內(nèi)置桿氣壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增力氣動(dòng)夾具設(shè)計(jì)分析

1、內(nèi)置桿氣壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增力氣動(dòng)夾具設(shè)計(jì)分析氣壓傳統(tǒng)夾具的發(fā)展及現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展及在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 機(jī)械制造業(yè)獲得高速發(fā)展， 但同時(shí)也給人類(lèi)社會(huì)和生活環(huán)境帶來(lái)了一些負(fù)面影響， 其中典型的是環(huán)境污染問(wèn)題， 因此綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)將成為未來(lái)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的重要方向和超勢(shì)。其中在機(jī)械制造的夾具設(shè)計(jì)中， 基于氣壓傳動(dòng)的高效夾具因其無(wú)污染、 無(wú)泄漏風(fēng)險(xiǎn)、 綠色環(huán)保而被現(xiàn)代制造業(yè)廣泛運(yùn)用。 通常機(jī)床夾具可分為通用夾具、組合夾具、成組專(zhuān)用夾具、專(zhuān)用夾具、隨行夾具等幾類(lèi)。 在機(jī)床夾具中， 液壓傳動(dòng)夾具與氣壓傳動(dòng)夾具是兩種具有代表性的機(jī)床夾具， 液壓傳動(dòng)夾具是用液體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制

2、， 而氣壓傳動(dòng)夾具則是用氣體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制。氣壓傳動(dòng)具有其突出優(yōu)點(diǎn)，比如：以氣體為工作媒介，來(lái)源方便且無(wú)污染，工作環(huán)境適應(yīng)性好，空氣粘度小，流動(dòng)阻力小，氣動(dòng)控制動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工且使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，適于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。此外，氣壓傳動(dòng)維護(hù)簡(jiǎn)單，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)、補(bǔ)充與更換等問(wèn)題。 在與液壓傳動(dòng)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)， 液壓傳動(dòng)在執(zhí)行元件的輸出力、無(wú)級(jí)變速、可操縱性等方面表現(xiàn)突出，而氣壓傳動(dòng)則在動(dòng)作快慢、控制性能、可操縱性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化程度、產(chǎn)品更新及自動(dòng)化容易程度、壽命、價(jià)格、維修成本、環(huán)保型等方面表現(xiàn)較為突出。內(nèi)置桿氣壓缸工作原理和傳動(dòng)力計(jì)

3、算相對(duì)于內(nèi)置桿氣缸而言， 外置桿氣缸動(dòng)力是依靠其伸出的活塞桿來(lái)傳遞的， 但其在外觀(guān)、 形狀設(shè)計(jì)上會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變得很大，因此將外置桿活塞氣壓缸改為內(nèi)置桿式氣壓缸，并通過(guò)在內(nèi)置桿上增加搖臂桿或直接把內(nèi)置桿設(shè)計(jì)成斜楔形式，把氣缸壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械力傳遞出去。 當(dāng)外置桿改為內(nèi)置桿之后， 在內(nèi)置桿上加工出徑向孔， 再間隙配合帶有滾動(dòng)輪的搖臂桿， 此時(shí)壓縮空氣從氣壓缸左腔進(jìn)入時(shí)， 推動(dòng)活塞右移動(dòng)， 進(jìn)而帶動(dòng)徑向孔內(nèi)滾動(dòng)輪右運(yùn)動(dòng)，在滾動(dòng)輪的帶動(dòng)下，搖臂桿上端沿固定支點(diǎn)擺動(dòng)，下端推動(dòng)滑塊沿導(dǎo)向軌道左運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)而達(dá)到傳遞力和運(yùn)動(dòng)的效果。 其輸出力的計(jì)算公式為：式中： d 為活塞直徑； p 為空氣壓力；為主動(dòng)臂長(zhǎng)度；

4、為被動(dòng)臂長(zhǎng)度；為氣缸的機(jī)械效率。雖然利用內(nèi)置桿氣壓缸大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)， 節(jié)省了大量的空間，但也存在一些不足，比如：需在活塞桿上開(kāi)槽，使其結(jié)構(gòu)工藝性比外置桿氣壓缸更復(fù)雜， 此外內(nèi)置桿氣壓缸在需要輸出較大的位移場(chǎng)合，通常不如外置桿氣壓缸方便。3 內(nèi)置桿氣壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增力夾緊裝置通過(guò)對(duì)內(nèi)置桿氣壓缸的分析可發(fā)現(xiàn)， 內(nèi)置桿氣壓缸是一種結(jié)構(gòu)緊湊、 空間利用率較高的新型氣壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件， 容易實(shí)現(xiàn)氣缸沖程長(zhǎng)度最大化， 運(yùn)用于機(jī)械夾具中具有諸多優(yōu)勢(shì)。 隨著機(jī)械制造及自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新， 內(nèi)置桿氣壓缸在不斷的研發(fā)中，為適應(yīng)實(shí)際機(jī)械制作需求，逐漸研究出一級(jí)、二級(jí)以及多級(jí)增力機(jī)構(gòu)，使其適用于不同的生產(chǎn)需求。一

5、次增力機(jī)構(gòu)與內(nèi)置桿氣壓缸從基于長(zhǎng)度效應(yīng)的一次增力輸出裝置來(lái)看， 其工作原理是利用杠桿的上下擺動(dòng)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)， 通常是在內(nèi)置桿中部加工一個(gè)矩形孔， 并在矩形徑向孔中以適當(dāng)?shù)拈g隙嵌入滾輪， 最終使與滾輪連接的杠桿可繞固定支點(diǎn)上下擺動(dòng)。 壓縮空氣從下腔進(jìn)入時(shí)推動(dòng)活塞上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而內(nèi)置桿帶動(dòng)滾輪上運(yùn)動(dòng)，杠桿做順時(shí)針擺動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到杠桿另一端加緊工件的效果。 其理論輸出力 Fot 與實(shí)際輸出力 Fop 的計(jì)算公式分別為：式中分別為氣壓缸傳遞效率與杠桿傳動(dòng)效率。從基于角度效應(yīng)的一次增力輸出裝置來(lái)看， 鉸桿機(jī)構(gòu)與斜楔機(jī)構(gòu)最常見(jiàn)，機(jī)構(gòu)的自鎖特性是角度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)突出優(yōu)點(diǎn)。基于角度效應(yīng)的鉸桿機(jī)構(gòu)氣動(dòng)夾具工作原理是：

6、 壓縮空氣從氣壓缸左腔進(jìn)入后， 活塞在壓縮空氣的推動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)， 其運(yùn)動(dòng)力則通過(guò)鉸桿的角度效應(yīng)獲得一次放大， 放大后的運(yùn)動(dòng)力傳遞到力輸出件上， 并最終由力輸出件完成力輸出并作用于工作對(duì)象上， 完成夾具加緊效果。實(shí)驗(yàn)研究表明，在機(jī)械制造中，當(dāng)機(jī)床夾具需要加緊較大的工件時(shí)， 采用多點(diǎn)加緊工件的方法能夠取得更好的夾持效果。二級(jí)增力機(jī)構(gòu)與內(nèi)置桿氣壓缸在實(shí)際的內(nèi)置桿氣壓缸驅(qū)動(dòng)的穿動(dòng)力夾具設(shè)計(jì)時(shí)， 基于角度- 長(zhǎng)度效應(yīng)的二次增力輸出裝置常見(jiàn)機(jī)構(gòu)有斜楔- 杠桿二次增力機(jī)構(gòu)與角度鉸桿- 杠桿二次增力機(jī)構(gòu)， 斜楔 - 杠桿二次增力機(jī)構(gòu)是通過(guò)斜楔將輸出力一次增大之后再經(jīng)過(guò)杠桿二次增大， 而角度鉸桿-杠桿二次增力機(jī)

7、構(gòu)則是通過(guò)角度效應(yīng)對(duì)輸出力一次增大之后，再通過(guò)杠桿二次放大， 最終達(dá)到夾具對(duì)工件的夾緊效果。 基于角度-長(zhǎng)度效應(yīng)的二次增力輸出裝置其斜桿壓力角度越小、杠桿增力比越大時(shí)，夾具系統(tǒng)的增力越大。就基于長(zhǎng)度- 角度效應(yīng)的二次增力輸出裝置而言，可由內(nèi)置桿氣壓缸、雙面斜楔與恒增力杠桿組成。在其工作中，氣缸左腔進(jìn)入壓縮空氣而右腔內(nèi)壓縮空氣釋放， 這是內(nèi)置桿活塞在缸內(nèi)氣壓變化中由左腔壓縮空氣推動(dòng)而向右運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)連接杠桿的滾輪向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)杠桿另一端的滾輪帶動(dòng)雙面斜楔向右運(yùn)動(dòng)，最終右邊夾具加緊工件， 而此時(shí)左邊處于放松狀態(tài)。 因此通過(guò)分析可知，在這種二級(jí)增力機(jī)構(gòu)條件下，機(jī)械工件加工過(guò)程中，可通過(guò)換向閥控制

8、， 分別對(duì)左右邊進(jìn)行輪流裝卸。 二級(jí)增力加緊裝置中斜楔機(jī)構(gòu)保證自鎖的條件為：W,常用機(jī)床夾具中的取值范圍為（57）。3.3 三級(jí)增力機(jī)構(gòu)與內(nèi)置桿氣壓缸在機(jī)械制造行業(yè)， 尤其是工程領(lǐng)域范圍， 重型機(jī)械需要加大的輸出力， 而簡(jiǎn)單的一級(jí)增力甚至二級(jí)增力無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求， 這就需要實(shí)現(xiàn)三級(jí)增力或是多級(jí)增力。 機(jī)床夾具中多級(jí)增力裝置設(shè)計(jì)的困難在于隨著增力級(jí)數(shù)的增加而機(jī)械增力裝置的體積隨之增大，在這種背景下，內(nèi)置桿氣壓缸以其簡(jiǎn)便、體積小的優(yōu)點(diǎn)， 使其在大輸出力裝置的研發(fā)中不斷涉及。 在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)中， 內(nèi)置桿活塞缸與三級(jí)增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合， 能夠在一定程度上解決大輸出力多級(jí)數(shù)機(jī)械增力裝置體積大的設(shè)計(jì)困境， 比如： 在工程機(jī)械和重型機(jī)床等中的設(shè)計(jì)應(yīng)用