氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的形封閉偏心輪機(jī)構(gòu)和杠桿式壓板的綠色夾具

吳冬敏 鐘康民

（蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215021）

在常見的夾緊機(jī)構(gòu)中，偏心夾緊機(jī)構(gòu)不僅具有自鎖和力放大的功能，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和夾緊動(dòng)作快速等優(yōu)點(diǎn)。因此，偏心夾緊機(jī)構(gòu)在機(jī)械制造行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。

氣動(dòng)肌腱是一種功率/質(zhì)量比大、功率/直徑比大、能提供雙向拉力的新型氣動(dòng)柔性執(zhí)行元件。與傳統(tǒng)氣缸相比，它有很大的初始拉伸力;與液壓缸相比，它重量輕、慣性小、抗污和抗塵能力強(qiáng)、摩擦小、無相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件、無易損件、無泄漏現(xiàn)象，是一種準(zhǔn)綠色的驅(qū)動(dòng)元件。由于這些優(yōu)越性，近年來氣動(dòng)肌腱的使用越來越廣泛［1］。

文獻(xiàn)［2］介紹了一種將形封閉偏心輪機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)肌腱相結(jié)合的新型夾具，充分發(fā)揮了兩者的長處。該夾具具有自鎖功能、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、力放大效果顯著等特點(diǎn)。但該夾具的主要缺點(diǎn)是:①在工件表面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與夾緊作用分力相垂直的水平分力，使力輸出件與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，破壞定位，容易造成摩擦損失;②當(dāng)該夾具往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率偏高時(shí)，由于出現(xiàn)這個(gè)水平阻力，容易產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種將氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的形封閉偏心輪與杠桿式壓板相串聯(lián)的綠色夾具。

1 工作原理

圖1所示為氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的形封閉偏心輪機(jī)構(gòu)與恒增力杠桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)組合的夾具。其工作原理為:在偏心輪手柄上連接了兩個(gè)對(duì)稱的氣動(dòng)肌腱，并接以一個(gè)二位四通閥來控制這兩個(gè)氣動(dòng)肌腱的工作狀態(tài)，達(dá)到夾緊與放松的效果。在杠桿壓板的左端加工一個(gè)孔，將偏心輪置于該孔中，并可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)在圖1所示的工作狀態(tài)，左邊的氣動(dòng)肌腱在壓縮空氣的作用下產(chǎn)生收縮力，驅(qū)動(dòng)偏心輪繞O1作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制帶動(dòng)杠桿式壓板的左端繞固定鉸支座O2擺動(dòng)且向下運(yùn)動(dòng)，壓板上的固定銷將力傳遞給半圓形力輸出件，半圓形力輸出件向下移動(dòng)夾緊工件;當(dāng)二位四通閥處于右位時(shí)，右邊的氣動(dòng)肌腱在壓縮空氣的作用下產(chǎn)生收縮力，驅(qū)動(dòng)偏心輪繞O1作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制帶動(dòng)杠桿式壓板的左端繞固定鉸支座O2向上擺動(dòng)，從而帶動(dòng)半圓形力輸出件向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的放松。

2 力學(xué)計(jì)算

假設(shè)由氣動(dòng)肌腱產(chǎn)生的收縮力為F，考慮摩擦損失，通過建立力學(xué)模型，如圖1所示夾具的實(shí)際增力系數(shù)iop［3］為

則該夾具的實(shí)際輸出力F0為

3 應(yīng)用舉例

假定上述參數(shù)不變，選取FESTO系列產(chǎn)品中型號(hào)為MAS－20的氣動(dòng)肌腱為驅(qū)動(dòng)元件，當(dāng)氣壓為0.5 MPa，其產(chǎn)生的最大收縮力Fmax=1 200 N，最小收縮力為Fmin=220 N［5］。若取F=500 N，則該夾具所產(chǎn)生的輸出力F0=21 000 N。如果采用壓力為0.5 MPa的氣缸直接作用，要產(chǎn)生相同大小的作用力，經(jīng)計(jì)算可得氣缸的直徑為D=231 mm，而圖1所示夾具中氣動(dòng)肌腱的自由狀態(tài)直徑僅為20 mm。由此可見，在需要輸出力較大且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場(chǎng)合該裝置可以代替氣壓夾緊機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)構(gòu)的高效與節(jié)能成為綠色化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的基于氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的形封閉偏心輪機(jī)構(gòu)與杠桿式壓板串聯(lián)組合的夾具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力傳遞效率高，節(jié)能效果顯著，操作方便，夾緊動(dòng)作快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沖擊小等特點(diǎn)。能夠有效地克服氣壓傳動(dòng)壓力小、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)容易產(chǎn)生污染的缺點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于需要較大輸出力、尺寸受限制的場(chǎng)合，是一種綠色環(huán)保無污染的夾具。同時(shí)將偏心輪機(jī)構(gòu)與杠桿式壓板進(jìn)行組合使用，為杠桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用開辟了更廣闊的前景。

［1］秦培亮，鐘康民．氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的基于曲杠桿－鉸桿的增力壓緊裝置［J］．機(jī)械制造，2010（12）:64－65．

［2］鹿霖，鐘康民．氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的形封閉偏心夾緊裝置［J］．液壓與氣動(dòng)，2008（3）:31－32．

［3］長春第一汽車制造廠工裝設(shè)計(jì)室．機(jī)械夾具設(shè)計(jì)原理［M］．長春:吉林人民出版社，1976．

［4］林文煥，陳本通．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1987．

［5］王雄耀．介紹一種氣動(dòng)新產(chǎn)品－仿生氣動(dòng)肌肉腱［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2002（1）:31－35．