平直大開(kāi)口鉗的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、平直大開(kāi)口鉗設(shè)計(jì)者：張道遠(yuǎn)楊艷 王維明 張建新 劉生指導(dǎo)老師: 吳努 朱益民（ 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南通 226007）摘要 : 一般工具鉗都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，在夾持工件時(shí)兩鉗口呈一定的角度。而呈一定的角度的鉗口夾持工件存在著兩個(gè)缺點(diǎn)。第一是鉗口和工件的接觸為線(xiàn)接觸，接觸應(yīng)力大，容易損壞工件；第二不易夾緊工件，工件有可能從鉗口滑出。利用六桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的平直大開(kāi)口鉗的鉗口，在一定的夾持范圍內(nèi)作近似直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，最大相對(duì)轉(zhuǎn)角僅為0.2 度，從而有效消除了上述不良影響。關(guān)鍵詞 : 平直大開(kāi)口鉗平動(dòng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)六桿機(jī)構(gòu)1 引言目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的工具鉗品種繁多，如鋼絲鉗，鯉魚(yú)鉗，電工鉗，大力鉗（鎖鉗）

2、等。這些工具鉗都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，在夾持工件時(shí)兩鉗口呈一定的角度。而呈一定的角度的鉗口夾持工件存在著兩個(gè)缺點(diǎn)。第一是鉗口和工件的接觸為線(xiàn)接觸，接觸應(yīng)力大，容易損壞工件； 第二不易夾緊工件，工件有可能從鉗口滑出。上述工具鉗夾持工件鉗口呈角度是工具鉗本身結(jié)構(gòu)決定的。目前常用工具鉗的工作原理是主動(dòng)鉗口繞從動(dòng)鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)夾持工件。這樣就不可避免的要使兩鉗口呈一定角度工作，從而產(chǎn)生不良后果。為了解決上述問(wèn)題我們?cè)O(shè)計(jì)一種新的工具鉗即平直大開(kāi)口鉗。2 國(guó)內(nèi)外研究概況國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)平面六桿機(jī)構(gòu)綜合問(wèn)題的理論和方法作了很多深入的探討和研究，對(duì)平面六桿機(jī)構(gòu)的各種形式，各種綜合要求提出了很多的解決辦法。Irfa

3、n Ullah 、Sridhar Kota 提出用 Fourier Descriptors 來(lái)描述曲線(xiàn)，并用改進(jìn)的模擬退火法進(jìn)行全局優(yōu)化，從而較好地解決了平面連桿機(jī)構(gòu)軌跡綜合問(wèn)題。李立、陳永用同倫迭代法進(jìn)行平面Stephenson出型六桿機(jī)構(gòu)的函數(shù)發(fā)生器綜合。同倫方法是一種有效的數(shù)值迭代法，具有對(duì)迭代初值要求不高，整體收斂性強(qiáng)，能可靠求出非線(xiàn)性方程組全部或一批孤立解的優(yōu)點(diǎn)，很受工程技術(shù)領(lǐng)域的重視。但是， 迄今為止同倫方法在機(jī)構(gòu)學(xué)中的應(yīng)用還沒(méi)有達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度。 齊次化方法雖然能在一定程度上提高計(jì)算效率，但該法需要大量的前期工作和較高的數(shù)學(xué)技巧，不便于一般使用者的應(yīng)用。綜上所述，平面六桿機(jī)構(gòu)綜

4、合的理論和方法雖然非常豐富，但至今尚未形成統(tǒng)一的方法，概括起來(lái)可以分為（電子）圖譜法、圖解法、代數(shù)法、解析法和優(yōu)化法等。電子圖譜法求解速度快，其缺點(diǎn)是精確度較低，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；圖解法是基于Bun nester 理論，利用幾何作圖的方法獲得要求的機(jī)構(gòu)，作圖誤差大，且需要較豐富的專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；代數(shù)法需要求解一組非線(xiàn)性方程組，能夠?qū)崿F(xiàn)的機(jī)構(gòu)位置受設(shè)計(jì)參數(shù)個(gè)數(shù)的限制；解析法是基于函數(shù)逼近思想，利用解析方法將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合問(wèn)題歸結(jié)為函數(shù)逼近問(wèn)題，需要求解大量的非線(xiàn)性代數(shù)方程組。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模計(jì)算已經(jīng)成為可能，基于數(shù)值計(jì)算的優(yōu)化法成為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合研究的活躍領(lǐng)域，它將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合

5、問(wèn)題歸結(jié)為求解多變量約束優(yōu)化問(wèn)題。優(yōu)化法的主要內(nèi)容包括優(yōu)化目標(biāo)模型的建立、誤差的評(píng)價(jià)、初始解的選取以及構(gòu)造收斂的算法等。由于平面六桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型繁多，差別很大，所以難于形成統(tǒng)一的求解辦法，許多研究人員從不同角度對(duì)平面六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不懈的探索，提出了各種優(yōu)化綜合解決方案，但還沒(méi)有形成一套較為完善的理論體系。3 設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)制作中解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題3.1 機(jī)構(gòu)原理由平面機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)公式可知，當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度為1 時(shí)，低副數(shù)目p = ( 3 / 2 ) * n - 2 所以，機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)有可能為n=2 ,4,6, 8當(dāng) n=2 時(shí)， 即二桿機(jī)構(gòu)。構(gòu)件為二的單自由度機(jī)構(gòu)為開(kāi)式鏈。運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)型式是唯一的。鉸鏈二桿

6、機(jī)構(gòu)其二桿件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只能是轉(zhuǎn)動(dòng)，如普通的鋼絲鉗，所以不能滿(mǎn)足要求。當(dāng) n =4 時(shí)，即四桿機(jī)構(gòu)。構(gòu)件為四的單自由度機(jī)構(gòu)為單閉鏈，有四個(gè)低副。運(yùn)動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)型式為一種。由于相鄰兩桿件鉸鏈相連，所以只有兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)有可能滿(mǎn)足上述要求。當(dāng)相對(duì)桿件分別相等，成為正平行四邊形機(jī)構(gòu)時(shí)，兩相對(duì)桿件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)。若將這作相對(duì)平動(dòng)的兩構(gòu)件作為鉗口，就能保證鉗口工作時(shí)不呈角度而保持平行，但這樣的機(jī)構(gòu)兩鉗口夾持不同厚度的工件其鉗口你能保持平齊，甚至當(dāng)工件厚度變化大時(shí)不能工作。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中是行不通的。當(dāng) n=6 時(shí)，即六桿機(jī)構(gòu)。構(gòu)件為六的單自由度機(jī)構(gòu)為閉鏈數(shù)目等于二的閉復(fù)鏈，其運(yùn)動(dòng)鏈的基本機(jī)構(gòu)型式有兩種，

7、瓦特型和斯蒂文森型。上述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)要求可用瓦特型機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。見(jiàn)下圖1,圖1中C是四桿機(jī)構(gòu)AoABBo連桿上的一點(diǎn)。如果桿件1,2,3, 6長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合適，C總能在一定范圍內(nèi)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)KG同樣，在C點(diǎn)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)，合適地設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸 AD亦能使點(diǎn)E做與KC平行的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) KG所以構(gòu)件4和機(jī)架6為兩 鉗口就能得到一種新型的平直大開(kāi)口鉗。圖1瓦特型機(jī)構(gòu)3.2 技術(shù)特點(diǎn)及制作要求平直大開(kāi)口鉗的位移分析。如分析曲線(xiàn)圖 2,以機(jī)架6上的A o, Bo點(diǎn)連線(xiàn)為橫坐標(biāo) 軸，鉗把1上的AoD線(xiàn)與橫坐標(biāo)軸的夾角等于零度時(shí)為起始位置， 此時(shí)構(gòu)件4的橫坐標(biāo)為零， 畫(huà)出構(gòu)件4 （即鉗口 4）的位置曲線(xiàn)（

8、y-x ）及與橫坐標(biāo)軸夾角變化曲線(xiàn)（ Q-X）可以看出鉗 口 4在0到30mm上的范圍內(nèi)作近似直線(xiàn)平動(dòng)，最大相對(duì)轉(zhuǎn)角是 0.2度。平直大開(kāi)口鉗的力增益分析。設(shè)工件的厚度為 0到30mm手握力矩為 M鉗口夾持力 為N,用瞬時(shí)功率法求解兩者關(guān)系。分析圖 2就表示了這一關(guān)系。手握力矩為 M與夾持點(diǎn)無(wú) 關(guān)。結(jié)論總結(jié)：由分析圖2可知，構(gòu)件4相對(duì)機(jī)架6在一定范圍內(nèi)為直線(xiàn)平動(dòng)（大約30mm ）。 只要分別以構(gòu)件 4和機(jī)架6作為鉗口得到的工具鉗在夾持厚度為0到30 mm勺工件時(shí)，鉗口保持平直。大約30mm時(shí)，鉗口略成角度。在平直工作范圍內(nèi)，若手把長(zhǎng)度為195mm夾持力N和手握力R之比（力增益倍數(shù)）為 1.38

9、到2.56。裝配時(shí)，應(yīng)先放松螺母，然后將縱桿 1 和縱桿2相互對(duì)插，使圓柱頭鎖緊螺釘2的第二階梯形軸肩沿著聯(lián)結(jié)器的縱向滑槽向內(nèi)滑動(dòng)， 直到最終位置后旋緊螺母。一旦使直徑為Q2的階梯形軸肩壓入聯(lián)結(jié)器的上滑槽末端的圓孔內(nèi)，因有H2>H1,及B<Q2,故兩縱桿在在軸向的位移即可被約束住。繼續(xù)旋緊螺釘2,直至其頂部的軸肩緊壓住縱桿 2的外壁，可使兩對(duì)接縱桿間由尺寸誤差所產(chǎn)生的間隙晃動(dòng)得以 清除。圖2構(gòu)件4位移及力增益分析曲線(xiàn)3.3 具體桿件關(guān)鍵尺寸的設(shè)計(jì)過(guò)程先設(shè)計(jì)桿件1,2,3,6的合適長(zhǎng)度，使C點(diǎn)總能在一定的范圍內(nèi)作近視直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)Kc;在C做近視直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)再設(shè)計(jì)構(gòu)件AD的尺寸亦能使E

10、點(diǎn)作與Kc平行的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。3.3.1 桿件1,2,3,6的設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)選定Ao和Bo作為機(jī)架錢(qián)鏈中心，再按照桿件4的位置要求確定C點(diǎn)所走過(guò)的水 平軌跡的長(zhǎng)度，求機(jī)構(gòu)B點(diǎn).根據(jù)設(shè)計(jì) 鉗口所夾 持工件 的厚度(0-30mm)的范圍確 定 AoBo(29.5mm),AAo(54.5mm),AC(16.5mm)的長(zhǎng)度，再選定C點(diǎn)的軌跡，然后根據(jù)反求法定B點(diǎn)。如圖3在C點(diǎn)的軌跡上取等分的 C1,C,C2點(diǎn)，說(shuō)明要求C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)上述三點(diǎn)，即近視 為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).以CA的長(zhǎng)度為半徑，以C1,C,和C2點(diǎn)為圓心作弧，與以Ao為圓心，以AoA的長(zhǎng) 為半徑的圓弧交點(diǎn)為 A1,A和A2。以連卞f處于 C2A2的位置為

11、參考平面，把圖形 AIBoCI和 A2BoC2移動(dòng)到A1C1,A2c2與AC相重合，得到B1和B2點(diǎn).作BoB1線(xiàn)段的垂直平分線(xiàn) BoB2線(xiàn) 段的垂直平分線(xiàn)的交點(diǎn)為 B即可得機(jī)構(gòu)B點(diǎn)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)后再用圖解法使C點(diǎn)從C1點(diǎn)擺到C2點(diǎn)畫(huà)出C點(diǎn)的實(shí)際軌跡，如實(shí)際軌跡偏離直線(xiàn)太大，可調(diào)整AoA和CA的長(zhǎng)度，重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整即可得到滿(mǎn)意的結(jié)果。圖3四連桿平動(dòng)機(jī)構(gòu)圖4輔助三角形3.3.2借助Roberts定理，設(shè)計(jì)六連桿平動(dòng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)求機(jī)構(gòu)E點(diǎn)連桿上C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可由三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)AoABBo,AoA B，Co,BoB" A" Co產(chǎn)生，稱(chēng)為同族機(jī)構(gòu).由圖4的輔助三角形可知，當(dāng)連

12、架桿 AoA轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，另一同族機(jī)構(gòu)中的連架桿 CoN總保持與 AoA成b角而轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)然也有BoB和CoB，之間的夾角為a.圖4、5中用單圓 弧表示b角，雙圓弧表示a角.在圖5中擴(kuò)展構(gòu)件 AoA,使AoD與AoA夾角為b和AoD=CoA平 行，即DU為定長(zhǎng)，且DN =AoCo.在C和D點(diǎn)上連接由 CE和ED組成的二級(jí)桿組，使得 CE=DA ,ED=KA"。構(gòu)件CE上的C和E點(diǎn)必然沿完全相同的軌跡即可得機(jī)構(gòu)E點(diǎn)。I圖5六連桿平動(dòng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)上述設(shè)計(jì)過(guò)程可得所需的機(jī)構(gòu)C點(diǎn)、E點(diǎn)及相關(guān)的尺寸。BC=19mm AB=30mrBE=25.5mmDE=32mm BD=11.5mm AD=30mm BB=57mm CE=16.5mm如圖6所示，裝配時(shí)，應(yīng)先放松螺母，然后將縱桿 1和縱桿2相互對(duì)插，使圓柱頭鎖緊 螺釘2的第二階梯形軸肩沿著聯(lián)結(jié)器的縱向滑槽向內(nèi)滑動(dòng)，直到最終位置后旋緊螺母。一旦使直徑為Q2的階梯形軸肩壓入聯(lián)結(jié)器的上滑槽末端的圓孔內(nèi)，因有 H2>H1,及B<Q2 ,故兩縱桿在在軸向的位移即可被約束住。繼續(xù)旋緊螺釘2,直至其頂部的軸肩緊壓住縱桿2的外壁，可使兩對(duì)接縱桿間由尺寸誤差所產(chǎn)生的間隙晃動(dòng)得以清除。圖6平直大開(kāi)口鉗4設(shè)計(jì)作品的主要?jiǎng)?chuàng)新特色0.2 度。(1)平直大開(kāi)