基于斜楔-鉸桿-偏心輪的沖擊式自鎖柔性?shī)A具*

王 晨 王明娣

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇蘇州 215021)

隨著NC機(jī)床和加工中心在生產(chǎn)中的普遍使用,以及柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等的發(fā)展,多品種中小批量生產(chǎn)日益受到重視。柔性?shī)A具理所當(dāng)然成為現(xiàn)代夾具的一個(gè)主要發(fā)展方向。同時(shí)采用綠色設(shè)計(jì)與制造是制造業(yè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、解決環(huán)境污染問(wèn)題的必由之路,因此機(jī)床夾具必然要向柔性化、綠色化方向發(fā)展。手動(dòng)沖擊式夾具就是一種典型的綠色夾具。但是由于人手作用力的限制(對(duì)于操作頻率較高的夾具,人手作用力不應(yīng)大于150 N),其輸出的夾緊力不可能很大,這無(wú)疑極大地制約了手動(dòng)夾具的應(yīng)用范圍。本文設(shè)計(jì)了一種基于斜楔,鉸桿和偏心輪的沖擊式手動(dòng)柔性?shī)A具,不僅可以對(duì)夾緊力進(jìn)行放大,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)環(huán)保,并且滿足柔性要求[1-2]。

1 工作原理

如圖1所示,該夾具系統(tǒng)主要由斜楔、滑塊、鉸桿、復(fù)位彈簧、偏心輪等組成。

在滑塊內(nèi)部加工一個(gè)方形的孔,其寬度為鉸桿聯(lián)接處的直徑大小,當(dāng)夾具工作時(shí),斜楔推動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng),鉸桿聯(lián)接處可以在方孔內(nèi)滑動(dòng),解決了自由度不足的問(wèn)題;斜楔的楔角α小于斜楔與滑塊表面的摩擦角,故斜楔可以自鎖;偏心輪的安裝如圖2所示,力輸出點(diǎn)與偏心輪轉(zhuǎn)軸的夾角θ大于偏心輪與物件的摩擦角,故偏心輪不可以自鎖,只是對(duì)夾緊力進(jìn)行一定的放大作用,又因?yàn)槠妮営幸欢ǖ膴A緊范圍,所以可實(shí)現(xiàn)柔性化。

當(dāng)用工具(如錘子)在斜楔的大端敲擊一下,對(duì)斜楔施加一個(gè)沖擊力Q時(shí),經(jīng)斜楔的一次力放大后作用力驅(qū)動(dòng)滑塊向右滑動(dòng);滑塊的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鉸桿的運(yùn)動(dòng),使鉸桿角度β減小,同時(shí)壓縮復(fù)位彈簧,夾緊力經(jīng)鉸桿二次放大后作用到偏心輪上;偏心輪在對(duì)夾緊力進(jìn)行第三次力放大后夾緊物件。又因?yàn)樾毙ǖ淖枣i作用,整個(gè)夾具保持夾緊狀態(tài)。當(dāng)需要松開物件時(shí),只需用工具在斜楔的小端敲擊一下,使斜楔退回,這時(shí)滑塊在復(fù)位彈簧的彈力作用下向左滑動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)鉸桿運(yùn)動(dòng),增大鉸桿角度β,鉸桿的運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而松開物件。

2 力學(xué)計(jì)算與分析

如圖1和圖2所示,通過(guò)建立力學(xué)模型,可算得該夾具系統(tǒng)的理論增力系數(shù)iot和實(shí)際增力系數(shù)iop分別為

式中:α為斜楔斜角;β為鉸桿與鉛垂線的夾角;ρ為偏心輪力輸出點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離,ρ=;e,R為偏心輪的偏心距和半徑;L3為偏心輪力輸入點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離,L3=2e;γ為偏心輪力輸入點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心O3的連線相對(duì)于鉛垂線的夾角;θ為偏心輪輸出點(diǎn)處偏心輪升角,θ=arctan[esinγ/(R-ecosγ)];φ1、φ2為斜楔分別與支座和滑塊的摩擦角,當(dāng)支座和滑塊采用相同的材料時(shí),φ1=φ2=φ;φ3為鉸鏈副的當(dāng)量摩擦角,φ3=arctan(fd/l)(d為鉸桿上鉸鏈孔的直徑;l為鉸桿上兩鉸鏈孔的中心距;f為鉸鏈副的摩擦系數(shù));Φ1、Φ2分別為偏心輪在力輸出點(diǎn)處對(duì)壓緊表面的摩擦角以及偏心輪對(duì)回轉(zhuǎn)軸的摩擦角,通常 Φ1=Φ2=5°43'[3-4]。

由式(1)和式(2)可算得該系統(tǒng)的理論輸出力Fot和實(shí)際輸出力Fop分別為:

圖3描繪出了力放大系數(shù)與鉸桿的角度β和斜楔楔角α的關(guān)系。

由圖3可以看出,斜楔楔角α一定時(shí),力放大系數(shù)隨著鉸桿角度β的變小而變大;在鉸桿的角度β一定時(shí),力放大系數(shù)隨著斜楔楔角α的變小而變大。因此,在設(shè)計(jì)夾具結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)將斜楔的斜角α取為較小值,同時(shí)應(yīng)使鉸桿的工作范圍取在鉸桿角度β較小的范圍內(nèi),從而可以獲得較大的力放大系數(shù)。

3 應(yīng)用舉例

設(shè)機(jī)構(gòu)中各參數(shù)如下:α=8°,β=10°,γ=45°,φ=φ3=5.7°,e=30 mm,R=60 mm,L3=2e=60 mm。 將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)得夾具的理論和實(shí)際力放大倍數(shù)為:iot=35.41,iop=6.18。

該系統(tǒng)中,通過(guò)工具敲擊斜楔的瞬間沖擊力Q無(wú)法利用公式計(jì)算,但獲得2 kN的瞬間作用力是很輕松的。假設(shè)Q=2 kN,代入式(3)和式(4)可以得到理論和實(shí)際的夾緊力為:Fot=70.82 kN,Fop=12.36 kN,滿足一般的工件夾緊要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算可知,該夾具系統(tǒng)中,給斜楔一個(gè)較小的瞬間作用力,經(jīng)過(guò)斜楔-鉸桿-偏心輪三次增力后,可以得到較大的輸出夾緊力,解決了手動(dòng)夾具夾緊力較小的問(wèn)題,可以在某些方面代替耗能較高的液壓和氣動(dòng)夾具,符合綠色制造技術(shù)的發(fā)展要求;另一方面,該夾具系統(tǒng)采用偏心輪夾緊機(jī)構(gòu),對(duì)一定尺寸范圍內(nèi)的物件均可進(jìn)行夾緊,滿足柔性?shī)A具的設(shè)計(jì)要求,具有廣闊的發(fā)展前景。因此,對(duì)其進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究及創(chuàng)新開發(fā),具有重要的意義。

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