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形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究中文摘要 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 中文摘要 分析了各类夹紧机构的技术特点，并对各种增力机构的力学性能进行了分析。通 过对偏心凸轮夹紧机构的技术特点及优缺点的研究，分别在以下二个方面对偏心凸轮 夹紧技术进行研究，设计出了多种新型的机床夹具系统，并对其中的大部分系统进行 了力学建模及分析计算，给出了能够指导工程设计的力学计算公式。 ( 1 ) 形封闭偏心凸轮一其它增力机构。通过对各种不同的机械增力机构同形封闭 偏心凸轮机构进行合理配置，利用增力机构的增力特性及凸轮自锁与非自锁特性可构 成的各种不同的基于自锁型形封闭偏心凸轮夹具系统和基于非自锁型形封闭偏心凸 轮夹具系统。所设计的夹具系统有：杠杆串联组合手动夹具、非自锁斜契机构串联组 合手动夹具、非自锁铰杆机构串联组合手动夹具、自锁型斜契机构串联组合手动夹具、 过零界点自锁铰杆机构的手动夹具。 ( 2 ) 形封闭偏心凸轮一手动流体传动机构。将流体动力系统同偏心凸轮系统有 效结合起来，利用流体动力的持续性和稳定性，组成各种更高效和更可靠的夹具系统， 所设计的夹具系统有：直接夹紧的流体传动夹具、间接央紧的流体传动夹具、基于自 锁及非自锁流体传动夹具。 通过扬长避短及优势互补，通过各种增力机构同形封闭偏心凸轮的合理配置，并 且随着压缩空气等清洁流体动力的广泛使用，科学合理的把传统机械与其结合，一定 可以开发出大量符合生产实际的新装置来。 关键词：串联组合增力机构：凸轮机构；机械传动；铰杆机构：杠杆机构；气动 机构 作者：姚远 指导教师：钟康民 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ef o r mc l o s u r ee c c e n t r i c c a mm e c h a n i s m0 nt h em a c h i n et o o l sc l a m o t n g l- _- a b s t r a c t a n a l y s i so ft h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u st y p e so fc l a m p i n gm e c h a n i s m ，a n da v a r i e t yo fm e c h a n i c a lf o r c ea m p l i f i e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d e c c e n t r i cc a mc l a m p i n g m e c h a n i s mo nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f , r e s p e c t i v e l y , i nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t so ft h ee c c e n t r i cc a mc l a m p i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c h ，d e s i g nav a r i e t yo fn e wf i x t u r es y s t e m s ，a n dm o s to ft h e s es y s t e m sm o d e l i n ga n d a n a l y s i so ft h em e c h a n i c a lc a l c u l a t i o ni sg i v e nt ot h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n f o r m u l a ( 1 ) e c c e n t r i cc a m - s h a p e dc l o s e d - t h eo t h e rf o r c ea m p l i f i e r t h r o u g hav a r i e t yo f m e c h a n i c a lf o r c ef o r mc l o s u r ew i t ht h er a t i o n a la l l o c a t i o no ft h ee c c e n t r i cc a m ，t h eu s eo f f o r c eb yf o r c ec h a r a c t e r i s t i c sb yi n s t i t u t i o na n dc a ml o c k i n ga n dn o n - s e l f - - l o c k i n gf e a t u r e c a nb ec o m p o s e do fav a r i e t yo ff o r mc l o s u r eb a s e do nt h ee c c e n t r i cs e l f q o c k i n gc a m c l a m ps y s t e ma n db a s e do nn o n - s e l f - l o c k i n ge c c e n t r i cc a m - s h a p e dc l a m pc l o s u r es y s t e m d e s i g n e df i x t u r es y s t e ma r e s e r i e sc o m b i n a t i o no fm a n u a ll e v e rc l a m p s ，n o n - s e l f - l o c k i n g o b l i q u e s e r i e sc o m b i n a t i o no fm a n u a lf i x t u r ec o n t r a c t a g e n c i e s ，i n s t i t u t i o n s o f n o n - s e l f - l o c k i n gs e r i e sc o m b i n a t i o no fm a n u a lt o g g l ec l a m p s ，s e l f - l o c k i n go b l i q u es e r i e s c o m b i n a t i o no fm a n u a lf i x t u r ec o n t r a c ta g e n c i e s ，t h ez e r ob o u n d a r yp o i n ti n s t i t u t i o n s s e l f - l o c k i n gm a n u a lt o g g l ec l a m p ( 2 ) e c c e n t r i cc a m - s h a p e dc l o s u r e m a n u a lt r a n s m i s s i o nf l u i d h u i dp o w e rs y s t e m s w i t ht h ee c c e n t r i cc a ms y s t e mt oe f f e c t i v e l yc o m b i n et h ec o n t i n u e du s eo ff l u i dp o w e ra n d s t a b i l i t yt of o r mav a r i e t yo fm o r ee f f i c i e n ta n dm o r er e l i a b l ef i x t u r es y s t e m ，t h ef i x t u r e d e s i g ns y s t e m ：d i r e c tt r a n s m i s s i o nf l u i dc l a m p i n gf i x t u r e ，i n d i r e c th u i dp o w e rc l a m p i n g f i x t u r e ，b a s e do nt h es e l f - l o c k i n ga n dn o n - s e l f q o c k i n gf l u i dp o w e rf i x t u r e b ya v o i dw e a k n e s s e sa n ds t r e n g t h s ，t h r o u g hav a r i e t yo ff o r mc l o s u r ef o r c ea m p l i f i e r w i t ht h er a t i o n a la l l o c a t i o no ft h ee c c e n t r i cc a m ，a n dw i t hc o m p r e s s e da i rc l e a nt h e e x t e n s i v eu s eo ff l u i dd y n a m i c s ，s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ew i t ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l 型封闭偏! 坠凸丝也捡垄扭瘗去县生殴应虚盟荭 墓塞擅重 c o m b i n a t i o nw i l lb ea b l et oc o m p l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fal a r g en u m b e ro fa c t u a l p r o d u c t i o nt h en e wd e v i c e s k e yw o r d s ：s e r i e sc o m b i n a t i o nf o r c ea m p l i f i e r ；c a mt r a n s m i s s i o n ；m e c h a n i c a ld r i v e r ； t o g g l et r a n s m i s s i o n ；l e v e rt r a n s m i s s i o n ；p n e u m a t i cd r i v e r f f w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： y a o y u a n z h o n g k a n g m i n 1 1 引言 第一章绪论 机床夹具是机床上用以装夹工件的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件 获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧【l 】。可以有很多分类，通常 按专门化程度分类有：通用夹具、专用夹具、通用可调央具和成组夹具、组合夹具、 随行夹具等。按使用的机床分类则有车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨 床夹具、齿轮机床夹具和其他机床夹具等。根据夹具所采用的夹紧动力源不同，可分 为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。 在实际中，机床夹具的目的是能稳定地保证工件的加工精度、能减少辅助工时，提高 劳动生产率、能扩大机床的使用范围，实现一机多能【3 】。 机床夹具现在一般都是大多采用气压传动或液压传动。液压传动具有运动平稳、 输出力大等优点，因此目前制造业中应用的流体传动机械手中，液压机械夹持装置的 应用非常广泛【2 】。但液压传动的缺点是运动较慢、灵敏度不够高，特别是在日益提倡 环保的今天，液压传动的致命缺点就是液压介质容易泄露污染环境。而从流体传动绿 色化这一方面来说，气压传动具有一些得天独厚的优点：空气可以从大气中获得；同 时，用过的空气可以直接排到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部 分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。同时气压传动具 有动作迅速等一系列显著优点，使得它在工业生产中得到越来越广泛的应用，己成为 自动化不可缺少的重要手段。随着气动技术的发展，气动机械手的应用也越来越广泛， 特别是在一些工业装配过程中，利用气动机械手能提高工作效率，还可用在一些对人 体健康不利的场合 4 j 。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、 不污染环境、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、 化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。 在夹具上最常用的凸轮机构有轮形、轴形和槽形三种形式1 5 1 。根据凸轮展开曲线 的不同，又可分为圆偏心凸轮机构和曲线偏心凸轮机构。圆偏心凸轮机构外形为圆， 筮= 童绪i 金 巫蕴团值：垒凸盐扭控在扭压去县虫鳆虐围班宜 制造方便，应用最广。 本文要研究的形封闭偏心凸轮机构是一种正在兴起新型夹具，是在传统的凸轮机 构中进一步研究演变的，传统的偏心轮机构是由凸轮演化而成的。偏心夹紧装置不仅 具有自锁功能，而且具有结构简单、制造工艺性好、操作方便、夹紧过程迅速等突出 优点，因而，它在机械制造领域中至今依然得到了极为广泛的应用。单纯的偏心夹紧 装置直接使用时，会对工件表面产生个方向相互垂直的作用力，即法向正压力和切向 摩擦力嘲。除了极少数情况外，偏心轮对工件表面的切向摩擦力，往往会破坏定位、 损伤工件表面。因此，偏心夹紧装置在工程领城极少单独使用，大多是与杠杆式压板 进行串联组合使用。 1 2 形封闭与力封闭比较及概述 在传统的偏心轮机构与杠杆式压板串联组合夹紧装里中，偏心轮机构几乎无一例 外地采用力封闭方式，如图1 - 1 采用力封闭偏心轮机构的一大显著缺点是：为了使松 开过程中压板能可靠的自动脱离工件表面，夹具设计人员一般都需要为压板另外设计 自动复位装置，其中最常见的是弹簧式的。自动复位装置不仅使夹紧装置的结构更加 复杂，而且夹具常因裸露的弹簧中进入切削等杂物而不能正常使用。为了克服这一问 题，可以采用形封闭方式连接的偏心凸轮机构，形封闭偏心凸轮机构与图卜2 中所示 偏心凸轮机构工作原理基本相同，理论增力系数也相同。它利用形封闭偏心凸轮在回 程时能强制力输出件复位的原理，无需专门的复位装置，因而结构简约，并且工作可 靠忉。 综上所述，形封闭偏心凸轮机构可有效进行力的放大、夹紧时间短，且具有自锁 功能。将其应用于夹紧机构中，不仅可以满足生产的要求，而且结构简约。比较实际 生产中采用的两种偏心凸轮机构，形封闭偏心凸轮机构与力封闭偏心轮机构相比，回 程时可强制力输出件复位，不需要设计专门的复位装置，因而结构更为简约。因此在 铣夹具的设计中，最终决定采用形封闭偏心凸轮机构进行夹紧。 2 图1 1 力封闭偏心轮机构 偏心凸轮 铰链轴 力输出元件 复位弹簧 导向板 上什 图1 2 形封闭偏心轮机构 、3 偏心凸轮 力输出元f ， 铰链轴 导向 j ：件 筮= 童缝i 金 一 形麴团垣! 坠凸捡扭掏查拯压去县主敛座旦班究 1 3 形封闭偏心凸轮机构的发展现状 形封闭凸轮机构在机械夹具上应用的比较广泛，在手动压力机和夹具上以及其他 系统上都比较常见。通常形封闭凸轮机构都是与其他的机构进行串联组合使用。例如 与杠杆和铰杆、液压气动等。这样就可以组合成应用于不同场合的夹具【l 】。 偏心夹紧装置不仅具有自锁功能，而且具有结构简单、制造工艺性好、操作方便、 夹紧过程迅速等突出优点，因而，它在机械制造领域中至今依然得到了极为广泛的应 用【8 】。单纯的偏心夹紧装置直接使用时，会对工件表面产生个方向相互垂直的作用力， 即法向正压力和切向摩擦力。除了极少数情况外，偏心轮对工件表面的切向摩攘力， 往往会破坏定位、损伤工件表面。因此，偏心夹紧装置在工程领城极少单独使用，大多 是与杠杆式压板进行串联组合使用 9 1 。 形封闭偏心轮一杠杆铰杆增力机构的突出优点：一是可实现多级放大，二是具 有自锁功能，三是具有自动复位功能。因此它不仅在手动力放大装置中广泛应用，而 且在电动增力机构中的应用也极其广泛。但由于人手所能提供的作用力有限，所以在 要求力较大的场合下，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 机动增力机构。为此，本文设计了以偏心轮为驱动力，通过杠杆铰杆增力后，再输 出力的多级增力装置，使得在一定范围内采用手动装置代替机动装置成为了可能。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 课题研究的意义 自改革开放以来，中国经历了快速工业化和经济增长。可以预见，未来几十年， 中国经济还将保持一个较高的增长速度。机械制造业在国民生产中也起着举足轻重的 作用。现在从中央到地方都在提节能减排、建设节约型社会，同样，在机床夹具技术 上，我们所要做的就是设计和制造一种能够最大化的利用能源，节约能源，从而能够 在最小化的能源利用上制造出最大化的经济利益。 形封闭凸轮机构的优点在于利用了凸轮机构结构简单、紧凑、设计方便，可实现 从动件任意预期运动，以及杠杆、铰杆等机构的可重构性，可以有效的进行力放大和 4 毖封闭傻：坠凸猃扭控垄扭瘗去县虫盟应用硒窥 箍二重绮纶 形状组合，可以适合不同工件的加工要求。以期达到效率最高，能耗最低。 此外，对形封闭凸轮机构研究可以帮助我们更好的了解形封闭凸轮机构的工作原 理和特性，而m a t l a b 方法是对形封闭凸轮机构和杠杆以及铰杆串联组合时力放大 系数等进行有效分析，以期望达到最优组合。 1 4 2 课题研究的主要内容 全文共分六章，各章内容安排如下： 第一章阐述了论文的选题背景，对形封闭凸轮机构发展进行了阐述，形封 闭凸轮机构的工作原理，并介绍了本文的主要研究内容和章节安排。 第二章介绍了形封闭偏心轮杠杆机构及其特点，将形封闭偏心轮与杠 杆机构相结合，设计了多种以杠杆为驱动的增力装置。使得这两种 机构进行与优化组合，利用了偏心轮的自锁功能以及杠杆机构的力 放大功能，突出了杠杆机构的优势。 第三章介绍了形封闭偏心凸轮铰杆机构及其特点，将形封闭偏心轮与 铰杆机构相结合，设计了多种以铰杆为驱动的增力装置。利用了偏 心轮的自锁功能以及铰杆机构的力放大功能，并对其进行了有效的 力学计算，进行了分析。 第四章将第二章和第三章的机构进行组合，将偏心凸轮、杠杆、铰杆进行 有效组合，设计出既具有增力功能、也具有自锁功能的夹具。与传 统夹具进行比较，突出了此类夹具的独特优势。 第五章研究了非机构自锁夹具，主要是气动与偏心轮的组合串联结构，阐 述了气动的优点，并与之和液压进行比较，然后并对其工作原理进 行了研究和阐述。 第六章全文的总结和研究展望。 5 第二章形封闭偏心轮杠杆机构夹具 传统的偏心凸轮杠杆串联组合夹紧装置中，偏心凸轮机构几乎都无一例外地 采用了力封闭方式。采用力封闭偏心轮机构的一大显著缺点是：为了使松开过程中压 板能可靠地自动脱离工件表面，夹具设计人员一般都需要为杠杆式压板另外设计自动 复位装置，其中最常见的自动复位装置是弹簧式的。自动复位装置不仅使得夹紧装置 的结构趋于复杂，而且裸露的弹簧不可避免地会塞入切屑等杂物，由此引起的夹具不 能正常使用的事故，在制造企业中可以说屡见不鲜【6 】。 所以，基于上述原因，我们根据形封闭凸轮机构在回程时能够强制从动件复位的 原理，结合常见杠杆机构的类型，设计了三种形封闭圆偏心轮机构与杠杆式压板串联 组合的夹紧装置。这几种夹紧装置在松开过程中，利用形封闭偏心轮机构强制杠杆式 压板脱离工件表面。不仅工作可靠，而且结构上更为简约。 2 1 工作原理及机构演变 从力的传递特性上来对杠杆机构进行分类，可分为一般杠杆机构、恒减力杠杆机 构、恒增力杠杆机构三类，并由此对应着三类杠杆式压板。形封闭圆偏心轮机构与杠 杆式压板串联组合的夹紧装置，因此自然也存在相对应的三种形式，它们的工作原理， 分别如图2 - 1 、图2 - 2 、图2 - 3 所衣1 0 1 。 杠杆的支点在杠杆的受力端和夹紧端之间，其增力系数可能大于等于1 ，也可能 小于l 。为了使杠杆的夹紧端有较大的行程，一般使其行程比大于1 ，那么增力系数 就小于1 。在杠杆( 压板) 的受力端加工一个如图所示的孔，圆偏心轮以适当的配合 方式置于该孔中，并可绕固定轴转动。当在手柄上施加一个逆时针方向的力矩后，圆 偏心轮绕固定轴沿逆时针方向旋转，其最高处推动杠杆受力端向上运动，从而使杠杆 的夹紧端向下运动，夹紧工件n 2 1 。圆偏心轮能够自锁，可以不需要继续施加力的作用， 就能使工件夹紧，然后就可以进行各种加工。加工完毕后，顺时针方向转动圆偏心轮， 其最低处推动杠杆的受力端向下运动，松开工件。 6 形割闭偏心凸轮机构在机床央具中的心用研究第二章形封闭偏心轮杠杆机构央具 图2 1 形封i ：a j 圆偏心轮机构与一般杠杆式压扳串联组合 图2 _ 2 形封闭吲偏心轮机构与恒减力杠杆式爪板串联组合 幽2 3 形封闭圆偏一山轮机构与恒增力杠杆式压板串联绢 有时，根据被夹持工件对象的不同几何形状，可以对央具的形状进行演变，加持 尺寸较大或者较小尺寸工件时，可以对杠杆的形状进行变化，例如，图2 1 可以演变 为以下形式，可以满足工件尺i j j 大小的变化。 7 筮三童垄塾团堡：垒捡= 堑拄扭翅去县 垄塾团值：坠凸筮壁l 掏查扭逐塞县史盥盥旦婴究 - 1 厂e 、 k 。等i 滋 ；叠 l 毛：震 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究第二章形封闭偏心轮杠杆机构夹具 同理，对于图2 - 3 形封闭圆偏心轮机构与恒增力杠杆式压板串联组合，可以改变 杠杆的形状大小，以适应工件尺寸的大小变化，如图2 7 、图2 8 。【1 3 】 f - 图2 - 7 较大尺寸 2 2 力学分析 2 2 1 图2 - 1 力学分析 图2 8 较小尺寸 增力系数是机构的输出力与输入力之间的比值，常用i 来表示。不考虑摩擦损失 的增力系数为理论增力系数，用f 表示。考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系数， 用i 。表示。图2 1 中，圆偏心轮的实际增力系数【1 4 1 为 i ：墨(2-1) = 一 j 9 p t a n ( a + 妒1 ) + t a n 缈2 】 式中： i _ 圆偏心轮的力臂k ： 9 筮三童堑塾团垣：垒捡= = 扛扛扭趁基县 垄麴因熊：坠凸整拯翅焦扭瘗基县主丝壅旦丛塞 仍偏心轮与工件之间的摩擦角； 仍偏心轮与转轴之间的摩擦角； p 回转中心至夹紧点的距离； 口圆偏心轮夹紧点的升角。 该夹紧机构是手动的装置，要求机构具有自锁的性能。这部分功能由圆偏心轮 实现，也就是说圆偏心轮必须满足自锁的条件口一仍+ 仍。当t a n 纺= t a n 伊2 = o 1 时，口一 一 3 4 计算举例 图3 - 7 实际增力系数f p = 5 0 = 4 0 = 3 0 对于铰杆机构，从理论上讲，其理论压力角口，越小越好，但由于制造精度等原 因，口：角的取值不可能很小，在工程实际中，一般取口袖= 3 。5 。这里，我们取 口2 = 4 。，r = 5 m m ，z = 1 0 0 m m ，= o 1 ，计算可得殷= 0 5 7 。，同时取= 0 1 ， 仍= 1 0 。，秒= 6 。对于偏心凸轮机构，取参数如下，l = 5 0 0 m m ，y = 3 0 。，e = 5 m m ， r = 3 0 m m ，p l = 尾= 6 。根据公式( 3 3 ) ， ( 3 _ 4 ) ，代入计算得，实际增力系数 分别为i 。= 3 5 0 5 ，i 2 = 3 4 4 8 ，二者相差甚微。 若取某夹具人手作用力为5 0 0n ，并取增力系数f _ 3 4 5 ，可计算得输出力为 f o = 1 7 2 5 0 0 n 。而如采用单一的偏心凸轮机构，在其它条件一定的情况下，要取得如 此大的输出力，经计算，驱动杆的力输入点到铰链轴的长度，需达3 m 以上，这在 生产实践中可以说是没有可行性的。 2 1 第三章形封闭偏心凸轮铰杆机构夹具 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 3 4 结论 ( 1 ) 采用了偏心凸轮和铰杆相组合的三级增力机构，由计算结果可知，输入力 可放大3 4 5 倍。因而在输入力一定的情况下，可以获得很大的输出力。 ( 2 ) 相对于力封闭机构而言，形封闭机构在压头回程时不需要复位弹簧，结构 相对简单。 ( 3 ) 第一种压力机采用了过渡铰杆，压力机的刚性较差；第二种采用了过渡滑 块，机构的刚性大大加强：又因为两者增力系数相差不大，因而建议优先选用第二种 机构。 形封闭偏心凸轮机构在机床央具中的应用研究第四章基于形封闭偏心凸轮铰杆一杠杆机构夹具 第四章基于形封闭偏心凸轮一铰杆一杠杆 机构夹具 在前两章中，我们介绍了杠杆犏心凸轮、以及铰杆铂心凸轮机构，以及它们的 衍化机构，里边加入了可重构思想等等。这章我们主要是将偏心凸轮、铰杆和杠杆 这三种机构进行组合。 4 1 偏心凸轮术杆敲杆串联组合机构 如图4 1 所示，该夹具由偏心凸轮、滑块、铰杆、杠杆、压头等组成。通过人手 向驱动杆的球头部施加一个力，使驱动杆带动偏心凸轮逆时针转动，水平方向上便产 生一个推动驱动滑块向左运动的力；该力通过铰接在驱动滑块上传递到铰杆上，进而 由该机构产生向下的推力，推动杠杆，在通过杠杆来推动压头向左运动对工件施加作 用力，工作行程即告完成。工件加工完毕后，扳动驱动杆使偏心凸轮逆时针方向运动， 使驱动滑块等向右运动，并最终带动压头向上运动脱离工件。 但是在实际生产中，我们可以对这种结构夹具进行有效的优化和变形，例如，我 们可以对杠杆进行改变，使用恒增力或者一般杠杆，或者改变滑块，铰杆等等，可以 衍变出许多形式的机构。 如图4 一l 机构，当加持的工件不需要较大的夹紧力时，图4 1 机构可以适应。但 是，当需要较大的夹紧力，或者尺寸较大时，本机构就不能适应，因为需要较大的 力，所以需要两级或三级增力机构，可以增加斜楔或者液压机构等等【1 9 】。或者可以 改变机构的形状等等。 第四章基于形封闭偏心凸轮一铰杆一杠杆机构夹具形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 工件压头铰杆杠杆滑块偏心凸轮 图4 - 1 偏心凸轮一杠杆一铰杆串联组合机构 根据图4 - 1 ，我们可以得出此夹具的理论增力系数和实际增力系数为： f ：堕! 凸1 _ ( 4 - 1 ) p t a n a lz 22 t a r i f f c o s ， l p2 面蕊再百陶。 ! 垡! ! 立翌( 4 - 2 ) 2 t a n ( f l + 伊)f 2 式中：l 、厂、f l 、z ：如图所示； 口1 偏心轮力作用点处偏心凸轮的升角，口1 ：a r c t a n i 竺坐l ( p 为偏 k e c o s y 心距，r 为偏心凸轮的半径) ； 矽铰杆连接处的当量摩擦角； 妒。驱动滑块与其导向槽之间的摩擦角，即缈。= a r c t a n # ( 为驱动滑块与 导向槽之间的摩擦系数) ； 仍压头与其导向槽间的当量摩擦角，其值由力输出件的受力及约束方 式决定。 7 7 杠杆的传递效率，通常取0 9 7 ； p 偏心凸轮转动中心与其力作用点处的距离， 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究第四章基于形封闭偏心凸轮一铰杆一杠杆机构夹具 p = j 5 c 2 + p 2 2 r e c o s y 。 屈偏心凸轮与驱动滑块作用处的摩擦角； 厦铰链副的当量摩擦角，即厦= a r c s i n 等厂( r 为铰链轴半径，l 为铰 杆上两铰链孔的中心距，f 为铰链副的摩擦因数) 1 3 ； 厥偏心凸轮转轴处的摩擦角： 因此，我们可以得出此夹具系统的理论输出力和实际输出力为： = 怒，t 1 1 + 1 2 面1 e ( 4 - 3 ) r ：竺l 一l 蚴e ( 4 - 4 )2 p t a n ( a , + f l , ) + t a n f l 3 2 t a n ( , 5 + c p ) t 叩i 4 2 偏心凸轮啦杆- 双臂铰杆串联组合夹具 图4 - 2 所示的是偏心凸轮一杠杆一双臂铰杆串联组合机构的三次增力机构夹具。该 机构由偏心凸轮机构、输出原件、复位弹簧、铰杆、杠杆等机构组成。由于此机构采 用杠杆、铰杆等机构，因此增力系数相对较大。【2 2 】 当压动凸轮手柄时，推动输出原件向左运动，带动铰杆推动杠杆，利用杠杆的力 放大作用，再由连接件推动铰杆再次进行力放大作用输出到工件，加紧工件，随后可 以对工件进行加工。加工完工件后，再由复位弹簧的作用，各机构恢复原位，松开工 件。 第四章基于形封闭偏心凸轮铰杆一杠杆机构央具 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 工件力输出原件2铰杆杠杆连接杆 挡板力输出原件l偏心凸轮 图4 - 2 偏心凸轮一杠杆一双臂铰杆串联组合夹具 建立数字模型，据静力学原理，得到图4 - 2 所不机构的理论增力系数f t 和实际增 力系数0 ： 怒上丁ll+12面1ptana t a n a ( 4 - 5 ) lz 22 t 锄 i ：t 1 雩b l 一蚴 (46)t, 2 币而了万丙闶2 t a n ( a + q ，) t a n ( f l + ( p ) + 亍 - 6 式中： 口、铰杆倾斜角； 口1 偏心轮力作用点处偏心凸轮的升角，口l = a r c t a n i 里( e 为偏心距， k e c o s ， r 为偏止 凸轮的半释) 1 2 1 ： 、乞杠杆力臂长； 缈铰杆连接处的当量摩擦角； 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究第四章基于形封闭偏心凸轮铰杆一杠杆机构夹具 仍驱动滑块与其导向槽之间的摩擦角，即仍= a r c t a n u ( 为驱动滑块与导向槽之 间的摩擦系数) ； 够，压头与其导向槽间的当量摩擦角，其值由力输出件的受力及约束方式决定1 4 1 。 7 7 杠杆的传递效率，通常取0 9 7 ；1 3 6 1 工、y 如图所示； p 一一偏心凸轮转动中心与其力作用点处的距离， r _ = 。一 p = 、r 2 + e 2 2 r e c o s 2 。 屈偏心凸轮与驱动滑块作用处的摩擦角； 1 - 殷铰链副的当量摩擦角，即厦= a r c s i n 竿，( r 为铰链轴半径，z 为铰 i 杆上两铰链孔的中心距，- 厂为铰链副的摩擦因数) 1 3 1 ； 屈偏心凸轮转轴处的摩擦角； 因此，我们可以得出此夹具系统的理论输出力和实际输出力为2 3 】： =怒。去，t11+12，面1ptan t a n 。e 口l 口 f 2 z t a n e 一： 圭! ! ! 兰 ! 垡! 1 21 翌f o2 币面再百同。瓦而i 丽而丁_ 4 3 结论 ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) ( 1 ) 采用了偏心凸轮和铰杆杠杆相组合的三级增力机构，因而在输入力一定的情况 下，可以获得很大的输出力。 ( 2 ) 由前面已知，杠杆具有三种形式，在机床夹具中每一种形式杠杆都可以起不同 的作用，比如恒增力和恒减力杠杆在夹具中可以分别起着增力和增大位移的作用。 ( 3 ) 杠杆、铰杆偏心凸轮还可以和气动液动等相组合，也可以与肌腱等组合，以期 达到便捷快速，高效的作用。 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 在现代机械工业的生产和制造过程中，大量采用液压夹具。但是，液压系统由于 制造上的原因而不可避免地存在漏油现象 2 4 1 ，从而对周围的环境造成污染。液压冲击 还会产生噪声，侵害着人们的身心健康。面对着制造业日益严重的污染问题，出现了 绿色制造瞄】的理念。气压传动相对于液压传动而言，不会产生空气污染，冲击造成的 噪音污染也比较小，因此，气压传动是一种清洁的系统，适应当今绿色制造的要求， 具有广阔的应用前景。然而，气压传动也有自身的缺点，如系统压力不可能太高，系 统体积过于庞大。为了克服气压传动的缺点，须对传动力进行放大。本章中，我们将 偏心凸轮可以与气动机构进行组合，最简单的是偏心凸轮和气动组合，还有将气动和 铰杆杠杆等机构机型组合【2 6 1 。 5 1 气动柏心凸轮机构 5 1 1 工作原理 图5 1 所示为一最为基本的气动一偏心凸轮机构，工作原理为：气缸内活塞杆的 外端装配有圆柱滚轮，在偏心轮的驱动杆上开一长槽，将滚轮以适当间隙配合嵌入 槽中并适当润滑。当气缸活塞在缸体左腔压缩空气的作用下向右运动时，偏心轮驱 动杆槽中的滚轮也随之向右移动，驱动杆将向下运动，驱动偏心轮以d ，为轴心作顺 时针方向的摆动；活塞所受的轴向力经过驱动杆与偏心轮的作用放大后，由偏心轮 向外输出力，从而夹紧工件。当气缸右腔进压缩空气，则偏心轮反向运动，将工件松 开，完成工件复位。f 明【3 5 1 从原理图中可以看出，该夹紧装置可以通过自身形状来分 离工件，无需复位装置，系统刚性也很好。但是值得注意的是，偏心轮对工件作用 力分为径向力和切向力2 种，其中切向力会给工件表面带来些摩擦影响。 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 气缸、活塞工件 滑槽滚轮偏，t l , 凸轮 5 1 2 力学分析 ， 图5 1 气动一偏心凸轮机构 不考虑摩擦时，系统的理论竖直方向输出力f o ，其可以用下式计算： f ：( 5 一) o z r d 2 p l c o 口s ) 14ptan 式中d 汽缸活塞直径 p 汽缸左腔压力 、，图中所示距离和角度 口力输出点处偏心凸轮的升角，t 2 ：a r c t a n = 竺里l ( e 为偏心 k e c o s y 距，r 为偏心轮半径) p 一一偏心凸轮转动中心与力输出点间的距离， p = r 2 + e 2 2 r e c o s y 【2 7 1 考虑偏心轮在力输出点处及转轴处的摩擦后，系统的实际输出力只可用下式计 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具形封闭偏心凸轮机构在机床央具中的应用研究 算， f o = 硒面死d i 2 p l 丽c o s y 式中力输出点处偏心轮与其作用对象间的摩擦角 缈转轴处的摩擦角 偏心轮在水平方向切向力l 可用式下式计算 5 1 3 力学分析 f ：塑：丝! 旦! 兰塑壁 “4 p t a n ( a + ) + t a n , a 】 不考虑摩擦时，系统的理论增力系数乙计算公式为： ：l c o sy 2 蕊 p t a 皿口 ( 5 - 2 ) ( 5 - 3 ) ( 5 _ 4 ) 考虑偏心轮在力输出点处及转轴处的摩擦后，系统的实际增力系数f p 计算公式为： lcos y l p = 瓦面再荀忑而 ( 5 _ 5 ) 为了便于分析计算，我们假设l = l o p ，口= 5 。，= 矿= 1 0 。，将其代入上述公 式中，得到理论增力系数和实际增力系数分别为： f 。，：1 0 c o = = s y 一( 5 - 6 ) i = 一 讲t a i l 5 0 = 面万1 0 c 面o s y ( 5 m 7 ) z = 一 i ij 9 t 觚1 5 0 + t a u l l o o 。 取，在1 5 。6 0 。之间，经m a t l a b 运算后的曲线如下： 圉5 3 实际增力系数 3 l 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 在图中，我们可以看到系统增力系数关于偏心轮摆角7 的函数是一条递减二次 曲线。偏心轮初始状态时增力系数最大。随着偏心轮的摆动，摆角y 逐渐增实际增力 系数逐渐减小。 5 1 4 计算举例 设输出的实际夹紧力为= 3 0 0 0 n ，若采用系统压力p = o 5 m p a 的气压缸直接 作用，则气压缸的直径约为，1 7 6 r a m ，采用本文中所给的装置，设l = l o o m m ，y = 3 0 。， p = 4 m m ，r = 2 0 r a m ， = 缈= 1 0 。， 口= a r c t a n ：f 旦= 6 。5 3 、， k e c o s y p ：4 r 2 + e 2 - 2 r e c o s y 6 6 5 m m ，带入公式。5 劲，。= f 互盈雩孕z 8 鲕m 长 度不到直接作用下的1 3 ，大大地减小了气压缸的体积。可见在输出力大j , - 定的 条件下，该装置能够显著减小系统空间。反之，在系统空间大小一定的条件下，该 装置又可以显著地提高输出力。 5 2 气动耐称偏心凸轮耐称铰杆机构 5 2 1 工作原理 我们看图5 _ 4 ，该机构是由二级铰杆机构和凸轮机构组成的基于二次正交增力一 偏心轮夹紧的气动夹具如图5 - 1 所示。 在气压缸无杆活塞上加工一个圆柱形径向孔，一只滑块以适当的间隙配合置于 径向孔中，滑块的两端分别以对称方式铰接一只斜置铰杆，斜置铰杆的另一端与另 两杆铰接；【2 8 1 其一杆连接固定铰座，另一杆则与偏心轮铰接。当换向阀处于图示上 位状态时，压缩空气进入气压缸上腔；无杆活塞在气体压力的作用下向下运动，通 过二次正交力放大之后，驱动偏心轮绕固定轴旋转，对工件施加作用力瓦，从而夹 紧工件。选择圆偏心轮，使得偏心轮能够自锁，1 2 9 较长时间保持作用力，并可以让 气压泵停止运转，此后便可对工件进行加工。加工完毕后使换向阀切换到下位工 3 2 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的虑用研究 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 作，则压缩空气进入气压缸下腔，活塞向上运动，牵动偏心轮绕固定轴反向旋转， 松开工件。 5 2 2 力学计算 为： 图5 4 气动一对称偏心凸轮一对称铰杆机构 无杆活塞 铰杆 偏心凸轮 工件 不考虑连杆铰接时的摩擦，连杆作用到圆偏心轮上的力丘的计算公式为： 互= 盟( 1 + 1 8 c o s at a n a 耐t a n ( 5 呦 、 7 、 7 式中：j d 气压缸内径。 p 压缩空气的工作压力。 考虑连杆铰接的摩擦时，可得连杆实际作用到圆偏心轮上的力的计算公式 = 高叶面丽面1 丽】 ( 5 _ 9 ) 式中： 鼠与铰支座和与圆偏心轮相连的杆两处铰接的当量摩擦角( 假设与 铰支座相连的杆两处铰接的当量摩擦角和与圆偏心轮相连的杆两处铰接的当量摩擦 3 3 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 角大小相等) ； 幺与滑块相连的杆两处铰接的当量摩擦角。 口：a r c t a i l 星 z 式中：d 相应铰接处铰链轴的直径； 卜一连杆两端铰链孔的中心距； 厂铰链副的摩擦因数。 圆偏心轮对工件夹紧力的实际计算公式为： _ = 历磊丽咒l d 协2 p 【厂l + 办) + t a i l 办j 1 + 丽石再丽1 瓦而， ( 5 1 。) 式中：l 圆偏心轮回转中心到杆件对圆偏心轮作用力方向的垂直距离； y 偏心轮上夹紧点的升角( 7 ：a r c t a n j 华，r 是偏心轮的半径， r - i - e s m 0 3 缈是偏心轮的转角) ； p 圆偏心轮回转中心到夹紧点的距离( p ：r + e s i n c o ) ； c o s 7 么圆偏心轮与夹紧表面之间的摩擦角； 欢圆偏心轮回转轴间的摩擦角。 偏心夹紧装置实际上是一个串连式的2 级增力机构：其中杠杆作用为第1 级， 偏心轮形成的斜楔作用为第2 级。因此，在要求输出夹紧力一定的条件下，采用偏心 夹紧机构可以大大简化手工劳动。在现代制造业中，偏心夹紧装置在手动夹具上得到 了非常广泛的应用，但是在气压传动领域，却极少看到偏心机构的存在。造成这种现 象的原因是人们往往认为偏心夹紧机构不适合在气压传动中应用；其次是偏心夹紧机 构的夹紧是一个旋转运动，f 蚓气缸的活塞是一个直线往复运动，人们受传统思维的束 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 缚很少去考虑这2 种运动的转换问题。曾经有一篇文献蚓出了一种偏心夹紧机构与 有杆液压缸组成的、齿轮齿条为中间驱动装置的夹具系统。该夹具在结构方面很不紧 凑，整个系统的刚性较差。基于以上原因，我们创新设计出了一种由偏心夹紧机构和 气压缸组成的夹紧装置，该方案在较大程度上解决了上述矛盾。 5 3 气动稍心凸轮敲杆机构 5 3 1 工作原理 该夹具的工作原理如图( 5 5 ) 所示。在气缸内放置一个无杆的活塞，当活塞在 压缩空气的作用下向右运动时，驱动杆的球头部便在活塞径向孔中向下滑移， 驱 动偏心轮以d ，为轴心，作顺时针方向摆动，从而迫使力输出件下移。活塞所受的轴 向力经过驱动杆与偏心轮的作用放大后，由力输出件作用于铰杆，传递的作用力再次 经过铰杆间的二次正交放大，得到最终输出力只通过压紧件向外输出。 当活塞在气缸右腔压缩空气的作用下向左运动时，则偏心轮反向摆动，复位弹簧 推动力输出件向上移动完成系统复位。需要指出的是，该装置的无杆活塞缸较好地解 决了活塞直线往复与偏心轮旋转摆动这两种运动的转换问题。活塞所受的径向力，是 由驱动杆的球头部在活塞径向孔中的滑移摩擦造成的，其数值相对较小。因此，该活 塞的受力条件较好。【3 l 】在该机构的二级力放大过程中，铰杆以串联的方式，两次运用 了角度效应，进行力的放大和传递，其增力效果十分明显。 3 5 第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究 5 3 2 力学分析 图5 - 5 气动一偏心凸轮一铰杆机构 对该夹具建立力学模型，不考虑摩擦时，图( 5 5 ) 所示系统的理论垂直方向输 出力瓦为： c = 面z d 2 p l c o s y 硫丽南+ 1 c 5 州， 式中d 气缸活塞直径 p 气缸左腔压力 弘l 如图中标示 形封闭偏心凸轮机构在机床夹具中的应用研究第五章气动一形封闭杠杆铰杆非自锁偏心夹具 为： 口力输出点处偏心凸轮的升角，口：a r c t a n ：竺