具有三级力放大机构的气动夹具设计及应用.docx

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具有三级力放大机构的气动夹具设计及应用

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摘要:设计了一种由三级力放大机构和无杆缸组成的气动夹具系统，力的放大基于三个角度完成。该三级力放机构具有结构简单、布置紧凑的优点,将其应用于气动夹具中，能够显著减小气缸的直径；或是在气缸直径相同的条件下，夹具的输出力得到了明显的提高。为解决气动夹具体积过大这一棘手问题提供了新的思路。

关键词:夹具;气压传动;力放大机构

1前言

气动夹具因其使用清洁型的压缩空气作为工作介质，具有成本低、无污染、安全、可靠性高和使用寿命长等优点，被称为“绿色夹具”。将其与PLC控制结合，可实现高度的自动化装夹，广泛应用于各种自动化设备的夹紧装置中。然而气体的可压缩性又使气动系统得工作压力不高（一般p≤0.8MPa），如何使气动系统和机械系统配合，以达到更高的夹紧力，使设备完成更多的工作，是人们追寻的一个目标。

本文介绍基于三级力放大机构与无杆活塞缸的气动夹具，用固定式无杆活塞缸提供动力，配合各种力放大机构，在气动系统压力一定的情况下，弥补气源压力不高的缺陷，在某些场合可以代替容易产生污染的液压夹具。

2结构及工作原理

如图1所示：当气动换向阀处于左位时，压缩空气进入气缸左腔，迫使斜楔活塞8向右移动。在斜楔活塞8斜面的作用下，通过传力轴承7的作用，迫使锥球头滑柱5向上运动，进而推动钢球4作向上运动；其上方的压紧件输出力Fo，将工件夹紧。当气动换向阀切换至右位时，活塞向左运动，压紧件1、钢球4和锥球头滑柱5可通过弹簧2作用自动复位，使加工完毕的工件得以松开。

1—压紧件；2—弹簧；3—夹具体；4—钢球（三个）；5—锥头滑柱；6—铜管；7—传力轴承；8—斜楔活塞；9—端盖；10—缸筒。

图1夹具结构简图

为了使压紧件具有足够的工作行程，采用带有两个不同楔角的斜楔活塞。在滑柱下部安装一传力轴承，其目的是改善运动性能。钢球数量为三个，在进行具体结构设计时应采用保持等分的机构。钢球与夹具体斜面的夹角β也不能太小（一般取15°—30°），以免产生自锁而不能自动回位。这种传动方案不要求自锁，在一定的行程要求和力放大倍数下，合理的分配各级放大系数，即可降低机构尺寸。

3力学计算

一级传动采用斜楔夹紧机构，二、三级传动基于两三个角度增力。

3.1活塞与滑柱部分设计（一级）

按图1进行机构设计。一级传动采用图2传力形式，既可以满足传力效果，又使机构结构简单、紧凑。

图2活塞与滑柱传动简图

力学计算公式如下：

（1）

（2）

取：；；

；。

式中：—气体作用在活塞上的压力(N)；—活塞夹紧产生的夹紧力(N)；—斜楔升角(°)；—滚动作用在斜楔面上的当量摩擦角(°)；—平面摩擦时，作用在斜楔面上的摩擦角(°)；—作用在斜楔基面上的摩擦角(°)；—移动柱塞单头导向时，导向孔对移动柱塞的摩擦角(°)。

3.2滑柱与钢球传动设计（二、三级）

采用“钢球—锥头滑柱”传力，可使夹具结构紧凑，摩擦损失较小，且增力倍数较大。基于两个角度的增力，完成了二、三级放大。

（1）钢球受力分析

对钢球进行受力分析可得：

（3）

式中FO1—一级传动夹具输出力(N)；

—夹具体斜面升角(°)；

—夹具体斜面作用在钢球上的摩擦角(°)。

（2）滑柱与钢球部分力放大倍数及行程比

（4）

（5）

3.3总体力学分析

若不考虑弹簧作用力和机构的传递效率。输出力：

（6）

力放大倍数：

（7）

行程比：

（8）

实际工程问题中，弹簧作用力相对极小，在具体计算时忽略。

4应用举例

由公式（7）可见，图1所示夹具具有较大的放大系数。

当斜楔活塞存在自锁性能时，例如，取（此时，），当，，时，。力的放大倍数可高达130，由公式（8），行程比约为0.027，机构体积较大。

若调节各项参数，斜楔活塞运动不需要考虑自锁情况，只须进气稳定，即可满足定位准确。

当，，时，带入公式（7）中，。

在如此大角度前提下，力的放大倍数也达62。由公式（8），行程比约为0.084，机构体积相当紧凑的同时，拥有如此大的力放大系数，这是一般力放大机构所难以达到的。

调节三者中任意一个角度，便可方便地得到不同的传动比和结构形式。

5结束语

（1）该机构结构简单紧凑，技术性能较为完善，制造工艺简便，刚性较好。

（2）利用三级增力机构的力放大功能，在输出力一定的条件下，可显著降低气动系统的压力，或显著减小整个系统的体积；在系统压力一定的条件下，则可显著提高输出力。

（3）利用双斜面-钢球增力机构，适当调整α、β角度，得到不同的放大倍数及体积，满足不同的生产需要。在失