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) 新 型 形 封 閉 增 力 機(jī) 構(gòu) 及 其 力 學(xué) 計(jì) 算張 茂 青 ， 周 艷 榮 ， 鐘 康 民（ 蘇 州 大 學(xué) 機(jī) 電 工 程 學(xué) 院 ， 江 蘇 蘇 州!"#$!"）摘 要 ： 介 紹 了 一 種 以 轉(zhuǎn) 動(dòng) 偏 心 輪 為 驅(qū) 動(dòng) 力 的 多 次 增 力 機(jī) 構(gòu) 及 其 工 作 原 理 ， 給 出 了 其 力 學(xué) 計(jì) 算 公 式 。該 增 力 機(jī) 構(gòu) 為 形 封 閉 機(jī) 構(gòu) ， 不 僅 可 以 實(shí) 現(xiàn) 自 鎖 ， 還 可 以 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 復(fù) 位 ， 克 服 了 現(xiàn) 有 的 增 力 機(jī) 構(gòu) 所 不能 實(shí) 現(xiàn) 自 鎖 和 自 動(dòng) 復(fù) 位 的 缺 點(diǎn) 。關(guān) 鍵 詞 ： 偏 心 輪 ； 鉸 桿 ； 杠 桿 ； 增 力 機(jī) 構(gòu) ； 力 放 大中 圖 分 類 號(hào) ：!"#$%；!&%%’文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ：(文 章 編 號(hào) ："%&!’"%"%（!$$(）"!’$"!&’$!形 封 閉 偏 心 輪’杠 桿’鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) 的 突 出 優(yōu) 點(diǎn) ： 一 是 可實(shí) 現(xiàn) 多 級(jí) 放 大 ； 二 是 具 有 自 鎖 功 能 ； 三 是 具 有 自 動(dòng) 復(fù) 位 功 能 。 因此 它 不 僅 在 手 動(dòng) 力 放 大 裝 置 中 廣 泛 應(yīng) 用 ， 而 且 在 電 動(dòng) 增 力 機(jī) 構(gòu)中 的 應(yīng) 用 也 極 其 廣 泛 。 但 由 于 人 手 所 能 提 供 的 作 用 力 有 限 ， 所以 在 要 求 力 較 大 的 場(chǎng) 合 下 ， 人 們 往 往 不 得 不 采 用 費(fèi) 用 昂 貴 且 容易 產(chǎn) 生 污 染 的 氣 動(dòng) 或 液 壓 等 機(jī) 動(dòng) 增 力 機(jī) 構(gòu) 。 為 此 ， 筆 者 設(shè) 計(jì) 了以 偏 心 輪 為 驅(qū) 動(dòng) 力 ， 通 過 杠 桿’鉸 桿 增 力 后 ， 再 輸 出 力 的 多 級(jí) 增力 裝 置 ， 使 得 在 一 定 范 圍 內(nèi) 采 用 手 動(dòng) 裝 置 代 替 機(jī) 動(dòng) 裝 置 成 為 了可 能 。 下 面 結(jié) 合 圖 例 與 實(shí) 例 ， 介 紹 這 種 新 型 增 力 裝 置 的 結(jié) 構(gòu) 工作 原 理 和 力 學(xué) 計(jì) 算 公 式 。%工 作 原 理基 于 形 封 閉 偏 心 輪’杠 桿’鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) 的 工 作 原 理 如 圖"所 示 。 該 機(jī) 構(gòu) 主 要 由 帶 手 柄 的 偏 心 輪 、 杠 桿 、 鉸 桿 、 固 定 鉸 鏈 、導(dǎo) 向 板 及 力 輸 出 件 組 成 ， 其 中 固 定 鉸 鏈 與 導(dǎo) 向 板 的 位 置 是 固 定不 動(dòng) 的 。 當(dāng) 操 作 者 在 手 柄 球 頭 上 施 加 一 個(gè) 力 并 使 偏 心 輪 順 時(shí) 針轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 便 使 偏 心 輪 產(chǎn) 生 一 個(gè) 推 動(dòng) 杠 桿 向 上 運(yùn) 動(dòng) 的 力 ， 由 于 杠 桿原 理 ， 該 力 進(jìn) 行 了 一 次 力 放 大 ， 此 時(shí) 的 杠 桿 、 連 桿 、 鉸 桿 同 時(shí) 運(yùn)動(dòng) 。 杠 桿 將 力 傳 遞 到 連 桿 的 同 時(shí) ， 又 一 次 進(jìn) 行 了 力 的 放 大 ， 鉸 桿將 力 傳 遞 到 輸 出 件 時(shí) ， 利 用 角 度 效 應(yīng) 第 三 次 把 力 放 大 。 通 過 多次 增 力 后 ， 由 輸 出 件 輸 出 放 大 后 的 力!)。 當(dāng) 偏 心 輪 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 周時(shí) ， 該 機(jī) 構(gòu) 完 成 自 動(dòng) 復(fù) 位 。圖"形 封 閉 偏 心 輪’杠 桿’鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu)’力 學(xué) 計(jì) 算 與 力 學(xué) 特 性 討 論’)%增 力 系 數(shù) 計(jì) 算增 力 系 數(shù) 是 機(jī) 構(gòu) 的 輸 出 力 與 輸 入 力 之 比 值 ， 常 用"表 示 。 不考 慮 摩 擦 損 失 的 增 力 系 數(shù) 為 理 論 增 力 系 數(shù) ， 用"*表 示 ； 考 慮 摩 擦損 失 的 增 力 系 數(shù) 為 實(shí) 際 增 力 系 數(shù) ， 用"+表 示 。常 見 的 用 手 柄 驅(qū) 動(dòng) 的 偏 心 凸 輪 機(jī) 構(gòu) ， 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 由 杠 桿與 凸 輪 復(fù) 合 的 串 聯(lián) 式 二 次 增 力 機(jī) 構(gòu) ， 為 標(biāo) 注 清 晰 起 見 ， 特 將 凸 輪機(jī) 構(gòu) 單 獨(dú) 畫 出 ， 如 圖!所 示 。 該 機(jī) 構(gòu) 的 理 論 增 力 系 數(shù)"*"的 計(jì) 算公 式 為"*"#$!*,-"（"）式 中 ：$為 手 柄 端 點(diǎn) 到 凸 輪 偏 心 的 距 離 ；!為 偏 心 輪 旋 轉(zhuǎn) 中 心 與 其力 輸 出 點(diǎn) 間 的 距 離 （!# %!&’!(!%’.)/! #， 其 中%為 凹 槽 的中 心 圓 半 徑 ；’為 凸 輪 偏 心 距 ；#為 手 柄 與 水 平 線 所 夾 的 銳 角 ） ；"為 力 輸 出 點(diǎn) 處 偏 心 凸 輪 的 升 角 （"#,0.*,-’/1-#%(’.)/#） 。根 據(jù) 文 獻(xiàn) ［"］ ， 該 機(jī) 構(gòu) 的 實(shí) 際 增 力 系 數(shù)")"的 計(jì) 算 公 式 為"+"#$!［*,-（"&$"）&*,-$!］（!）收 稿 日 期 ：!$$(’$2’!$作 者 簡(jiǎn) 介 ： 張 茂 青 （"2#(’） ， 男 ， 上 海 人 ， 蘇 州 大 學(xué) 副 教 授 ， 主 要 研 究 方 向 為 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 和 自 適 應(yīng) 控 制 等 。&!"· 應(yīng) 用 研 究 · 張 茂 青 周 艷 榮 鐘 康 民 新 型 形 封 閉 增 力 機(jī) 構(gòu) 及 其 力 學(xué) 計(jì) 算學(xué) 術(shù) 前 沿"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""34567894:;!$$(年"!月 · 中 國(guó) 制 造 業(yè) 信 息 化 ·圖!偏 心 凸 輪 機(jī) 構(gòu)式 中 ：!"為 偏 心 輪 在 力 輸 出 點(diǎn) 處 與圓 錐 體 上 平 面 之 間 的 摩 擦 角 ；!!為偏 心 輪 與 軸 頸 之 間 的 摩 擦 角 （ 當(dāng)!"!"#時(shí) ， 摩 擦 角 可 采 用!"#!!#$%&%； 當(dāng)!"!’時(shí) 可 采 用!"#($&#%，!!#$%&%） 。根 據(jù) 杠 桿 原 理 ， 杠 桿 機(jī) 構(gòu) 的 理論 增 力 系 數(shù)&)!計(jì) 算 公 式 為&)!#’"(’!’"（&）式 中 ：’"為 杠 桿 在 鉸 接 點(diǎn) 左 邊 的 桿 長(zhǎng) ；’!為 杠 桿 在 鉸 接 點(diǎn) 右 邊 的桿 長(zhǎng) 。而 實(shí) 際 上 存 在 摩 擦 損 失 ， 故 該 機(jī) 構(gòu) 的 實(shí) 際 增 力 系 數(shù)&)!的 計(jì)算 公 式 為&*!#"+’"(’!’"（%）式 中 ："+為 杠 桿 的 傳 遞 效 率 ， 通 常 取#,-’。鉸 桿 擴(kuò) 力 機(jī) 構(gòu) 在 機(jī) 床 夾 具 中 的 應(yīng) 用 較 為 廣 泛 。 對(duì) 于 以 滑 柱作 為 力 輸 出 元 件 的 雙 邊 單 作 用 鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) ， 在 文 獻(xiàn) ［"］ 及 其 他某 些 夾 具 專 著 中 ， 一 般 都 將 滑 柱 所 受 的 由 其 導(dǎo) 向 孔 施 加 的 載 荷抽 象 為 線 性 分 布 載 荷 ， 且 該 線 性 分 布 載 荷 是 相 對(duì) 于 滑 柱 配 合 面的 中 點(diǎn) 。 鉸 桿 擴(kuò) 力 機(jī) 構(gòu) 的 理 論 增 力 系 數(shù) 的 計(jì) 算 公 式 為&)&#"!)./#（$）式 中#為 鉸 桿 的 斜 角 。根 據(jù) 文 獻(xiàn) ［!］ ， 實(shí) 際 上 該 機(jī) 構(gòu) 的 增 力 系 數(shù) 計(jì) 算 公 式 為&*&#"!")./（#($）*&+"+!)./!（ ）&（0）式 中 ：$為 當(dāng) 量 摩 擦 角 ， 即$#.1234/!,’-"（,為 鉸 鏈 軸 的 半 徑 ；’為 杠 桿 兩 鉸 鏈 的 中 心 距 ；-"為 鉸 鏈 副 的 摩 擦 系 數(shù) ） ；+"為 杠 桿 端頭 的 鉸 鏈 軸 心 至 力 輸 出 件 配 合 面 中 點(diǎn) 的 距 離 ；+!為 力 輸 出 件 配合 面 的 長(zhǎng) 度 ；!&為 力 輸 出 件 的 摩 擦 角 。圖"所 示 力 放 大 裝 置 是 偏 心 凸 輪 機(jī) 構(gòu) 與 杠 桿5鉸 桿 機(jī) 構(gòu) 的串 聯(lián) 組 合 ， 顯 然 ， 其 實(shí) 際 增 力 系 數(shù)&*從 數(shù) 值 上 應(yīng) 為&*"，&*!與&*&的 乘 積 ， 即&*#.%［)./（&(!"）()./!!］/"+’"(’!’"/"!")./（#($）*&+"+!)./!（ ）&（’）!"!輸 出 力 以 及 力 傳 遞 效 率 計(jì) 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04， 則 圖"所 示 力 放 大 裝 置 的 輸 出 力06#&*04， 即06#.%［)./（&(!"）()./!!］/"+’"(’!’"/"!")./（#($）*&+"+!)./!（ ）&/04（(）機(jī) 構(gòu) 的 力 傳 遞 效 率"從 數(shù) 值 上 應(yīng) 為 實(shí) 際 增 力 系 數(shù)&*與 理 論增 力 系 數(shù)&)之 比 值 。 顯 然 偏 心 輪5杠 桿5鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) 總 的 力傳 遞 效 率 為"#)./&)./（&(!"）()./!!/"+/)./#)./（#($）*&+"+!)./!&·)./（ ）#（-）#應(yīng) 用 舉 例綜 上 所 述 ， 基 于 形 封 閉 偏 心 輪5杠 桿5鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) ， 可 在結(jié) 構(gòu) 較 為 簡(jiǎn) 單 的 前 提 下 得 到 較 大 的 實(shí) 際 增 力 系 數(shù) 。 因 此 施 加 給手 柄 一 個(gè) 較 小 的 力 ， 就 能 夠 得 到 一 個(gè) 多 級(jí) 放 大 的 輸 出 力 ， 這 就 使得 在 某 些 場(chǎng) 合 下 ， 我 們 可 以 用 手 動(dòng) 放 大 裝 置 代 替 氣 動(dòng) 或 液 壓 傳動(dòng) 裝 置 。例 如 ， 采 用 圖"所 示 壓 緊 裝 置 ， 設(shè) 作 用 于 手 柄 球 頭 上 的 ， 方 向 垂直 于 手 柄 軸 線 的 力04#"$#7， 并 取.#!##88，’"#!##88，’!#%##88，"#&88，!#X，’#($（ 計(jì) 算 得&"$1’%$） ，!"#!!#$1%&$，##%$，,#$88，’#"!#88，-"##1"（ 計(jì) 算 得$"#1%($） ，+"#$#88，+!#(#88，!�$， 可 計(jì) 算 得 輸 出 力 為06"0&###7。 若 得 到 同 樣 大 小 的 輸 出 力 ， 采 用 系 統(tǒng) 壓 力)##9$:;.的 氣缸 直 接 作 用 ， 可 計(jì) 算 得 氣 缸 的 直 徑2"%##88。$結(jié) 束 語(yǔ)制 造 技 術(shù) 的 現(xiàn) 代 化 和 自 動(dòng) 化 并 不 排 斥 手 動(dòng) 力 放 大 裝 置 的 發(fā)展 。 即 使 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 程 度 很 高 的 美 國(guó) ， 在 其 近 期 出 版 的 夾 具 文獻(xiàn) ［&］ 中 ， 手 動(dòng) 力 放 大 壓 緊 裝 置 仍 然 占 據(jù) 絕 對(duì) 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(dòng) 壓 緊 裝 置 ， 在 實(shí) 際 應(yīng) 用中 仍 占 有 極 大 比 重 。 從 這 一 點(diǎn) 上 來(lái) 看 ， 設(shè) 計(jì) 新 型 的 操 作 方 便 、 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 功 能 優(yōu) 異 的 增 力 機(jī) 構(gòu) ， 仍 然 是 有 關(guān) 技 術(shù) 領(lǐng) 域 的 重 要 研 究課 題 。 筆 者 希 望 基 于 形 封 閉 偏 心 輪5杠 桿5鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) ， 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 力 放 大 裝 置 。參 考 文 獻(xiàn) ：［"］ 林 文 煥 ， 陳 本 通9機(jī) 床 夾 具 設(shè) 計(jì) ［:］9北 京 ： 國(guó) 防 工 業(yè) 出 版 社 ，"-(’9［!］ 宋 強(qiáng) ， 鐘 康 民9鉸 桿 增 力 機(jī) 構(gòu) 力 學(xué) 模 型 的 簡(jiǎn) 化 與 計(jì) 算 ［?.1>@A6B8./,D4E)F1GHG34C/（D6F1)I=>4)46/）［:］9JKL./M（NOJ） ：HGK8.1;FLK43IG13，"--0,%&’()*+*’&,-.*+/&0123.4&50(*.,6075.%89(+1+.7PAJ7@:.65Q4/C，PARNS./516/C，PAR7@T./C584/（O662I6?N/4UG134)M，F(xiàn)2G3)IG?61Y4/C*14/24*KG6BB612G.8*K4B4G1>14UG/LMG22G/)14252.88G2I./438，C4UG3)IG>G).4K.L6F)4)32611G3*6/>4/C8G2I./4232.K2FK.)4/CB618FK.G,@4U4/C)IG3*.//G1.38.KB612G，)I43>GU42G2./6L).4/.UG1ML4C6F)*F)B612G,ZI438./F.K.8*K4B4G1>GU42G2./).YG)IG*K.2G6B*/GF8.)42.8*K4B4G1>GU42G61IM>1.FK42.8*K4B4G1>GU42G,;.)；+GUG1；D612GJ8*K4B4G1(!"學(xué) 術(shù) 前 沿:X=RDWAX7J!##%年"!月 中 國(guó) 制 造 業(yè) 信 息 化 第&&卷 第"!#################################################################期· 中 國(guó) 制 造 業(yè) 信 息 化 ·!##%年"!月