1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計
1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計,機(jī)床,夾具,柔性,技術(shù)研究,設(shè)計
基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅(qū)動壓緊裝置 X王明娣 ,鐘康民(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ,江蘇 蘇州 215021)摘要 :介紹了基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅(qū)動壓緊裝置的工作原理 ,給出了相應(yīng)的力學(xué)計算公式。給手柄施加一個較小的力 ,該壓緊裝置能夠獲得一個很大的輸出力。這就使得在某些場合下 ,可以用手動壓緊裝置代替氣動壓緊裝置 ,甚至液壓壓緊裝置。關(guān)鍵詞 :偏心輪 ;壓緊裝置 ;鋼球 ;雙錐面 ;力放大機(jī)構(gòu)中圖分類號 : TG751 ; TH112. 7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1001 - 2354(2004) 06 - 0049 - 02偏心夾緊機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點 ,一是夾緊時間短 ,二是具有自鎖功能。因此 ,它在手動壓緊裝置中的應(yīng)用極為廣泛。但由于人手所能提供的作用力有限 ,所以 ,在要求壓緊力較大的場合 ,人們往往不得不采用費用昂貴 ,且容易產(chǎn)生污染的氣動或液壓等機(jī)動壓緊裝置。為此 ,創(chuàng)新了以偏心機(jī)構(gòu)為驅(qū)動、通過鋼球 - 雙 錐面增力后 ,再輸出壓緊力的多級增力壓緊裝置 ,使得在一定范圍內(nèi) ,采用手動壓緊裝置代替機(jī)動壓緊裝置成為了可能。下面結(jié)合圖例 ,介紹這種新型壓緊裝置的結(jié)構(gòu)工作原理和力學(xué)計算公式。1 工作原理基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅(qū)動壓緊裝置的工作原理 ,如圖 1 所示。該壓緊裝置主要由帶手柄的偏心輪、固定套筒、圓錐體、傳力鋼球、導(dǎo)向板及力輸出件組成。其中 ,固定套筒與導(dǎo)向板的位置是固定不動的。當(dāng)操作者在手柄球頭上施加一個力 ,并使偏心輪順時針轉(zhuǎn)動時 ,便使偏心輪產(chǎn)生一個推動圓錐體向下運動的力 ;該力再由圓錐體外錐面?zhèn)鬟f到三只鋼球上 ,迫使三只鋼球沿固定套筒的內(nèi)錐面向外下側(cè)運動 ,將力傳遞到力輸出件上。偏心輪作用于圓錐體上的軸向力 ,通過外錐面與鋼球之間的一次增力和鋼球與內(nèi)錐面之間的二次增力后 ,由力輸出件輸出壓緊力 Fo 。當(dāng)操作者使偏心輪逆時針轉(zhuǎn)動時 ,復(fù)位彈簧的作用力通過力輸出件及鋼球 ,推動圓錐體向上運動完成復(fù)位。不難理解 ,圓錐體所受的來自于三個鋼球的徑向力 ,是一個合力為零的平衡力。也就是說 ,圓錐體與固定套筒內(nèi)壁之間 ,理論上不存在作用力 ,當(dāng)然也就不存在摩擦損失。而參考文獻(xiàn) \[1 \]介紹的鋼球 - 雙斜面增力機(jī)構(gòu) ,則無此優(yōu)點。此外 ,從總體上看 ,圖 1 所示壓緊裝置的結(jié)構(gòu)較為緊湊 ,剛性也較好。2 力學(xué)計算與力學(xué)特性討論2. 1 增力系數(shù)計算增力系數(shù)是機(jī)構(gòu)的輸出力與輸入力之比值 ,常用 i 表示。不考慮摩擦損失的增力系數(shù)為理論增力系數(shù) ,用 it 表示 ;考慮摩擦損失的增力系數(shù)為實際增力系數(shù) ,用 ip 表示。圖 1 工作原理圖常見的用手柄驅(qū)動的偏心凸輪機(jī)構(gòu) ,實質(zhì)上是一個由杠桿與凸輪復(fù)合的串聯(lián)式二次增力機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù)it1的計算公式為 :i t1 = Lρ tan θ (1)式中 :θ ———力輸出點處偏心凸輪的升角 ;θ = arctan esin γR - ecos γ ( e 為偏心距 , R 為偏心輪的半徑 ,γ 如圖 1所示 ) ;ρ ———偏心輪轉(zhuǎn)動中心與其力輸出點間的距離 ,ρ = R 2 + e2 - 2 Recos γ 。根據(jù)文獻(xiàn) [1 \] ,該機(jī)構(gòu)的實際增力系數(shù) ip1 的計算公式為 :ip1 = Lρ [tan(θ +φ1) + tan φ 2 ](2)式中 :φ 1 ——— 偏心輪在力輸出點處與圓錐體上平面之間的摩擦角 ;φ 2 ———轉(zhuǎn)軸處 ( O2) 的摩擦角。根據(jù)正交增力機(jī)構(gòu)的定義 [2 ] ,可以認(rèn)為從圓錐體到力輸出件之間的鋼球 - 雙錐面增力機(jī)構(gòu) ,是一個二次正交增力機(jī)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn) [3 \] ,鋼球 - 雙錐面增力機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù) it2 與實際增力系數(shù) ip2 的計算公式為 :i t2 = 1 + 1tan α tan β (3)第 21 卷第 6 期2004 年 6 月機(jī) 械 設(shè) 計JOURNAL OF MACHIN E DESIGNVol. 21 No. 6J un. 2004X 收稿日期 :2003 - 08 - 01 ;修訂日期 :2004 - 01 - 06作者簡介 : :王明娣 (1975 - ) ,女 ,江蘇靖江人 ,講師 ,研究方向 :機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)電一體化技術(shù)的研究工作。ip2 = 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(1 + 1tan α tan β ) (4)式中 : f ——— 外錐面與鋼球、鋼球與內(nèi)錐面、鋼球與力輸出件之間摩擦因數(shù) ,為簡化計算起見 ,認(rèn)為三者是相等的 ;α 、β ———壓力角 ,如圖 1 所示 。圖 1所示壓緊裝置是偏心凸輪機(jī)構(gòu)與鋼球 - 雙錐面機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合 ,顯然 ,其實際增力系數(shù) ip 從數(shù)值上應(yīng)為 ip1 與 ip2 的乘積 ,即 :ip = Lρ [tan (θ +φ1) + tan φ 2 ]· 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(1 + 1tan α tan β ) (5)2. 2 輸出力計算設(shè)人手作用于手柄球頭上的、方向垂直于手柄軸線的力為FH ,復(fù)位彈簧的作用力由于相對極小予以忽略 ,則圖 1 所示壓緊裝置的輸出力 Fo = ip FH ,即 :Fo = 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(1 + 1tan α tan β ) Lρ [tan (θ +φ1) + tanφ 2 ]FH (6)2. 3 力傳遞效率計算機(jī)構(gòu)的力傳遞效率 η 從數(shù)值上應(yīng)為實際增力系數(shù) ip 與理論增力系數(shù) it 之比值。顯然 ,偏心凸輪機(jī)構(gòu)的力傳遞效率 η 1 為 :η 1 = tan θtan (θ +φ1) + tan φ 2(7)鋼球 - 雙錐面增力機(jī)構(gòu)的力傳遞效率 η 2 為 :η 2 = 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(8)圖 1 所示壓緊裝置的總的力傳遞效率 η = η 1η 2 ,即 :η = tan θtan (θ +φ1) + tan φ 2· 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(9)任何以斜面效應(yīng)進(jìn)行增力的機(jī)構(gòu) , 包括斜楔、螺旋及各種凸輪機(jī)構(gòu)等 ,只要是采用滑動摩擦副的 ,其力傳遞效率都要隨相應(yīng)斜面升角的減小而降低 ,特別是在斜面升角很小時要產(chǎn)生銳降 [4 ] 。而圖 1 所示壓緊裝置中 ,偏心凸輪是基于斜面效應(yīng) ,與圓錐體接觸處為滑動摩擦 ;鋼球 - 雙錐面機(jī)構(gòu)中的兩個錐面都是基于斜面效應(yīng) , 且傳力鋼球在三個方向上主要承受滑動摩擦 ;因此 ,該壓緊裝置的力傳遞效率相對較低。例如 , 設(shè) e = 3 mm , R = 30 mm ,γ = 90° (計算得 θ =5. 71° ) , φ 1 = φ 2 = 6° , f = 0. 1 ,α = 8° ,β = 15° ,根據(jù)式 (9) ,可計算得該夾緊裝置的力傳遞效率系數(shù) η ≈ 20 %。盡管這一效率值憑直觀感覺相對較低 ,但由于該壓緊裝置的理論增力系數(shù)很大 ,故其實際增力系數(shù)的值仍然相對較大。假定上述參數(shù)不變 ,并取 L = 200 mm ,根據(jù)式 (5) ,可計算得該夾緊裝置的實際增力系數(shù) ip ≈ 340。在如此小的空間結(jié)構(gòu)內(nèi) ,達(dá)到如此大的力放大效果 ,這是一般增力機(jī)構(gòu)極難做到的。此外 ,一般壓緊裝置的動作頻率都是極低的。故因摩擦損失而導(dǎo)致的系統(tǒng)溫升 ,可以忽略不計。2. 4 自鎖與輸出位移的討論圖 1 所示壓緊裝置要求偏心凸輪應(yīng)當(dāng)自鎖 ,而鋼球則要求不自鎖。偏心凸輪的自鎖條件在大量有關(guān)著作中均有論述 ,此處從略。根據(jù)文獻(xiàn) [3 ] ,鋼球不自鎖的條件為 :β ≥ arctan 2 f1 - f 2 (10)如果取 f = 0. 10 ,則 β 須大于 12° 。圖 1 所示壓緊裝置中的力輸出件 ,其相對位移一般很小。這是因為任何增力機(jī)構(gòu)理論增力系數(shù) it 的提高 ,都要以機(jī)構(gòu)輸出位移的相對減小為代價。鑒于詳細(xì)討論該問題需要占較大篇幅 ,而輸出位移的計算對于一般讀者并不困難 ,且在計算較為復(fù)雜時可繞開計算公式 ,而用 CAD軟件的測量功能在繪圖時直接測量求解 ,故此處不再贅述。3 應(yīng)用舉例綜上所述 ,基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅(qū)動壓緊裝置 ,可在結(jié)構(gòu)較為緊湊的前提下 ,得到較大的實際增力系數(shù)。因此 ,施加給手柄一個較小的力 ,就能夠得到一個很大的壓緊力。這就使得在某些場合下 ,可以用手動壓緊裝置 ,代替氣動壓緊裝置 ,甚至液壓壓緊裝置。例如 ,某工件要求壓緊裝置的實際輸出力為 Fo = 35 000N ,若采用系統(tǒng)壓力 p = 0. 5 MPa 的氣缸直接作用 ,可計算得氣缸的直徑 D ≈ 300 mm。而采用圖 1 所示壓緊裝置 ,并取 L =200 mm , e = 3 mm , R = 30 mm ,γ = 90° ,φ 1 = φ 2 = 6° , f =0. 1 ,α = 8° ,β = 15° ,可計算得人手作用力為 FH ≈ 103 N。在夾緊動作較為頻繁的場合下 ,一般要求 FH ≤ 150 N ,可見圖 1 所示壓緊裝置是能滿足要求的 。4 結(jié)語制造技術(shù)的現(xiàn)代化并不排斥手動壓緊裝置的發(fā)展。即使工業(yè)化程度很高的美國 ,在其近期出版的夾具專著中 [5 ] ,手動壓緊裝置仍然占據(jù)絕對主導(dǎo)的地位。而且采用螺旋機(jī)構(gòu)和偏心輪機(jī)構(gòu)的新穎手動壓緊裝置 ,在圖例中占有極大比重。從這一點上來看 ,創(chuàng)新操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、壓緊力大的手動壓緊裝置 ,仍然是有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。希望 ,基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅(qū)動壓緊裝置 ,能給相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供一種借鑒或啟發(fā) ,從而創(chuàng)新出性能更為優(yōu)異的壓緊裝置來。參考文獻(xiàn)\[ 1 \] 鞏秀長 ,張進(jìn)生 ,等 . 機(jī)床夾具設(shè)計原理 \[ M \] .濟(jì)南 :山東大學(xué)出版社 ,1993.\[ 2 \] 鐘康民 ,郭培全 ,胡秉辰 . 正交增力離心式離合器 \[J \] .機(jī)械工程學(xué)報 ,2000 (4) :38 - 40 ,44.\[ 3 \] 芮豐 . 新穎的滾珠式力放大機(jī)構(gòu) \[J \] .機(jī)械設(shè)計 ,1992 ,10 (3) :49 -50.\[4 \] 林文煥 ,陳本通 . 機(jī)床夾具設(shè)計 \[ M \] .北京 : 國防工業(yè)出版社 ,1987.\[ 5 \] Edward G Hoffman. Jig and fixture design\[ M \] . Fourth Edition. Al2bany ,USA : Delmar Publishers. 1996.05 機(jī) 械 設(shè) 計 第 21 卷第 6 期
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