1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計(jì)
1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計(jì),機(jī)床,夾具,柔性,技術(shù)研究,設(shè)計(jì)
圓柱 —鋼球增力機(jī)構(gòu)在液壓夾具中的應(yīng)用孫賓 1 鐘康民 21. 濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 , 山東 濟(jì)南 250022 ; 2. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 , 江蘇 蘇州 215021摘要 :介紹了大半圓孔約束圓柱 - 鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具系統(tǒng) ,給出了其輸出力和增力系數(shù)的計(jì)算公式 ;并與雙鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具系統(tǒng)進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞 :無(wú)桿液壓缸 ; 增力機(jī)構(gòu) ; 夾具中圖分類號(hào) : TH13719 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :1001 - 2265(2003) 09 - 0036 - 02The application of cylinder - ball force amplif ier in hydraulic f ixtureSUN Bin ZHON G KangminAbstract :Hydraulic fixture system consisting of force amplifier with cylinder - ball limited within over - half cylindrical hole androdless hydraulic cylinder was introduced. Calculating formula for output force and force gain coefficient were given. It was com2pared with that system consisting of double - ball amplifier and rodless hydraulic cylinder.Key words :rodless hydraulic cylinder ;force amplifier ;fixture1 引言在夾具設(shè)計(jì)中 ,機(jī)械的增力結(jié)構(gòu)與液壓傳動(dòng)技術(shù)的相結(jié)合 ,可有效地降低液壓系統(tǒng)的工作壓力 ,延長(zhǎng)其使用壽命。但是 ,將常見(jiàn)的杠桿增力機(jī)構(gòu)、鉸桿增力機(jī)構(gòu)和斜楔增力機(jī)構(gòu)用于液壓夾具時(shí) ,往往造成夾具結(jié)構(gòu)不緊湊 ,或摩擦損失較大。我們一直致力研究新穎結(jié)構(gòu) ,在原有的鋼球液壓增力式夾具基礎(chǔ)上 ,進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化出大半圓孔約束圓柱 —鋼球增力液壓夾具 ,使其更具優(yōu)越性。2 圓柱 —鋼球增力液壓夾具2. 1 工作原理圖 1 所示為大半圓孔約束圓柱 —鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具 ,其工作原理 :活塞中部銑扁 ,并在銑平的平面上加工一個(gè)圓孔 ,在沿垂直于孔的軸線方向上銑去孔的 3/ 8 ,然后 ,在大半圓孔內(nèi)放置一個(gè)圓柱。當(dāng)換向閥在圖示位置時(shí) ,壓力油通往液壓缸的左腔 ,活塞向右運(yùn)動(dòng) ,圓柱推動(dòng)其右上方的鋼球向上運(yùn)動(dòng) ;其右上方的鋼球以輸出力推動(dòng)夾具上的夾緊元件來(lái)對(duì)工件進(jìn)行夾緊。當(dāng)換向閥切換至右位工作時(shí) ,活塞向左運(yùn)圖 1 圓柱 - 鋼球增力機(jī)構(gòu)11 力作用線 21 缸體 31 活塞 41 圓柱 51 鋼球圖 2 雙鋼球增力機(jī)構(gòu)11 力作用線 21 缸體 31 活塞 41 嵌鋼球 51 鋼球(下轉(zhuǎn)第 39 頁(yè) )動(dòng) ,使工件松開。2. 2 力學(xué)計(jì)算經(jīng)建立力學(xué)模型如圖所示 ,進(jìn)行分析后可知 ,如果忽略力傳遞過(guò)程中的摩擦損失 ,系統(tǒng)的理論輸出力 Ft(單位 N ) 、理論增力系數(shù) it 的計(jì)算公式為Ft =π d2 p/ tgα t (1)it = Ft/ (π d2 p/ 4) = 1/ tgα t (2)式中 d —活塞直徑 , mmp —液壓缸左腔壓力 , MPaα t —理論壓力角 ,rad 或 (° )系統(tǒng)實(shí)際輸出力 Fp (單位 N) 及實(shí)際增力系數(shù) ip ,可由下面的近似公式求得。F≈ π d2 p/ 4tgα t + tgφ (3)ip≈ Fpπ d2 p/ 4 = 1tgαt + tgφ(4)式中 φ 為活塞與液壓缸內(nèi)壁之間的摩擦角 ,單位為 rad 或 (° ) ,即 φ = arctgμ (μ 為活塞與液壓缸內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù) ) 。3 與雙鋼球增力機(jī)構(gòu)的比較圖 1 和圖 2 所示兩種增力機(jī)構(gòu)的技術(shù)性能比較如下 :⑴大半圓孔約束圓柱 - 鋼球增力機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)更緊湊 ,結(jié)構(gòu)剛性更優(yōu)越 ;⑵ 運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性上可以看出 ,顯然圖 1 的運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性優(yōu)于圖 2 ,圖 1 中大半圓柱的運(yùn)動(dòng)只有沿中心線的直線運(yùn)動(dòng) , 而圖 2 中活塞內(nèi)的鋼球運(yùn)動(dòng)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)。⑶圖 1 中零件的結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)于圖 2 中零件的結(jié)構(gòu)工藝性 ,大半圓孔及活塞結(jié)構(gòu)的加工更容易實(shí)現(xiàn)。63 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)當(dāng) β L 0 時(shí) ,需要優(yōu)化確定沖壓方向。3 沖壓方向優(yōu)化的算法3. 1 轉(zhuǎn)角的多目標(biāo)優(yōu)化模型假設(shè) Z 軸負(fù)向?yàn)闆_壓方向 ,零件只繞 X 軸和 Y 軸旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)化沖壓方向時(shí) ,首先沿著 X 軸按一定步距截取若干個(gè)平行于 Y - Z 平面的截面 ,對(duì)于每個(gè)截面進(jìn)行分析 ,確定設(shè)計(jì)變量 α角的可行域。求所有截面可行域的交集 ,得到 X 方向上設(shè)計(jì)變量的公共可行域。在公共可行域內(nèi) ,對(duì)每一個(gè)截面的沖壓方向進(jìn)行優(yōu)化。最后 ,將所有截面的轉(zhuǎn)角值加權(quán)平均 ,得到拉延件繞X 軸旋轉(zhuǎn)的角度 α x 。同理 ,沿 Y 軸取平行于 X - Z 平面的截面 ,采用同樣的方法可求得拉延件繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)的角度 α y 。拉延件沿著 X 軸截取了 M 截面 ,沿著 Y 軸截取了 N 截面 ,分別確定各軸轉(zhuǎn)角的可行域。然后 ,根據(jù)公式 (1) ~ (6) ,求出各個(gè)截面的最佳轉(zhuǎn)角 α i 。最后 ,加權(quán)平均確定繞 X 軸或 Y 軸的轉(zhuǎn)角 α x 或 α y ,即α =Σ mi = 1ω iα i (7)其中 ,ω i 為權(quán)系數(shù)。設(shè) (α i) 為與 α i 對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)值 ,令 gi =1/ U (α i) ,則ω i = gig1 + g2 + … + gm(8)這種權(quán)系數(shù)的取法 ,表明對(duì)應(yīng)于 α i 的評(píng)價(jià)函數(shù)的值越小 ,則其圖 6 沖壓方向優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖圖 7 計(jì)算實(shí)例權(quán)值越大。3. 2 優(yōu)化轉(zhuǎn)角的搜索根據(jù)沖壓方向優(yōu)化模型和大型沖壓件截面的特點(diǎn) ,我們采用了遍歷法求解問(wèn)題。首先 ,輸入沖壓件零件模型 ,然后確定需要計(jì)算轉(zhuǎn)角的坐標(biāo)軸。沿著該軸截取 N 個(gè)截面 ,計(jì)算每個(gè)截面的可行域 ,并判斷其是否滿足工藝要求 ,不滿足則退出。在計(jì)算完 N 個(gè)截面可行域后 ,求它們的公共可行域 ,判斷是否滿足工藝要求。如果滿足 ,則根據(jù)公共可行域的域?qū)?β L ,確定求解的步數(shù) K。將 截面變換到公共可行域起始位置 ,以 β L / K 為步長(zhǎng)優(yōu)化各個(gè)分目標(biāo)函數(shù) , 形成評(píng)價(jià)函數(shù) , 并對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化。隨著截面形狀的轉(zhuǎn)動(dòng) ,不斷地以近優(yōu)值替代當(dāng)前值 ,最后獲得最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)角 α i , 加權(quán)平均求 N 個(gè)截面的最佳轉(zhuǎn)角 α 。接著 , 按照相同過(guò)程計(jì)算另一個(gè)坐標(biāo)軸的最佳轉(zhuǎn)角 ,最后將計(jì)算的結(jié)果輸出。沖壓方向優(yōu)化的程序流程圖如圖6 所示 。4 實(shí)例驗(yàn)證圖 7a 所示為輕型貨車駕駛室前圍擋板零件 ,可以作為一個(gè)典型的復(fù)雜沖壓件來(lái)分析。根據(jù)前圍擋板形狀特征 ,沿 X 軸取6 個(gè)截面 ,沿 Y 軸取 5 個(gè)截面 ,對(duì)其沖壓方向進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 ,得到轉(zhuǎn)角為 α x = $ 81. 2° ,α y = 0° (圖 7b) ,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況很接近 ,基本滿足生產(chǎn)要求。[參考文獻(xiàn) ]\[1 \]第一汽車制造廠工裝設(shè)計(jì)室 1 汽車覆蓋件沖模 1 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1979\[2 \]蘇步青 ,劉鼎元 1 計(jì)算幾何 1 上海 :上??萍汲霭嫔?,1984\[3 \]鄧陟 ,王先進(jìn) ,陳鶴崢 1 金屬薄板成形技術(shù) 1 北京 :兵器工業(yè)出版社 ,1993\[4 \]肖景容等 1 模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 1 北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,1990收稿日期 :2003 - 03 - 05作者簡(jiǎn)介 :尤飛 (1972 - ) ,男 ,安徽全椒人 ,江蘇技術(shù)師范學(xué)院講師 ,工程碩士。 (編輯 江復(fù) )(上接第 36 頁(yè) )4 結(jié)束語(yǔ)⑴大半圓孔約束圓柱 - 鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的夾具系統(tǒng) ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ,制造工藝簡(jiǎn)便 ;缺點(diǎn)仍是接觸件的接觸為點(diǎn)接觸 ,不宜承受過(guò)大的載荷。⑵大半圓孔約束圓柱 - 鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的夾具系統(tǒng) ,綜合性能優(yōu)于雙鋼球雙鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的夾具系統(tǒng) ,設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)優(yōu)選。[參考文獻(xiàn) ][1 ] 林文煥 , 陳本通 . 機(jī)床夾具設(shè)計(jì) . 北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,1987[2 ] 鐘康民 ,宋強(qiáng) ,郭培全 . 鋼球增力液壓夾具 . 制造技術(shù)與機(jī)床 ,1999 (11)[3 ] Zhong Kangmin , Guo Peiquan , W ang Zichang. Research onorthogonal reinf orcement cent rif ugal mechanism . Proceed2ings of international conf erence on mechanical t ransmissionsand mechanisms. 1997 , Tianjin , China , Beijing China :China M achine Press , 173~ 177收稿日期 :2003 - 03 - 05作者簡(jiǎn)介 :孫賓 (1966 - ) ,男 ,山東肥城人 ,濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師 ,工學(xué)碩士。 (編輯 李秀敏 )932003 年第 9 期
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