氣動肌腱驅(qū)動的肘桿－杠桿增力雙工位并行高效夾緊裝置*

鹿 霖，胡 煒

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇蘇州 215104)

0 引言

作為工藝系統(tǒng)的組成部分之一，機床夾具在設(shè)計中基本要求就是輸出的夾緊力要足夠大，在加工過程中不能松動。因此，液壓系統(tǒng)由于輸出效果好且技術(shù)成熟得到廣泛使用［1］。但是液壓傳動系統(tǒng)能量利用率低，液壓泵噪聲較大，且活塞與缸體間的動密封形式容易發(fā)生油液泄漏及揮發(fā)，從而造成環(huán)境污染。隨著環(huán)境污染現(xiàn)象的日漸嚴重和人們環(huán)保意識的逐漸增強，很多情況下用運動速度快、動作平穩(wěn)、成本較低、無污染的氣動裝置來代替污染嚴重的液壓傳動［2］。由于氣壓傳動的明顯缺點是其系統(tǒng)工作壓力低(一般P=0．4～0．7 MPa)，為達到優(yōu)良的夾緊效果易使夾具體積過大。同時，壓縮空氣雖無污染，但空壓機產(chǎn)生壓縮空氣所消耗的電能，僅有19%轉(zhuǎn)化成壓縮空氣，剩下的81%轉(zhuǎn)化為熱能［3］，不符合當代節(jié)能理念。

氣動肌鍵是21世紀誕生的新型驅(qū)動器，是一種能提供雙向拉力且功率－質(zhì)量比高的新型氣動柔性執(zhí)行元件，它的主要特性是與同直徑氣缸相比，重量輕且驅(qū)動力是普通氣缸的10倍。目前已經(jīng)有很多學者開始嘗試將氣動肌腱用在夾具中來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性氣缸［4～6］。

1 工作原理與力學模型

在實際生產(chǎn)中，可以通過同時加工多個零件實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高，因此，設(shè)計合理的多工位高效夾具很有很必要。

1．1 氣缸驅(qū)動雙工位夾緊裝置

1．1．1 工作原理

圖1所示為利用傳統(tǒng)剛性氣缸實現(xiàn)雙工位夾緊的典型機構(gòu)。該機構(gòu)由剛性氣缸體、兩組活塞組件、兩組夾緊元件所組成。

圖1 剛性氣缸雙工位夾緊裝置

圖1所示機構(gòu)中，當換向閥處在如圖所示位置時，壓縮空氣通入氣缸中部作用在兩組活塞組件的活塞端面上，推動兩活塞向氣缸兩端同時移動，從而使兩活塞桿同時向左、右兩端分別移動，則夾緊元件在活塞桿的作用下各自夾緊對應工件后進行加工。工作結(jié)束后，換向閥換至右工位，壓縮空氣從氣缸兩端進入，推動兩活塞組件向中間移動，從而使夾緊元件放松對工件的夾緊作用。

該機構(gòu)整體對稱，并可通過活塞組件自行調(diào)節(jié)在氣缸中的移動距離來解決工件厚度不均的問題。

1．1．2 力學計算

該機構(gòu)力學模型簡單，系統(tǒng)實際輸出力為:

式中:d為氣缸直徑;p為氣壓系統(tǒng)壓力(MPa);η為氣缸活塞裝置工作效率，常取 0．85［7］。

由式(1)可知，要保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，則在夾緊力要求高的場合就要增加壓縮空氣的壓力，目前工業(yè)上常用氣壓系統(tǒng)壓力為0．4～0．7 MPa，同時系統(tǒng)壓力越大，能耗就越大;同樣要求下，要減少能耗，則一定要增加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，從而使得夾緊裝置體積龐大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。

因此，基于在保證夾緊力的前提下同時兼顧系統(tǒng)節(jié)能和緊湊兩方面的想法，本文將氣動肌腱和肘桿－恒增力杠桿相結(jié)合，設(shè)計了一種高效的雙工位并行夾緊裝置。

1．2 氣動肌腱驅(qū)動的雙工位并行夾緊裝置

1．2．1 工作原理

圖2所示為氣動肌腱驅(qū)動的雙工位并行夾緊裝置。該夾具結(jié)構(gòu)主要由氣動肌腱、肘桿、杠桿、連桿、傳力件、滑塊、夾緊元件及復位彈簧組成。

圖2 氣動肌腱驅(qū)動的雙工位并行高效夾具

氣動肌腱是一種拉伸驅(qū)動器，模仿自然肌腱的運動。它由一個收縮系統(tǒng)和連接器組成，這個收縮系統(tǒng)由一段被高強度纖維包裹的密封橡膠管組成，纖維形成了一個三維的菱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

如圖2所示產(chǎn)，氣動肌腱由一個二位三通電磁閥控制，當處于所示左工位時，壓縮空氣進入氣動肌腱內(nèi)部，在內(nèi)部氣壓作用下，氣動肌腱內(nèi)部的橡膠管在氣壓作用下開始變形，并產(chǎn)生徑向膨脹，使柵格中的纖維網(wǎng)格夾角變大，在軸向方向產(chǎn)生收縮，氣動肌腱便產(chǎn)生軸向的拉伸力。該軸向拉力對傳力件產(chǎn)生向下的拉力，使其向下運動。傳力件上加工出一個徑向矩形滑槽，置于滑槽中的滑塊在傳力件帶動下推動兩邊肘桿機構(gòu)，利用其角度效應將力一次放大后帶動兩邊恒增力杠桿轉(zhuǎn)動，然后將力二次放大后傳遞給連桿。兩邊夾緊元件分別在連桿的作用下將兩工件同時夾緊。

結(jié)束加工后，電磁閥斷電，二位三通閥處于右工位，則氣動肌腱內(nèi)壓力從閥出氣口排出。壓力釋放后，高彈性橡膠材料在復原過程中迫使特殊纖維格柵回復到原始位置，氣動肌腱也恢復原來位置［8］，失去軸向的拉伸力。在復位彈簧的作用力下，傳力件向上運動，拉動肘桿與工作時反方向運動，進而帶動杠桿反向運動，裝置放松對工件的夾緊。

值得說明的是，滑塊的作用很重要?；瑝K以適當?shù)拈g隙置于傳力元件滑槽中，當所夾零件厚度不同時，滑塊可通過在滑槽中自動調(diào)節(jié)所處的位置起到力反饋作用，從而保證兩工件的同時夾緊。

1．2．2 力學計算

通過建立力學模型，圖2中所示系統(tǒng)的實際增力系數(shù)的計算公式分別為:

式中:io為夾緊元件實際增力系數(shù);l1為杠桿主動臂長度;l2為杠桿被動臂長度;α為滑塊與肘桿連接處間夾角;φ為鉸鏈副的當量摩擦角;η1為杠桿機構(gòu)效率，常取 0．97［9］;η2為肘桿機構(gòu)效率，常取 0．90［9］。

1．2．3 性能曲線

由式(2)可得出增力系數(shù)和輸入件與肘桿連接處間夾角α及杠桿的主動臂與被動臂的長度比l1/l2之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3中實線為增力系數(shù)與杠桿主、被動臂長度之比l1/l2的關(guān)系(α取6°時)。由性能曲線圖可以看出，機構(gòu)的實際放大倍數(shù)與杠桿的主動臂與被動臂的長度比呈線性關(guān)系，隨比值的增大而增力。但因結(jié)構(gòu)問題，一般杠桿的單級放大倍數(shù)會有一定限制，一般不會超過10。

虛線是增力系數(shù)與力輸入件與肘桿連接處間夾角α在杠桿的主動臂與被動臂的長度比取為4時相應關(guān)系的呈現(xiàn):呈遞減曲線規(guī)律變化。鉸桿壓力角α越大，則實際增力系數(shù)io越小。應該指出的是，盡管肘桿機構(gòu)的理論壓力角α越小，其增力效果越明顯，但是由于相關(guān)構(gòu)件的制造精度等原因，理論壓力角的取值不可能很小，在工程實際運用中，一般可取5°～10°［10］左右。

圖3 增力系數(shù)分別與α、l1/l2的關(guān)系圖

2 應用舉例與性能比較

氣動肌腱與傳統(tǒng)氣缸相比結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、密封效果好，且能產(chǎn)生相當于同徑氣缸數(shù)倍的拉伸力［2］，夾緊效果好。

以本設(shè)計為例，取 α=7°，φ=5°，l1=240 mm，l2=80 mm，則利用公式(2)可得 io≈6．16。此時如采用FESTO型氣動肌腱為驅(qū)動元件(自由狀態(tài)時直徑20 mm)，允許使用的最高工作壓力由彈性內(nèi)管的強度決定［2］。若在其工作范圍內(nèi)取氣壓為0．5 MPa，則產(chǎn)生的最大收縮力為Fimax=1 200 N，最小收縮力為Fimin=220 N。圖2所示機構(gòu)相應的輸出力為Fomac=7 392 N，F(xiàn)omin=1 355 N。而采用圖1所示剛性氣缸實現(xiàn)雙工位夾緊，在氣壓相同，缸徑相同的情況下，則由(1)可得氣缸輸出推力為約134 N，可見機構(gòu)2可產(chǎn)生的輸出力為機構(gòu)1的10～55倍，夾緊效果顯著提高。

若機構(gòu)2取收縮力Fi=800 N，則對應的夾緊力Fo=4 928 N。使用機構(gòu)1在同等氣壓下要產(chǎn)生同樣的輸出力，其氣缸直徑約為122 mm，而機構(gòu)2中氣動肌腱在自由狀態(tài)時直徑僅為20 mm，可見相同夾緊效果下，機構(gòu)2的結(jié)構(gòu)緊湊性更優(yōu)。

3 結(jié)論

介紹的氣動肌腱驅(qū)動的肘桿－杠桿增力雙工位高效夾具具有如下特點。

(1)該夾緊裝置以質(zhì)量輕、輸出力大、耗氣量小的氣動肌腱來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性氣缸作為動力元件，結(jié)合力放大機構(gòu)，大大減少系統(tǒng)的體積及系統(tǒng)的功率消耗。同時，因為無移動機械部件所以摩擦損耗小。

(2)適用范圍廣。由于氣動肌腱密封性能好，變動密封形式為靜密封形式，分隔驅(qū)動器內(nèi)空氣和周圍空氣，所以無污染，符合綠色化設(shè)計理念，在抗塵、抗污方面能力顯著，因此該裝置亦適合外部環(huán)境不太理想的場合下工作。

(3)氣動肌腱是無污染的新型元件，以氣動肌腱為動力所設(shè)計的機構(gòu)2既滿足夾具輸出要求又兼顧了綠色化發(fā)展理念，同時結(jié)構(gòu)對稱具有美感，且主要元件中肘桿、杠桿技術(shù)成熟，制造方便，因此機構(gòu)具有較好的推廣價值。

［1］ 田子欣，邢艷輝．S形凸輪軸曲面加工專用夾具的設(shè)計［J］．煤礦機械，2014(6):115－116．

［2］ 王道林，劉 濱．單臂鉸鏈夾緊機構(gòu)的設(shè)計與分析［J］．煤礦機械，2014(6):117－118．

［3］ 王雄耀．對我國氣動行業(yè)發(fā)展的思考［J］．流體傳動與控制，2012(4):1－6，10．

［4］ 鹿 霖，鐘康民．氣動肌腱驅(qū)動的雙工位高效夾緊裝置［J］．機械設(shè)計與研究，2010(10):47－49．

［5］ 秦培亮，鐘康民．氣動肌腱驅(qū)動的基于桿件－鉸桿的對稱夾具系統(tǒng)設(shè)計［J］．機床與液壓，2012(4):105－106，163．

［6］ 秦培亮，鐘康民．可重構(gòu):基于桿件長度與角度效應氣動肌腱驅(qū)動的夾具系統(tǒng)［J］．液壓與氣動，2012(9):99－101．

［7］ 宋學義．袖珍液壓氣動手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1994．

［8］ 王雄耀，張國興．氣動肌腱在振動料斗領(lǐng)域的應用［J］．流體傳動與控制，2004(2):28－30．

［9］ 林文煥，陳本通．機床夾具設(shè)計［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1994．

［10］ 柏 青，鐘康民．基于氣動肌腱的三級增力壓緊裝置［J］．輕工機械，2009(2):90－91．