí)際增力系數(shù)與壓力角的關(guān)系 各系統(tǒng)實(shí)際增力系數(shù)分別為1184, 7197, 15194, 8120和33110。 如選取FESTO系列產(chǎn)品中型號(hào)為MA S220的 氣動(dòng)肌腱為驅(qū)動(dòng)元件,它在自由狀態(tài)下正常直徑僅 約為20mm。 當(dāng)氣壓為015M Pa,若取Fi= 1 000N , 則圖5所示裝置的實(shí)際輸出力Fop= 33 100N。 而如 選用傳統(tǒng)的剛氣缸由活塞桿直接輸出作用力,在相 同氣壓下,要獲得33 100 N的輸出力,經(jīng)計(jì)算氣缸 直徑需D290mm。所以,采用氣動(dòng)肌腱與增力機(jī) 構(gòu)進(jìn)行組合,在許多場(chǎng)合中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性氣 缸,在獲得較大輸出力的同時(shí)又可使結(jié)構(gòu)緊湊。 4 結(jié)束語(yǔ) 傳動(dòng)技術(shù)綠色化的發(fā)展趨勢(shì)是不容置疑的。 氣 動(dòng)肌腱作為一種新型的摩擦力很小的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī) 構(gòu),無(wú)疑較好地適應(yīng)了這一潮流。因此可以用柔性 氣動(dòng)肌腱與機(jī)械增力機(jī)構(gòu)串連組合,來(lái)代替容易產(chǎn) 生污染的液壓傳動(dòng)技術(shù)。 夾具在制造系統(tǒng)中起著橋梁和過(guò)渡的作用,具 有相當(dāng)繁雜的形式和門(mén)類(lèi)。 除了以機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)為 典型特征的常規(guī)夾具外,還有磁力夾具、 真空夾具、 基于液固兩相轉(zhuǎn)變的夾具15及粘合作用的夾具等 多種形式。因此,僅僅從工作介質(zhì)這個(gè)方面來(lái)探討 夾具技術(shù)的綠色化,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文的發(fā)表希 望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和研究興趣,從而使對(duì) 夾具技術(shù)綠色化的研究,在深度和廣度上都有一個(gè) 較快的發(fā)展。 參考文獻(xiàn): 1 劉 飛,張華,陳曉慧.綠色制造的決策框架模型及 其應(yīng)用J .機(jī)械工程學(xué)報(bào), 1999, 35(5): 1115. 2 劉 飛,曹華軍.綠色制造的理論體系框架J 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