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机床 夹具 柔性 技术研究 设计

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机床夹具柔性化技术研究及设计,机床,夹具,柔性,技术研究,设计

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三种单边正交增力液压夹具的技术性能的比较苏东宁,钟康民,王 维(济南大学,山东济南250002)摘要:介绍了三种单边单作用的正交增力机构与无杆液(气)缸组成的装置的工作原理,给出了其增力系数的计算公式,并分析比较了他们的力学及技术性能。关键词:液压传动;单边单作用;正交增力机构;增力系数;摩擦损失;自锁;压力角Compariston of the Performance Characteristic of Three Kinds of Hydraulic Jics withSingle Acting - path One - w ay Orthogonal Force AmplifierSU Dong - ning , ZHONG Kang - min , WANG Wei(Dept. of Mechanical Engineering , Jinan University , Shandong 250002 , China)Abstract: Working principle of three kinds of systems , which consist of rodless hydraulic cylinder and single - acting - path one - wayorthogonal force amplifier , was introduced. Their mechanics calculationformulas were given and the comparison of their performance character2istic were shown.Keywords: Hydraulic transmission; Single - acting - path one - way; Orthogonal force amplifier; Force increasing ratio ; Friction loss;Self - lock; Pressure angle ;0 前言现代机械设计中,采用适当的机械增力机构与液压传动技术相结合,可以有效地降低液压系统的工作压力,延长其使用寿命,在某些场合具显著的节能效果。此前,钟康民,郭培全等人对正交增力机构进行了定义和分类1,并探讨了增力机构在液压传动中的应用1。下面,我们介绍三种单边单作用正交增力机构与无杆液(气)缸组成的装置的工作原理,分析它们的力学及技术性能。1 斜楔式单边正交增力机构(1)工作原理图1图1所示为楔式单边正交增力机构与无杆液压缸的组合示意图。此种装置可应用于机床的液(气)夹具中。其工作原理为:当换向阀位于左边时,压力油进入液压缸左腔,活塞在压力油的作用下向右运动,通过活塞与力输出件之间的斜面增力作用,将活塞所受的轴向力放大后,传递到力输出件上,而后力输出件向外输出作用力FO,夹紧工件(图中未示出)。当换向阀位于右边时,压力油进入油缸右腔,推动活塞向左移动,力输出件下降,夹具松开工件。(2)力学分析图1系统,输出件受到来自活塞斜面的作用力,经建立力学模型分析计算,机构的理论增力系 数it及实际增力系数ip可用以下计算公式表示:it=4Fotd2p=1tantip=4Fopd2p=1 - tan(t+)tanvtan(t+) + tan(1)式中Fot 理论输出力(N) ;Fop 实际输出力(N) ;d-活塞直径(m) ;p 液压缸左腔压力(Pa) ;t 理论压力角(rad) ; 活塞上的斜面间的摩擦角,= arctan1(1为活塞上的斜面与力输出件之间的摩擦系数) ; 活塞与液压缸内壁之间的摩擦角,即 =arctan2(2为活塞与液压缸内壁之间的摩擦系数) ;v力输出件与其导向孔间的当量摩擦角,v= arctanv,(v力输出件与其导向孔间的当量摩擦系数,其值由力输出件的受力及约束方式所决定3)。2 斜置铰杆式单边正交增力机构图2所示为斜置铰杆式单边正交增力机构与无杆图2液压缸的组合装置,其工作原理与图1中的斜楔式单边增力机构相同,只不过增力元件由斜块换成了斜置铰杆。通过分析计算,系统的理论增力系数it及实际增力系数iP的计算公式的形式与图1系统的完全一致,只不过在本系统中实际增力系数iP计算公式中的为铰链副的当量摩擦角,= arcsin(3d0L) , (d0为铰接处铰链轴的直径,L为铰杆两端铰链孔的中心距,3为铰链副的摩擦系数2 ,3。3 钢球式单边正交增力机构图3为钢球式增力机构,其工作原理同系统1、103机床与液压2003.No.4 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图32 ,但增力元件换成了钢球。 该系统作为输出件的钢球与导向孔间为点接触,经分析计算,其理论增力系数it及实际增力系数ip的计算公式为:it=4Fotd2p=1tantip=4Fopd2p=1 - tan(t+)tantan(t+) + tan(2)式中 钢球间的滑动摩擦角; 输出件钢球与导向孔间的摩擦角;= arctan4,(4为输出件钢球与导向孔间的滑动摩擦系数)。比较一下公式(1)与公式(2) ,我们会发现,它们的形式非常相似,只不过公式(1)中的v在公式(2)中以代替。4 技术性能比较以上三种系统在力学性能及技术上有一定的差异,现比较如下:(1)力传递效率通过以上分析可看出,三种系统的工作原理完全相同,在不考虑摩擦的前提下,其理论增力系数相同;考虑摩擦时,由于增力元件及输出件所依附的构件不同,因而导致三者在力学性能上的一些差异:比较一下系统1与系统2的摩擦角及当量摩擦角,可看出,在一般条件下,系统2中的当量摩擦角较系统1中的摩擦角小得多,所以系统2的增力系数比系统1的要大,力传递效率高。再来对比一下系统1与系统3 ,由于一般情况下钢球的硬度较楔块高,表面粗糙度较楔块的低,所以系统3摩擦损失小,增力系数比系统1的要大。故三个系统中,楔式增力机构的力传递效率最低。(2)自锁问题图1所示系统,当t+时,有非常可靠的自锁性能;图2、3所示系统的摩擦损失相对较小,但自锁功能较差。因此,如果以获得较大的增力系数为主要目的,应选择图2及图3系统;如果要求长时间保持作用力,而欲让液压泵卸荷或停止运转以便节能,则应选择系统1。(3)行程问题在三个系统中,当活塞的有效水平位移相同时,且在系统2铰杆式增力机构的连杆长度与系统3双钢球增力机构钢球直径相等的前提下,系统2、3的输出位移相同;但斜楔形增力机构在相同的活塞位移下,其输出位移却要小得多。例如:当初始压 力角0= 45,终止压力角e= 8,铰链机构连杆长度为L时,当活塞水平移动L(sin45- sin8) ,系统2、3的输出位移为L(cos8- cos45) = 0.28L;而系统1的输出位移为L(sin45- sin8)tan8= 0.08L。 所以要使系统1获得与系统2、3相同的输出位移,则需活塞有更大的水平位移,这样会导致活塞缸的轴向尺寸加大。在实际设计中,为避免此缺陷,可采用在不同的行程段,楔块设计成不同的压力角。(4)强度与承载能力图1所示斜楔式增力机构及图2所示斜置铰杆增力机构,是面接触,刚度好,强度高,适于传递较大载荷;图3所示钢球增力机构结构简单紧凑,制造工艺简便;但钢球与其接触的元件之间皆为点接触,故不宜承受过大的负载。参考文献【1】Zhong Kangmin ,Guo Peiquan.Orthogonal reinforcementmechanism and hydraulic drive.In: Proceedings of tenthworld congress on the theory of machines and Mechanisms(Vol5) . Oulu , Finland: Oulu University Press , 1999 , 20372042【2】林文焕,陈本通编著.机床夹具设计.北京国防工业出版社, 1987【3】刘文剑主编.夹具工程手册.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社, 1992收稿时间: 2002 - 09 - 11(上接第325页)Based Real - Time Diagnostic System for PLC Controlled Manu2facturing Systems J .Proceedings of the IEEE InternationalConference on Systems , Man and Cybernetics , 1999: 499 - 504【6】Karsten Lemmer , Bernhard Ober ,Eckehard Schnieder.Model - Based Programming and Diagnosis for ProgrammableLogical Controllers J .Proceedings of the IEEE Interna2tional Conference on Systems , Man and Cybernetics , 1995:44744479.【7】Barbara A. Osyk , Ming S. Hung , Gregory R. Vadey. ANeural Network Model for Fault Detection in Conjunction witha Programmable Logic Controller J . Journal of IntelligentManufacturing , 1994. 5 (2) : 6778.【8】Andrea Bernieri , G iovanni Betta , Antonio Pietrosanto , CarloSansone. A Neural Network Approach to Instrument Fault De2tection and Isolation J .IEEE Transactions on Instrumenta2tion and Measurement , 1995. 44 (3) : 747750.【9】G iovanni Betta , Consolatina Liguori , Antonio Pietrosanto.An Advanced Neural - Network - Based Instrument Fault De2tection and Isolation Scheme J .IEEE Tr