1308-機床夾具柔性化技術研究及設計

1308-機床夾具柔性化技術研究及設計,機床,夾具,柔性,技術研究,設計 基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅動壓緊裝置 X王明娣 ,鐘康民(蘇州大學 機電工程學院 ,江蘇 蘇州 215021)摘要 :介紹了基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅動壓緊裝置的工作原理 ,給出了相應的力學計算公式。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。關鍵詞 :偏心輪 ;壓緊裝置 ;鋼球 ;雙錐面 ;力放大機構中圖分類號 : TG751 ; TH112. 7 　　文獻標識碼 :A 　　文章編號 :1001 - 2354(2004) 06 - 0049 - 02偏心夾緊機構的突出優(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 ,且容易產生污染的氣動或液壓等機動壓緊裝置。為此 ,創(chuàng)新了以偏心機構為驅動、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 ,采用手動壓緊裝置代替機動壓緊裝置成為了可能。下面結合圖例 ,介紹這種新型壓緊裝置的結構工作原理和力學計算公式。1 　工作原理基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅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、導向板及力輸出件組成。其中 ,固定套筒與導向板的位置是固定不動的。當操作者在手柄球頭上施加一個力 ,并使偏心輪順時針轉動時 ,便使偏心輪產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錐面向外下側運動 ,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錐面之間的二次增力后 ,由力輸出件輸出壓緊力 Fo 。當操作者使偏心輪逆時針轉動時 ,復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壁之間 ,理論上不存在作用力 ,當然也就不存在摩擦損失。而參考文獻 \[1 \]介紹的鋼球 - 雙斜面增力機構 ,則無此優(yōu)點。此外 ,從總體上看 ,圖 1 所示壓緊裝置的結構較為緊湊 ,剛性也較好。2 　力學計算與力學特性討論2. 1 增力系數(shù)計算增力系數(shù)是機構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動的偏心凸輪機構 ,實質上是一個由杠桿與凸輪復合的串聯(lián)式二次增力機構。該機構的理論增力系數(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 ———偏心輪轉動中心與其力輸出點間的距離 ,ρ = R 2 + e2 - 2 Recos γ 。根據文獻 [1 \] ,該機構的實際增力系數(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 ———轉軸處 ( O2) 的摩擦角。根據正交增力機構的定義 [2 ] ,可以認為從圓錐體到力輸出件之間的鋼球 - 雙錐面增力機構 ,是一個二次正交增力機構。根據文獻 [3 \] ,鋼球 - 雙錐面增力機構的理論增力系數(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 　械 　設 　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 :機構學、機電一體化技術的研究工作。ip2 = 1 + f21 - f 2 + 2 ftan β(1 + 1tan α tan β ) (4)式中 : f ——— 外錐面與鋼球、鋼球與內錐面、鋼球與力輸出件之間摩擦因數(shù) ,為簡化計算起見 ,認為三者是相等的 ;α 、β ———壓力角 ,如圖 1 所示 。圖 1所示壓緊裝置是偏心凸輪機構與鋼球 - 雙錐面機構的串聯(lián)組合 ,顯然 ,其實際增力系數(shù) ip 從數(shù)值上應為 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 　力傳遞效率計算機構的力傳遞效率 η 從數(shù)值上應為實際增力系數(shù) ip 與理論增力系數(shù) it 之比值。顯然 ,偏心凸輪機構的力傳遞效率 η 1 為 :η 1 = tan θtan (θ +φ1) + tan φ 2(7)鋼球 - 雙錐面增力機構的力傳遞效率 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)任何以斜面效應進行增力的機構 , 包括斜楔、螺旋及各種凸輪機構等 ,只要是采用滑動摩擦副的 ,其力傳遞效率都要隨相應斜面升角的減小而降低 ,特別是在斜面升角很小時要產生銳降 [4 ] 。而圖 1 所示壓緊裝置中 ,偏心凸輪是基于斜面效應 ,與圓錐體接觸處為滑動摩擦 ;鋼球 - 雙錐面機構中的兩個錐面都是基于斜面效應 , 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 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。在如此小的空間結構內 ,達到如此大的力放大效果 ,這是一般增力機構極難做到的。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當自鎖 ,而鋼球則要求不自鎖。偏心凸輪的自鎖條件在大量有關著作中均有論述 ,此處從略。根據文獻 [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構理論增力系數(shù) it 的提高 ,都要以機構輸出位移的相對減小為代價。鑒于詳細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 　應用舉例綜上所述 ,基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅動壓緊裝置 ,可在結構較為緊湊的前提下 ,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 　結語制造技術的現(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絕對主導的地位。而且采用螺旋機構和偏心輪機構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、結構緊湊、壓緊力大的手動壓緊裝置 ,仍然是有關技術領域的重要研究課題。希望 ,基于鋼球 - 雙錐面增力的偏心驅動壓緊裝置 ,能給相關領域的工程技術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\[ 1 \]　 鞏秀長 ,張進生 ,等 . 機床夾具設計原理 \[ M \] .濟南 :山東大學出版社 ,1993.\[ 2 \]　鐘康民 ,郭培全 ,胡秉辰 . 正交增力離心式離合器 \[J \] .機械工程學報 ,2000 (4) :38 - 40 ,44.\[ 3 \]　芮豐 . 新穎的滾珠式力放大機構 \[J \] .機械設計 ,1992 ,10 (3) :49 -50.\[4 \]　林文煥 ,陳本通 . 機床夾具設計 \[ M \] .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 　械 　設 　計 第 21 卷第 6 期