綠色夾具_基于氣動肌腱與機械增力機構的夾具系統(tǒng).pdf

第37卷增刊 2005年11月 南 京 航 空 航 天 大 學 學 報 Journal of N anjing U niversity of A eronautics 2.蘇州大學機電學院,蘇州, 215021) 摘要:目前人們對夾具技術綠色化的研究,明顯滯后于對綠色切削以及綠色機床等方面的研究。 本文以流體傳動 夾具工作介質的綠色化為出發(fā)點,結合采用新型的氣動執(zhí)行元件進行整合創(chuàng)新。提出將氣動肌腱與機械增力機 構進行組合,以代替容易產生污染的液壓傳動夾具。 并通過具體創(chuàng)新案例,對基于氣動肌腱和機械增力機構的綠 色化夾具系統(tǒng)進行了分析。 關鍵詞:綠色制造;綠色介質;夾具;氣動肌腱;增力機構 中圖分類號: TH112 文獻標識碼 :A 收稿日期: 2005208215 作者簡介: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,博士生導師, 1962年6月生;王 珉,男,教授,博士生導師, 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,近幾年來機械工程領域提出了綠色制造的理 念。目前,人們對綠色制造理論體系框架的研究較 為深入,對切削工藝、 刀具及機床的綠色化也給予 了較多關注1 6。但是, 對于綠色制造理論體系的 夾具技術對策問題,卻鮮有涉及。 然而,機床夾具作 為制造系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán),它的綠色化程 度,無疑對整個制造過程的綠色化水平有著極為重 要的影響,在不少場合甚至具有關鍵性的影響。因 此,人類在實現制造技術綠色化的漫漫征途上,機 床夾具的綠色化是無法回避的。 機床夾具的夾緊力來源,主要有手動、 液壓、 氣 動、 電磁、 真空、 離心力及切削力等。 其中,液壓與氣 動傳動夾具在自動化程度較高的機床上的應用最 為廣泛。特別是液壓傳動夾具,由于活塞的單位面 積輸出力遠遠大于氣動夾具,因而在要求夾緊力較 大的場合,往往成為夾具設計人員的首選。 但是,液 壓傳動夾具也是上述各類夾具中綠色化程度最低 的。因為它不僅由于油液泄漏及揮發(fā)產生環(huán)境污 染,而且高速運轉的液壓泵也不可避免地要產生較 大的噪聲污染。顯而易見,從介質清潔程度方面來 看,氣動夾具相對于液壓夾具,無疑具有得天獨厚 的優(yōu)勢。然而,氣壓傳動的致命缺點是系統(tǒng)壓力不 可能太高(一般p= 014017M Pa ), 因而往往造成 夾具的體積過于龐大。因此,如何既能利用壓縮空 氣這一綠色工作介質,又能得到較大的夾緊力,是 流體傳動夾具綠色化面臨的主要問題。 文7, 8曾提出采用傳統(tǒng)氣缸與二次正交增力 機構進行組合來代替液壓傳動夾具;文9, 10對以 新型的氣動執(zhí)行元件氣動肌腱為驅動的夾緊 系統(tǒng)進行了初步探討。 本文將對氣動肌腱與不同類 型機械增力機構組合的夾具系統(tǒng),進行較為全面、 系統(tǒng)的分析與比較。 目的是使其在指導具體工程設 計實踐方面,具有較為便利的可操作性。 1 氣動肌腱的技術特點簡介 氣動肌腱是一種功率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,而且能夠產生相當于同缸徑氣缸約 10倍的初始拉伸力,耗氣量卻僅約為普通氣缸的 40%。 此外,由于不存在相對運動部件及易損件,因 而抗粉塵污染能力強,自身不會產生泄漏現象,也 不會像氣缸活塞運動那樣因摩擦運動產生較大能 量損失11。 由于上述優(yōu)越的技術性能,氣動肌腱在近年來 受到了較多關注。但是,目前人們對氣動肌腱的研 究,主要集中于其內部力作用機制的建模與計算方 面12, 13。而對于這種新型氣動執(zhí)行元件在夾具技 術領域的應用創(chuàng)新,則幾乎未有涉及。本文的研究 工作正是在這一空白領域展開的。 2 氣動肌腱與不同機械增力機構的 組合 雖然氣動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合,可能仍不能滿 足要求。因此將氣動肌腱與適當的增力機構組合, 可以大大簡化系統(tǒng)結構,在需要較大輸出力且結構 尺寸受限制的場合下,有很大的應用空間。 211 氣動肌腱與杠桿式壓板組成的夾緊裝置 圖1為氣動肌腱與杠桿式壓板組成的夾緊裝 置。 工作原理:當氣動肌腱內部充入壓縮空氣后,會 產生徑向膨脹、 軸向收縮。其所產生的軸向收縮力 Fi,通過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行比較,在此引入 增力系數的概念。 增力系數是增力機構輸出力Fo與 輸入力Fi的比值。 不考慮摩擦損失的增力系數為理 論增力系數,用it表示;考慮摩擦損失后的增力系 數為實際增力系數,用ip表示。 圖1所示系統(tǒng)的實際增力系數ip的計算公式 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 主動臂長度;l2為杠桿被動臂長度。 需要指出的是,杠桿機構的增力作用一般極為 有限,因為過大的杠桿比將造成夾具結構極不緊 湊。 因此,在需要較大夾緊力的場合,應選擇結構較 為緊湊且具有更大增力系數的機械增力機構。 212 氣動肌腱與鉸桿杠桿增力機構組成的夾 緊裝置 21211 單點夾緊裝置 圖2為氣動肌腱與鉸桿2杠桿增力機構組成的 單點夾緊裝置。工作原理:氣動肌腱產生的軸向收 縮力Fi,通過鉸桿的角度效應進行一次力放大后, 再通過杠桿機構將力進行二次放大,從而使杠桿的 另一端輸出力Fo壓緊工件。 圖2 鉸桿2杠桿增力單點壓緊裝置 圖2所示系統(tǒng)的理論增力系數it和實際增力系 數ip的計算公式分別是 411南 京 航 空 航 天 大 學 學 報第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 接處的當量摩擦角,= arcsin 2rf l (l為鉸桿兩鉸支 點的中心距;r為鉸鏈軸的半徑;f為鉸鏈副的摩擦 因數) 14。 由式(1, 3)對比可見,該裝置與壓板式裝置相 比,其增力系數有了較大增加。但該裝置結構不是 很緊湊,相對比較松散。 212. 2 雙向對中及自動定心夾緊裝置 圖3為氣動肌腱與鉸桿2杠桿增力機構組成的 雙向對中或自動定心夾緊裝置。其工作原理:氣動 肌腱內部充入壓縮空氣后產生的雙向收縮力Fi,作 用于導向桿并使其向下運動,導致鉸桿的上端向下 運動,下端同時向外側運動,理論壓力角隨之減 小。同樣,Fi經鉸桿機構的角度效應一次放大及杠 桿機構的二次放大后,使杠桿的另一端輸出力壓緊 工件。 圖3 雙向對中及自動定心夾緊裝置 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 機構的副數。對雙向對中夾緊裝置,n= 2;對雙向 自動定心夾緊裝置,n= 2或n= 3。 圖3所示系統(tǒng)的理論增力系數it和實際增力系 數ip的計算公式分別是 it= Fot Fit = l1 l2tan (4) ip= Fop Fip =l l1 l2 tan ( +) (5) 如前所述,基于長度效應的杠桿力放大機構, 增力效果一般并不顯著,且容易造成夾具結構不緊 湊。而基于角度效應的鉸桿增力機構,增力效果與 結構緊湊性相對于杠桿機構要優(yōu)越得多。因此,在 裝置的結構空間受到較苛刻制約的場合,以及需要 很大輸出力的場合,可以采用下面介紹的基于對稱 鉸桿增力機構的夾緊裝置。 213 氣動肌腱與對稱鉸桿增力機構組成的夾緊裝 置 21311 一次正交對稱型鉸桿增力機構 圖4為氣動肌腱與雙邊單作用一次正交對稱 型鉸桿增力機構的組合夾緊裝置。 該裝置巧妙地利 用了氣動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稱平衡的,所以 力輸出件與其導向孔之間理論上不存在摩擦損失。 圖4 一次正交對稱鉸桿增力機構 圖4系統(tǒng)的理論增力系數it和實際增力系數ip 的計算公式是 it= Fot Fit = 1 tan (6) ip= Fop Fip = 1 tan ( +) (7) 該裝置的主要優(yōu)點是結構緊湊,力傳遞效率 高。但因僅利用了一次角度效應進行力放大,所以 增力效果不甚顯著。為了獲得更大的增力系數,可 以采用利用二次角度效應的增力機構與氣動肌腱 進行組合。 511增刊王明娣,等:綠色夾具基于氣動肌腱與機械增力機構的夾具系統(tǒng) 21312 二次正交對稱型鉸桿增力機構 圖5為氣動肌腱與雙邊單作用二次正交對稱 型鉸桿增力機構的組合裝置。它以串聯(lián)的方式,兩 次運用了鉸桿的角度效應,進行力放大與傳遞。 圖5 二次正交對稱鉸桿增力機構 圖5系統(tǒng)的理論增力系數it和實際增力系數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為對應于理論 壓力角,的鉸桿副的兩鉸接處的當量摩擦角,計 算公式同圖2所示系統(tǒng)。 通過對上述力學計算公式進行比較,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 是一次增力機構,不同的是前者基于長度效應,后 者基于角度效應;而后者的增力效果要顯著高于前 者。 3 計算舉例 如在上述各圖所示系統(tǒng)中,取 w= 0195,l= 0197;杠桿機構的主被動臂長度分別為l1= 120 mm ,l2= 60 mm;鉸桿長度l= 60 mm ,鉸鏈軸半徑 r= 5 mm ,摩擦因數f= 01 1( 計算得 01955 ), 設 鉸桿機構的理論壓力角為自變量,可以得到實際增 力系數對應于不同理論壓力角的變化情況,如圖6 所示。 由圖6可見,上述系統(tǒng)增力系數理論上越小越 好,但是實際角度不可能很小,一般情況下,取5 8,這樣能獲得比較大的增力系數。假設= 6,則 圖6 實際增力系數與壓力角的關系 各系統(tǒng)實際增力系數分別為1184, 7197, 15194, 8120和33110。 如選取FESTO系列產品中型號為MA S220的 氣動肌腱為驅動元件,它在自由狀態(tài)下正常直徑僅 約為20mm。 當氣壓為015M Pa,若取Fi= 1 000N , 則圖5所示裝置的實際輸出力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,經計算氣缸 直徑需D290mm。所以,采用氣動肌腱與增力機 構進行組合,在許多場合中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性氣 缸,在獲得較大輸出力的同時又可使結構緊湊。 4 結束語 傳動技術綠色化的發(fā)展趨勢是不容置疑的。 氣 動肌腱作為一種新型的摩擦力很小的氣動執(zhí)行機 構,無疑較好地適應了這一潮流。因此可以用柔性 氣動肌腱與機械增力機構串連組合,來代替容易產 生污染的液壓傳動技術。 夾具在制造系統(tǒng)中起著橋梁和過渡的作用,具 有相當繁雜的形式和門類。 除了以機械夾緊機構為 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,僅僅從工作介質這個方面來探討 夾具技術的綠色化,是遠遠不夠的。本文的發(fā)表希 望能夠引起業(yè)內人士的關注和研究興趣,從而使對 夾具技術綠色化的研究,在深度和廣度上都有一個 較快的發(fā)展。 參考文獻: 1 劉 飛,張華,陳曉慧.綠色制造的決策框架模型及 其應用J .機械工程學報, 1999, 35(5): 1115. 2 劉 飛,曹華軍.綠色制造的理論體系框架J .中國 機械工程, 2000, 11(9): 961964. 611南 京 航 空 航 天 大 學 學 報第37卷 3 劉志峰,林巨廣,朱華炳,等.綠色制造的理論基礎 工業(yè)生態(tài)方法研究J .中國機械工程, 2002, 13 (17): 14761479. 4 王西彬.綠色切削加工技術的研究J .機械工程學 報, 2000, 36(8): 69, 14. 5 曹 杰,易 紅.綠色產品制造工藝方案的研究J . 機械工程學報, 2002, 38(7): 126130. 6 曹華軍,劉 飛.面向綠色制造的機床設備選擇模型 及其應用J .機械工程學報, 2004, 40(3): 263