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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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基于钢球-双锥面增力的偏心驱动压紧装置王明娣,钟康民(苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州215021)摘要:介绍了基于钢球-双锥面增力的偏心驱动压紧装置的工作原理,给出了相应的力学计算公式。给手柄施加一个较小的力,该压紧装置能够获得一个很大的输出力。这就使得在某些场合下,可以用手动压紧装置代替气动压紧装置,甚至液压压紧装置。关键词:偏心轮;压紧装置;钢球;双锥面;力放大机构中图分类号:TG751 ;TH112. 7 文献标识码:A 文章编号:1001 - 2354(2004)06 - 0049 - 02 偏心夹紧机构的突出优点,一是夹紧时间短,二是具有自锁功能。因此,它在手动压紧装置中的应用极为广泛。但由于人手所能提供的作用力有限,所以,在要求压紧力较大的场合,人们往往不得不采用费用昂贵,且容易产生污染的气动或液压等机动压紧装置。为此,创新了以偏心机构为驱动、 通过钢球-双锥面增力后,再输出压紧力的多级增力压紧装置,使得在一定范围内,采用手动压紧装置代替机动压紧装置成为了可能。下面结合图例,介绍这种新型压紧装置的结构工作原理和力学计算公式。1 工作原理基于钢球-双锥面增力的偏心驱动压紧装置的工作原理,如图1所示。该压紧装置主要由带手柄的偏心轮、 固定套筒、圆锥体、 传力钢球、 导向板及力输出件组成。其中,固定套筒与导向板的位置是固定不动的。当操作者在手柄球头上施加一个力,并使偏心轮顺时针转动时,便使偏心轮产生一个推动圆锥体向下运动的力;该力再由圆锥体外锥面传递到三只钢球上,迫使三只钢球沿固定套筒的内锥面向外下侧运动,将力传递到力输出件上。偏心轮作用于圆锥体上的轴向力,通过外锥面与钢球之间的一次增力和钢球与内锥面之间的二次增力后,由力输出件输出压紧力Fo。当操作者使偏心轮逆时针转动时,复位弹簧的作用力通过力输出件及钢球,推动圆锥体向上运动完成复位。不难理解,圆锥体所受的来自于三个钢球的径向力,是一个合力为零的平衡力。也就是说,圆锥体与固定套筒内壁之间,理论上不存在作用力,当然也就不存在摩擦损失。而参考文献1介绍的钢球-双斜面增力机构,则无此优点。此外,从总体上看,图1所示压紧装置的结构较为紧凑,刚性也较好。2 力学计算与力学特性讨论2. 1增力系数计算增力系数是机构的输出力与输入力之比值,常用i表示。不考虑摩擦损失的增力系数为理论增力系数,用it表示;考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系数,用ip表示。图1 工作原理图常见的用手柄驱动的偏心凸轮机构,实质上是一个由杠杆与凸轮复合的串联式二次增力机构。该机构的理论增力系数it1的计算公式为:it1=Ltan(1)式中: 力输出点处偏心凸轮的升角;=arctanesinR - ecos( e为偏心距, R为偏心轮的半径,如图1所示) ; 偏心轮转动中心与其力输出点间的距离, =R2+ e2-2Recos 。根据文献1 ,该机构的实际增力系数ip1的计算公式为:ip1=Ltan(+1) +tan2(2)式中:1 偏心轮在力输出点处与圆锥体上平面之间的摩擦角;2 转轴处( O2)的摩擦角。根据正交增力机构的定义2,可以认为从圆锥体到力输出件之间的钢球-双锥面增力机构,是一个二次正交增力机构。根据文献3 ,钢球-双锥面增力机构的理论增力系数it2与实际增力系数ip2的计算公式为:it2=1+1tantan(3)第21卷第6期2004年6月机 械 设 计JOURNAL OF MACHINE DESIGNVol. 21No. 6Jun.2004收稿日期:2003 - 08 - 01 ;修订日期:2004 - 01 - 06作者简介: :王明娣(1975 - ) ,女,江苏靖江人,讲师,研究方向:机构学、 机电一体化技术的研究工作。ip2=1+ f21-f2+2ftan(1+1tantan)(4)式中:f 外锥面与钢球、 钢球与内锥面、 钢球与力输出件之间摩擦因数,为简化计算起见,认为三者是相等的; 、 压力角,如图1所示。图1所示压紧装置是偏心凸轮机构与钢球-双锥面机构的串联组合,显然,其实际增力系数ip从数值上应为ip1与ip2的乘积,即:ip=Ltan(+1) +tan21+ f21- f2+2ftan(1+1tantan)(5)2.2输出力计算设人手作用于手柄球头上的、 方向垂直于手柄轴线的力为FH,复位弹簧的作用力由于相对极小予以忽略,则图1所示压紧装置的输出力Fo= ipFH,即:Fo=1+ f21- f2+2ftan(1+1tantan)Ltan(+1) +tan2FH(6)2.3力传递效率计算机构的力传递效率从数值上应为实际增力系数ip与理论增力系数it之比值。 显然,偏心凸轮机构的力传递效率1为:1=tantan(+1) +tan2(7)钢球-双锥面增力机构的力传递效率2为:2=1+ f21- f2+2ftan(8)图1所示压紧装置的总的力传递效率=12,即:=tantan(+1) +tan21+ f21- f2+2ftan(9)任何以斜面效应进行增力的机构,包括斜楔、 螺旋及各种凸轮机构等,只要是采用滑动摩擦副的,其力传递效率都要随相应斜面升角的减小而降低,特别是在斜面升角很小时要产生锐降4。 而图1所示压紧装置中,偏心凸轮是基于斜面效应,与圆锥体接触处为滑动摩擦;钢球-双锥面机构中的两个锥面都是基于斜面效应,且传力钢球在三个方向上主要承受滑动摩擦;因此,该压紧装置的力传递效率相对较低。例如,设e =3 mm, R =30 mm,=90(计算得 =5.71) ,1=2=6, f =0.1,=8,=15,根据式(9) ,可计算得该夹紧装置的力传递效率系数20%。 尽管这一效率值凭直观感觉相对较低,但由于该压紧装置的理论增力系数很大,故其实际增力系数的值仍然相对较大。 假定上述参数不变,并取L =200 mm,根据式(5) ,可计算得该夹紧装置的实际增力系数ip340。 在如此小的空间结构内,达到如此大的力放大效果,这是一般增力机构极难做到的。此外,一般压紧装置的动作频率都是极低的。 故因摩擦损失而导致的系统温升,可以忽略不计。2.4自锁与输出位移的讨论图1所示压紧装置要求偏心凸轮应当自锁,而钢球则要求不自锁。 偏心凸轮的自锁条件在大量有关著作中均有论述,此处从略。 根据文献3 ,钢球不自锁的条件为: arctan2f1-f2(10)如果取f =0.10,则须大于12 。图1所示压紧装置中的力输出件,其相对位移一般很小。 这是因为任何增力机构理论增力系数it的提高,都要以机构输出位移的相对减小为代价。 鉴于详细讨论该问题需要占较大篇幅,而输出位移的计算对于一般读者并不困难,且在计算较为复杂时可绕开计算公式,而用CAD软件的测量功能在绘图时直接测量求解,故此处不再赘述。3应用举例综上所述,基于钢球-双锥面增力的偏心驱动压紧装置,可在结构较为紧凑的前提下,得到较大的实际增力系数。 因此,施加给手柄一个较小的力,就能够得到一个很大的压紧力。 这就使得在某些场合下,可以用手动压紧装置,代替气动压紧装置,甚至液压压紧装置。例如,某工件要求压紧装置的实际输出力为Fo=35 000N,若采用系统压力p =0.5 MPa的气缸直接作用,可计算得气缸的直径D300 mm。 而采用图1所示压紧装置,并取L =200 mm, e =3 mm, R =30 mm,=90,1=2=6, f =0.1,=8,=15,可计算得人手作用力为FH103 N。 在夹紧动作较为频繁的场合下,一般要求FH150 N,可见图1所示压紧装置是能满足要求的。4结语制造技术的现代化并不排斥手动压紧装置的发展。 即使工业化程度很高的美国,在其近期出版的夹具专著中5,手动压紧装置仍然占据绝对主导的地位。 而且采用螺旋机构和偏心轮机构的新颖手动压紧装置,在图例中占有极大比重。 从这一点上来看,创新操作方便、 结构紧凑、 压紧力大的手动压紧装置,仍然是有关技术领域的重要研究课题。 希望,基于钢球-双锥面增力的偏心驱动压紧装置,能给相关领域的工程技术人员提供一种借鉴或启发,从而创新出性能更为优异的压紧装置来。参考文献1 巩秀长,张进生,等.机床夹具设计原理M.济南:山东大学出版社,1993.2 钟康民,郭培全,胡秉辰.正交增力离心式离合器J .机械工程学报,2000(4) :38 - 40 ,44.3 芮丰.新颖的滚珠式