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直线电机驱动的绿色夹具系统研究 摘要 摘要 目前在机械制造领域广泛采用的机动夹具，主要是液压传动或气压传动夹具。这 两类夹具的能量传递路线，从电能输入到夹紧元件机械输出，中间要经过若干环节， 因而造成较大的能量损失。此外，液压传动还会因油液挥发及泄漏而造成环境污染。 因此，流体传动夹具不能适应制造技术绿色化的发展要求。 本论文重点研究直线电机在夹具的夹紧装置中如何应用的问题，所取得的具体成 果如下： ( 1 ) 对直线电机技术进行了系统分析，为其在不同夹具中的选择应用提供必要 资料； ( 2 ) 提出了以串联组合自锁增力机构与直线电机进行组合，已解决直线电机输 出力不足及不运动时维以保持持续作用力的技术难题，破解了直线电机在夹具中应用 的关键问题； ( 3 ) 对增力机构进行了较系统的分析，对串联组合增力自锁机构进行了较系统 研究及创新设计，并给出了不同机构的力学计算公式与技术性能曲线，以供工程技术 领域的人员参考； ( 4 ) 设计了多种以直线电机为驱动的基于增力自锁机构的夹紧装置，说明了他 们的工作原理与技术特点，以利于该技术在机械制造领域推广应用。 本文研究的直线电机驱动的夹紧装置，是一种绿色化的夹紧技术，具有以下突出 优点： ( 1 ) 不存在环境污染； ( 2 ) 直接使用电能驱动，能量传递路线短，能量转换装置少，能源利用率高， 且总体成本大大降低； ( 3 ) 夹紧装置在加工过程中，直线电机停止工作，不再消耗能源； ( 4 ) 与旋转电机驱动的夹紧装置相比，不需要庞大的减速器与转动一直线运动 转换机构，因而结构紧凑，制造成本低。 关键词：绿色制造；夹紧装置：直线电机；增力机构；自锁 作者：游群 指导老师：钟康民 a b s t r a e t直线电机驱动的绿色夹具系统研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ev a s tm a j o r i t yo ft h em o b i l ef i x t u r e su s i n gi nt h ef i e l do fm a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n ga r et h eh y d r a u l i co rp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o nf i x t u r e 。t h ee n e r g yt r a n s f e rl i n e o ft h et w ot y p e so ft h ef i x t u r e sw i l lr e s u l ti ng r e a t e re n e r g yl o s sb e c a u s et h e yg ot h r o u g ha n u m b e ro fl i n k sf r o mt h ee n e r g yi n p u tt om e c h a n i c a lo u t p u tc l a m p i n gc o m p o n e n t i n a d d i t i o n ，t h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n w i l lc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd u et ot h e e v a p o r a t i o na n dl e a k a g eo ft h eo i l t h e r e f o r e ，t h ef l u i dt r a n s m i s s i o nf i x t u r ec a n n o tm e e t t h er e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n to fg r e e nm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nh o wt ou s et h el i n e a rm o t o ri nt h ec l a m p i n gf i x t u r e ，a n dt h e c o n c r e t er e s u l t sa c h i e v e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o v i d et h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o ra p p l i c a t i o no ft h e l i n e a rm o t o ri nt h e d i f f e r e n tf i x t u r e st h r o u g ha n a l y s i st h et e c h n o l o g yo ft h el i n e a rm o t o r ( 2 ) p u tf o r w a r das e r i e sc o m b i n a t i o no fs e l f - l o c k i n gf o r c ea g e n c i e sc o m b i n e d 、加t l l l i n e a rm o t o r i no r d e rt or e s o l v et h et e c h n i c a li s s u e so fl a c k i n go fo u t p u tf o r c eo ft h el i n e a r m o t o ra n dm a i n t a i nas t a b l ef o r c ew h e nt h el i n e a rm o t o ri sn o tm o v i n ga n db r e a kt h ek e y i s s u ei nt h ea p p l i c a t i o no ft h el i n e a rm o t o ri nt h ef i x t u r e ( 3 ) a n a l y s i sf o r c ea g e n c ym o r es y s t e m a t i c a l l y , r e s e a r c ha n dd e v e l o pm o r ei n n o v a t i v e s e r i e sc o m b i n e dw i t l li n s t i t u t i o n a ls e l f - l o c k i n gs y s t e m ，a n dg i v et h ef o r m u l ao ft h ed i f f e r e n t m e c h a n i c sa n dt e c h n i c a lp e r f o r m a n c eg r a p h i cc u r v ef o rr e f e r e n c eo ft h ee n g i n e e r i n ga n d t e c h n o l o g y ( 4 ) d e s i g nav a r i e t yo fc l a m p i n gd e v i c e sd r i v e nb yl i n e a rm o t o ra n db a s e do n s e l f - l o c k i n ga g e n c i e sf o r c e ，a n di l l u s t r a t ei t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s f o r t h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm a c h i n e r y 功ec l a m p i n gd e v i c ed r i v e nb yt h el i n e a rm o t o ri nt h i sp a p e ri sac l a m p i n go fg r e e n t e c h n o l o g y , w h i c hh a st h ef o l l o w i n gp r o m i n e n ta d v a n t a g e s ： ( 1 ) t h e r ei sn oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ( 2 ) d r i v e nb yt h ep o w e rd i r e c t l yc a nh a v es h o r te n e r g yt r a n s f e rl i n e ，l e s se n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e s ，h i g h e re n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h eo v e r a l lc o s t sc a nb er e d u c e d s i g n i f i c a n t l y ( 3 ) t h el i n e a rm o t o rs t o pw o r k i n gd u r i n gt h ep r o c e s s i n g ，s ot h ec l a m p i n gd e v i c ew i l l n o tc o n s u m ee n e r g y ( 4 ) t h ec l a m p i n gd e v i c ew i l ln e e d n tah u g er e d u c e rj u s ta st h a tc l a m p i n gd e v i c e d r i v e nb yt h er o t a t i n gm o t o rr o t a t i n g - l i n e a rm o t i o nc o n v e r s i o nm e c h a n i s m ，t h u si th a s c o m p a c ts t r u c t u r ea n dl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t s k e yw o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；c l a m p i n gd e v i c e ；l i n e a rm o t o r ；a m p l i f y i n g m e c h a n i s m ；f r i c t i o n - l o c k w r i t t e nb yy o uq u n s u p e r v i s e db yz h o n gk a n g m i n l l 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：j 缝叠 日期：圣：王：竺 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：竺：z ：丝 日? ：出 第一章绪论 1 1 现代制造业的绿色化 第一章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识； 另一方面，为国民经济各部门，包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和 装备【l 】。近几十年来，全球工业高速发展，各种产品的种类和数量与日俱增。机械 制造为社会生产机器的同时，它也在消耗着不可再生的自然资源和能源，大量排放工 业废物、废气和固体废气物等，对环境的污染越来越严重。因此，经济的迅速增长给 全球造成了资源短缺和环境污染的严重危机，威胁到人类未来的发展。全球必须开创 一种新的绿色发展模式，走可持续发展的道路。 基于可持续发展战略思想的绿色制造技术，在机械领域与之相对应的，是近几年 来发展起来的绿色制造理念。绿色制造，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l y c o n s c i o u sm a n u f a c t u r i n g ) 、面向环境的制造( m a n u f a c t u r i n gf o re n v i r o n m e n t ) 等 【2 ，3 ，4 1 。它是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从 设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响( 负 作用) 最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造涉 及的问题包括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题； 三是资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分的交叉和集成。 1 2 机动夹具系统的发展和应用 1 2 1 机动夹具系统技术概述 在机械加工过程中，为了保证工件的加工精度，使之相对于机床、刀具占有确定 的位置，并能迅速、可靠地夹紧工件，以接受加工或检测的工艺装备称为机床夹具， 第一章绪论直线电机驱动的绿色夹具系统研究 简称夹具。 机床夹具的主要功能是使工件定位和夹紧。 定位使工件相对于刀具及机床占有正确的加工位置，保证其被加工表面 达到工序所规定的各项技术要求。 夹紧工件定位后，经夹紧装置施力于工件，将其固定夹牢，使其在加工 过程中保持正确位置不变。 安装工件从定位到夹紧的整个过程。 机床夹具的组成： 定位元件：用于确定工件在夹具中的位置； 夹紧装置：将工件压紧夹牢，并保证工件在加工过程中位置不变； 联接元件：用于确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相对位置； 对刀或导向元件：用于保证工件加工表面与刀具之间的位置； 其它装置或元件：定向键、操作件、分度装置、靠模装置、上下料装置、平 衡块等，以及标准化了的其它联接元件： 夹具体：是夹具的基座和骨架，用来配置、安装各夹具元件及装置。 其中的重要组成部分夹紧装置由以下机构组成 动力装置产生加紧作用的装置。通常指气缸、油缸、活塞、电磁装置等； 中间机构介于力源和夹紧元件之间的传递力的机构如斜楔、连接杆、铰 链等。其作用是：改变作用力的方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁 性能，以保证夹紧可靠。 执行机构( 夹紧元件) 加紧装置的最终执行元件，直接与工件接触完成 夹紧作用，如压板、螺栓等。 机床可以按通用特性、使用的机床、动力源等分类。 其中按动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。而机动夹具又有：气动 夹具、液压夹具、气液增压夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具、离心力夹具、自 夹紧夹具等多种类型。 其中手动夹具从能源形式上来看，绿色化程度高，但要它的夹紧动作速度、夹紧 力稳定、工人劳动强度、尤其是工作过程的机械自动化等方面仍需要技术研究。所以 本文主要考虑机动夹具，目前机械制造领域在进行大批量生产时所采用的机动夹具， 2 直线电机驱动的绿色夹具系统研究第一章绪论 绝大多数是流体传动夹具，即液压传动或气压传动夹具，另外有少量电动夹具。 1 2 2 流体传动夹具系统发展现状和趋势 流体传动与控制技术发展到今天，已经成为- i - j 与其他学科相互关联、交叉的综 合性学科。由于流体传动便于实现工作过程的机械化和自动化，因此近4 0 年来，正 以最高的速度增长。 流体传动的夹具比较严重的缺点是结构复杂且能源使用效率低。能源使用效率低 是由于能量传递路线长，转换环节多。以下图1 - 1 为流体传动夹具的能量传递与转换 装置路线图。 流体 空压机或 【压力能 液压泵 活塞杆或 机械能 夹紧机构 夹紧工件 图1 - 1 流体传动夹具能量传递与转换装置路线 ( 1 ) 流体传动夹具类型和优缺点比较 流体传动夹具主要分为气压传动夹具，液压传动夹具和气一液复合传动 a 气压传动夹具系统 气压传动夹具系统是电动机带动空压机产生0 7 o 9 m p a 的压缩空气，经冷却器 进入储气罐备用，经水气分离器滤去水分和杂质，再经过调压阀使压力降低到0 4 0 6 m p a 并稳定在调定压力，然后再经油雾器混以雾化油，保持系统中元件的润滑。 再经单向阀、换向阀和节流阀进入活塞式气缸和薄膜式气缸进行夹紧工作。 可见气压传动夹具系统的组成如下： 动力装置电机+ 空压机( 压缩空气，0 7 - - - 0 9 m p a ) ； 传递机构气缸、活塞； 执行机构杠杆、铰链、楔块等； 辅助装置水气分离器、调压器、油雾器、配气阀等。 气压传动夹具的介质是清洁的压缩空气，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 笙= 兰丝笙 皇垡皇! ! 矍垫竺堡鱼壅墨墨竺翌窒 外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境，绿色化程度相当高，这是气压 夹具得天独厚的优点。然而气压传动的致命缺点是系统压力不可能太高( 一般p = o 4 - - 0 7 m p a ) ，因而往往造成气缸直径过大。 当然气压传动还有一些其他不足之处，例如： 由于空气具有可压缩特性，因而运动速度的稳定性较差； 因为工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力 一般不可能很大； 目前气压传动的传动效率较低。 b 液压传动夹具系统 液压传动夹具系统是压力油通过管道、液压阀、液压缸等元件夹紧工件。 液压传动夹具系统的组成如下： 动力装置电机、油泵( 压力油，5 6 m p a ) ； 传递机构油缸、活塞； 执行机构杠杆、铰链、楔块等； 辅助装置油箱、过滤网、溢流阀、单向阀、换向阀、储能器、压力表 等。 液压传动夹具比较笨重，但输出力量大，运动稳定。目前制造业中应用的流体传 动夹具，在数量上液压夹具要显著多于气压夹具，但要考虑泄漏问题。而且液压传动 夹具对密封性能要求高，需要一套压力油供应系统，为单一夹具设置此系统不经济。 近来有人研究以纯水或海水为传动介质代替液压油的液压传动技术5 1 。这样做 的好处是，不仅保持了液压传动系统能够连续输出高压液体的优势，而且传动介质也 绿色化了。但是，由于防腐蚀等方面的成本过高，使该类技术的应用场合受到了极大限 制，估计近期内难以在一般制造业中的夹具上推广应用。 以下表1 - 1 和1 - 2 是气压传动与液压传动的一般比较和性能比较： 传黼通用性黜删 高逮眭经济性 气动差差 差 优优z 工 液压优优优 兰善 z 征 表1 - 1 气压传动与液压传动的一般比较 4 直线电机驱动的绿色夹具系统研究第一章绪论 项目气动液压 ， 输出力 一 小大 操作速度 快 慢 控制性能( 准确性、稳定性)差好 无次变速差好 远距离操纵好差 动力源故障好差 恶劣环境适应性好差 维修容易 难 价格低i 蜀 表卜2 气压传动与液压传动的性能比较 c 气一液复合传动 气一液复合传动是指以压缩空气为动力，将气体压力进行放大后，由高压液体进行 能量输出。以前，人们习惯上将气一液复合传动称之为气一液增压装置。采用气一液复合 传动装置，便于实现液压油的封闭式循环，可以避免采用开式油箱，油液挥发及泄漏 环节少，故能显著降低环境污染。 目前气一液复合传动在机床夹具上的应用，仍然难望液压传动之项背。究其原因， 我们认为是现有的气一液复合传动技术，在性能方面不尽人意。 总之，流体动力技术必须在充分发挥自身优势和借鉴其它传动优点的情况下，对 其进行改进和创新，研制出更为先进的材料和流体介质，使其像高压化、长寿命、微 型化和低泄漏发展，才能在未来的竞争中保存下来并获得不断的发展。 1 2 3 电动夹具系统发展现状和趋势 目前电动夹具在现代制造业运用较少，关键技术因素在于一般电动机不能较好地 适应夹具夹紧过程的要求：例如，一般夹具要求夹紧元件都是直线运动，且在空行程 阶段能快速趋近工件，接触工件后应自动调节为以极低速度运动，同时施加较大的夹 紧力。普通电机转速太高，需要减速器进行减速后，再串接转动一直线运动转换装置 来输出夹紧力，造成总体结构庞大而复杂。图i - 2 是电动夹具的能量传递与转换装置 5 第一章绪论 直线电机驱动的绿色夹具系统研究 路线图。 i 机械 l 机械哆 i 减速器 图卜2 电动夹具能量传递与转换装置路线 我们认为，能源的绿色化主要应有两种内涵：一是能源的生产方式应当绿色化， 二是能源的形式应当简约化。后者是指在相对封闭的制造系统内部，能源的形式应当 尽可能少。由于在可以预见的较长时期内，电能仍将在制造业中占据绝对主导的地位， 因此，只要设计出克服以上缺点的且性能价格比合理的电动夹具系统，则发展前景将 出乎意料。 1 3 直线电机的发展现状 1 3 1 直线电机概述 一般电动机工作时都是转动的。但是用旋转的电机驱动机器做直线运动，就需要 增加把旋转运动变为直线运动的一套装置。能不能直接运用直线运动的电机来驱动， 从而省去这套装呢? 几十年前人们就提出了这个问题。现在已制成了直线运动的电动 机，即直线电机。直线电机是一种新型电机，与旋转电机相比，它不需要中间转换装 置( 包括齿轮在内的连杆机构) ，能把电能直接转变为作直线运动的机械能。近年来 直线电机应用日益广泛，广泛地用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。在我国，直 线电机也逐步得到推广和应用。直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它 自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进。 1 3 2 直线电机与旋转电机优缺点比较 直线电机与一般常用的旋转式电机相比，主要有如下几大优点： ( 1 ) 无机械传动装置，设备总体结构简单，体积小，成本低 6 塞垡皇塑翌垫箜堡鱼壅墨墨竺里窒 苎二皇堕笙 由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的 结构大为简化，重量和体积大大下降，成本也相应的降低。 ( 2 ) 反应速度快、灵敏度高，随动性好 直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定 的空气隙而不接触，这就消除了定、动子问的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统 的灵敏度、快速性和随动性。 ( 3 ) 定位精度高 直线电机无机械传动装置，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，如果 加上精确的闭环控制，可实现很高的定位精度( 高达0 1 珈o l m m ) 与刚度。 ( 4 ) 无旋转运动，不受离心力作用，速度不受限制，容易实现高速直线运动。 ( 5 ) 直线电动机是开放式的，采用短初级结构时，各部分只有部分时间在发热， 散热容易。 ( 6 ) 工作安全可靠、寿命长，维护成本低 直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修， 因而工作安全可靠、寿命长，维护成本低。 当然直线电机也有其不足之处： ( 1 ) 因气隙比旋转电机大，所以效率和功率因素要相对低一些，尤其在低速时比 较明显。 ( 2 ) 初级铁心两端开断，会产生端部效应，特别是在高速直线电机中不容忽视6 1 。 可以看出，直线电机的优势是非常明显的。只要在应用时综合权衡利弊，直线电 机定能发挥很大的作用。 1 4 本课题研究的内容及主要意义 1 4 1 课题研究的背景和提出 与自然和谐已经逐步成为全人类的共识，并在此基础上产生了可持续发展的思 想。在工程领域与之相对应的，是近几年来发展起来的绿色制造理念。目前，人们对 7 第一苹绪论苴线电机驱动的绿色夹具系统研究 绿色制造理论体系框架的研究较为深入，对切削工艺及刀具的绿色化也给予了较多关 注7 ，8 ，9 ，m 】。但是，对于绿色制造理论体系下的夹具技术对策问题，却鲜有涉及。然 而，机床夹具作为制造系统中不可或缺的重要一环，它的绿色化程度，无疑对整个制 造过程的绿色化水平有着极为重要的影响，在不少场合下甚至具有关键性的影响。因 此，人类在实现制造技术绿色化的漫漫征途上，机床夹具的绿色化是无法回避的。 通过对夹具进行系统的研究后，发现目前主要机动夹具都有明显的缺憾，主要表 现在结构庞大复杂，能源使用效率低，对环境还有一定的污染性。 新近出来的直线电机是一种将电能直接转换成直线运动而不需要通过任何中间 转换机构的新颖电机，可以说是一种“绿色”的传动技术 1 1 1 。可直线电机在夹具系 统很少应用，究其只要原因是：直线电机发展起步较晚。在国内，直线电机只是近几 年才引起关注的一种特殊电机，许多人对直线电机都不了解。通常人们研究普遍都集 中于旋转电机上，真正对于直线电机驱动的夹具系统研究还很少。 直线电机的发展分为三个阶段分为三个阶段 6 , 1 2 1 ：探索实验阶段( 1 8 4 0 - - - 1 9 5 5 ) 、 开发应用阶段( 1 9 5 卜1 9 7 0 ) 和实用商品化阶段( 1 9 7 1 一) ( 1 ) 探索阶段： 1 8 4 0 年惠斯登提出和制作直线电机的雏形，但这并不是成功的直线电机。 1 8 4 0 - - 1 9 5 5 年，直线电机探索实验和部分实验应用时期，这一时期在设计方面并 没有突破性的成功，也没有找到应用领域。 ( 2 ) 1 9 5 6 _ 1 9 7 0 年，直线电机全面的开发阶段。 在这期间，以英国e l a i t h w a i t e 教授为首的一些人在强调直线电动机的基础研 究的情况下，取得了不少研究成果，包括发表直线电机理论分析文章和出版比 较系统介绍直线电机的专著i n d u c t i o nm a c h i n e sf o rs p e c i a lp u r p o s e s 。 这些给直线电机领域起到了一个推动作用，作出了开创性的贡献，也使直线电机再一 次受到了重视。 ( 3 ) 独立应用阶段 在这个时期，研究人员终于选择一条适合直线电机自身发展的独特思路。各类直 线电机的应用得到了迅速的推广，出现了许多具有实用价值的产品，如运煤机、空压 机、冲压机等。 8 直线电机驱动的绿色夹具系统研究第一苹绪论 在国内，近几年直线电机也发展十分迅速。浙江大学叶云岳就著有直线电机原理 与应用。 在夹具增力机构方面上世纪7 0 年代，h i r a me g e a n t 就已经系统的著有夹具一非 标准夹紧装置 2 1 】。在国内，从上个世纪9 0 年代开始，由钟康民教授带领的同学研究 出一系列的夹具增力机构，应用在各个领域，效果明显： 1 9 9 5 年，钟康民等研究出基于斜楔增力的离心式内孔夹具 2 2 】。 1 9 9 9 年，钟康民等设计了钢球增力液压夹具 2 3 】。 1 9 9 9 年，钟康民、g u op e i q u a n 研究了o r t h o g o n a lr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n d h y d r a u li cd r i v e 2 4 1 。 2 0 0 0 年，钟康民等设计了正交增力离心式离合器 2 5 】。 2 0 0 3 年，苏东宁等研究了三种单边正交增力液压夹具的技术性能的比较2 6 1 。 2 0 0 3 年，王明娣、钟康民研究了钢球传力式定位一锁紧组合元件及其力学计算 【2 7 】 o 2 0 0 3 年，钟康民研究了偏心夹紧流体传动夹具 2 s 】。 2 0 0 4 年，曹华、钟康民研究了基于无杆活塞缸与机械增力机构的液压一机械复合 传动装置【2 9 1 。 2 0 0 4 年，王兵、钟康民设计了并联式双作用双级气液复合传动装置3 0 1 。 2 0 0 4 年，于江海等研究了基于无杆活塞液压缸与对称型斜面一钢球一斜面二次增力 机构的复合传动系统 3 1 】。 2 0 0 4 年，钟康民、王德云设计了双面斜楔增力液压传动夹具 3 2 】。 2 0 0 4 年，钟康民、p q g u o 、q c h i 研究了r w oa p p r o a c h e sf o rg r e e n i z a ti o no f f i x t u r ed e s i g na n dc o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n 3 3 1 。 而直线电机在夹紧装置的应用方面，近两年柏青、钟康民创新了一些： 2 0 0 7 年，柏青、钟康民创新出一种新型直线电机驱动的并联式增压装置 3 4 】。 2 0 0 7 年，柏青、钟康民设计出直线电机驱动的双作用双级增压装置1 3 5 】。 2 0 0 8 年，柏青、钟康民创新出一种直线电机驱动的双级增压装置 3 6 1 。 2 0 0 8 年，柏青、钟康民设计出直线电机驱动的偏心夹紧装置 3 7 】。 9 第一章绪论 直线电机驱动的绿色夹具系统研究 具。 2 0 0 8 年，柏青、钟康明设计出直线电机驱动的杠杆式双作用双级传动增压装置 2 0 0 8 年，柏青、钟康民创新出一种新型的基于直线电机驱动的二级增力夹具 3 9 】。 2 0 0 8 年，柏青、钟康民设计出直线电机驱动的四级正交增力装置【4 0 1 。 2 0 0 8 年，柏青、钟康民设计出直线电机驱动的二级增力压紧装置【4 1 1 。 2 0 0 8 年，柏青、钟康民设计出直线电机驱动新型的二级增力压紧装置 4 2 】。 通过对以上背景的研究，发现并没有人进行系统的研究直线电机驱动的绿色夹 1 4 2 课题研究的内容 本课题研究的主要内容如下： 本文的研究体系主要从以下几方面展开： ( 1 ) 直线电机的研究 对直线电机的结构原理、分类标准、特性分析和应用特点等进行研究，以提供给 在各种夹具系统上不同情况下的选择运用 ( 2 ) 增力机构的研究和设计创新 针对直线电机输出力小的特点，在对常见增力机构进行长度效应和角度效应的逻 辑分类基础上，进行了组合创新，设计出一系列结构紧凑的力放大机构；而针对直线 电机无长时间的保持力，在力放大机构中保证自锁机构解决此问题。 ( 3 ) 直线电机驱动的绿色夹具系统方案。 结合创新的增力机构，给出一系列直线电机驱动的绿色夹具方案，并进行了特性 分析。 直线电机驱动的绿色夹具，能避免前面章节所述的流体传动夹具和电动夹具的缺 点，直接电能驱动，串联增力自锁机构夹紧工件，这将是夹具系统的技术革命，我们 相信这种概念的夹具技术，在绿色制造浪潮的推动下，使得夹具系统获得新的发展契 机。以下图卜3 为直线电机驱动的绿色夹具系统能量传递与转换装置路线。 l o 直线电机驱动的绿色夹具系统研究 第一章绪论 直线 机械能机械能 串联增力 电机 自锁机构 盘i 露广办e 图1 - 3 直线电机驱动的绿色夹具系统能量传递与转换装置路线 第二章直线电机技术和分析直线电机驱动的绿色夹具系统研究 第二章直线电机技术和分析 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，一改以往以链 条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和蜗轮螺杆等传统的中间转换体系，克服了传统机械 转换机构的传动链长、体积大、效率低、精度差等缺陷。他是2 0 世纪下半叶出现的具 有新理论、新原理的新技术，如表2 一l 所示。它所具有的突出优势，已经越来越引起 人本的重视，不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样在工业、军事、民用 等领域中得到广泛的应用。 表2 - 12 0 世纪下半叶出现新技术的发展概况 2 1 直线电机的基本结构与工作原理 直线电机并不复杂，可以认为它是旋转电机在结构方面的一种演变。设想把一台 旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，将电机的圆周展成直线，如图2 1 所示， 这就成了一台最原始的直线感应电动机感应电动机中定子包围着圆筒形的转子，定 子形成磁场，在转子中流过电流，使转子产生旋转力矩。而在直线电机中，相当于旋 转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级 初级绕组通入交流电源，便在气隙中产生行波磁场，如图2 2 所示。次级在行波 磁场切割下，将感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁 1 2 直线电机驱动的绿色夹具系统研究 第二章直线电机技术和分析 推力。如果初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动：反之，则初级作直线运动， 它是把电能直接转变为直线运动的机械能而无需中间变换装置。这就是直线电机最基 本的工作原理。 直线 电机 初级 转子 级) 图2 - 1 由旋转电机变为直线电机的过程 a ) 沿径向展开b ) 把圆周展成直线 图2 - 2 直线电机的基本工作原理 为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应 用时，是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，即可以是初级短、次 级长，也可以是初级长、次级短。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级， 见图2 3 。 图2 4 中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单边型直 第二章直线电机技术和分析直线电机驱动的绿色夹具系统研究 线电机。这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在一个很大的法向吸 力，一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当会是推力的1 0 倍以上，在大多数的 场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法 向拉力可以相互抵消，这种结构形式称为双边型，见图2 4 。 短初级 图2 - 3 单边型直线电机 短初级 2 2 直线电机的应用特点 次级 短次级 图2 4 双边型直线电机 短次级 ( 1 ) 起动性能好 由于直线电机具有软特性功能，刚一接通直线电机的电源，就立即会产生接近额 定值的电磁推力，而起动电流与额定电流值差别不大。因此，直线感应电动机的正反 转和频繁起动对电网几乎无冲击，它靠行波磁场传递推力不受摩擦系数和粘着力等 因素的影响，不存在打滑问题，特别适用于运输设备( 尤其是斜坡运输和各类加速器) 。 ( 2 ) 电机自身有良好的防护性能，可以在较恶劣条件下工作 1 4 塞垡皇垫墨垫堕堡鱼壅墨墨竺竺茎釜三里皇堡皇垫垫查塑坌堑 平面型直线感应电动机是敞开式结构，自身散热条件好；直线电机过载能力强， 在起动、运行和堵转情况下，电流基本稳定；采用聚氨脂或p v c 材料密封，能防潮、 防尘，防油污、防气体腐蚀。这些性能特点对煤矿生产条件有着现实意义。 ( 3 ) 无污染、噪声低、结构简单、维护方便、成本低 直线电机依靠电磁力工作，工作中不排放废气；因为直线电机取消了诸如齿轮、 皮带轮或摩擦轮、钢丝绳等中间传动装置，这就消除了由它们造成的噪声；直线感应 电动机只有初级和次级两大件，是机电一体化产品。电机的次级或者初级也是工作机 械，它省去了中间传动转换装置，是绿色环保型产品。 ( 4 ) 直线感应电动机可多台并用，互不干扰，也不存在负载分配不均及同步问 题 例如，煤矿井口用的直线电机推车机使用了2 台直线感应电动机。推车时全部电 机参加工作，返车时负载很小，一般只使用其中一台小电机工作。多台直线电机工作 时，总推力等于各台电机推力之和，互不干扰，也不存在多台并用时出现负载不平衡 及同步的问题。 ( 5 ) 使用灵活性较大 改变直线感应电动机次级材料( 如使用钢次级或复合次级) 或是改变电机气隙的 大小均可获得各种不同的电机特性。直线电机结构形式较多，如有平面形、双边平面 形、管形和圆弧形等，可满足不同工况要求，使用灵活性较大，且为机电一体化产品。 ( 6 ) 节能 在频繁起动短时断续工作时，电机几乎始终处于起动工作状态。直线感应电动机 处于起动状态工作时，由于其特性软，一般起动电流只相当于额定电流的1 1 0 1 5 0 ，而旋转感应电动机具有硬特性，起动电流为额定电流的5 7 倍，所以，在此工 况下，直线感应电动机较旋转感应电动机在起动时具有明显的节能效果，属环保型产 品。 ( 7 ) 特别适用于高速运行 常规旋转电机，由于离心力的作用，高速运行时，转子将受到较大的应力，因此 转速和输出功率都受到限制。而直线感应电动机不存在离心力问题，并且它的运动部 分是通过电磁感应产生推力来驱动的，与固定部分没有机械联系。直线电机初级和次 级之间有气隙，运动部分就无磨损和噪声，同时，牵引力不受车轮与轨道之间所谓 1 5 釜三兰皇堡皇垫茎查塑坌堑重垡皇垫翌垫塑堡鱼壅墨墨竺翌窒 “粘着系数”的影响，爬坡能力比较大，所以特别适用于高速列车的推进装置。 ( 8 ) 具有独特的用途 有些旋转电机不能承担的工作，可由直线电机完成。例如，在原子能工业和冶金 工业中，需要抽吸钾、钠等液态金属以及输送或搅拌铝水、钢水，用直线电机驱动的 液态金属电磁泵和电磁搅拌器都在这些领域成功地得到了应用。又如时速超过2 0 0 2 5 k m h 的高速列车，用旋转电机驱动轮轴系统是无论如何也无法胜任的，而目前使 用直线电机驱动的高速列车已在不少国家投入试运行，并显示出广阔的发展前景。 ( 9 ) 便于使用磁悬浮技术 由于直线电机的初级对次级具有5 - 8 倍推力的吸力特点，故便于使用磁悬浮技 术。 由于直线电机具有上述优点，因而具有广泛的用途和发展前景，已被工业、交通、 国防等领域的应用所证实，为当今科技界所公认，是高效低能耗的环保型产品。 2 3 直线电机的分类及标准 2 3 1 直线电机的分类 直线电机在不同场合下有不同的分类形式。当考虑外形结构是以结构形式进行分 类；在考虑功能用途时，以功能用途进行分类；在分析或阐述电机的新能或机理时， 则以其工作原理进行分类。 扁平型 圆盘型 圆弧型 圆筒型 表2 - 2 直线电机的结构类型 1 6 塞垡皇垫塑垫箜堡鱼墨墨至堑竺茎蔓三兰皇垡皇垫垫查塑坌塑 ( 1 ) 结构形式分类： 直线电机按结构形式分类主要分为扁平型、圆筒型( 或管型) 、圆盘型和圆弧型 四种。他们的相互关系可以用表2 2 来表示。 ( 2 ) 功能用途分 a 力电机 力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，或单位 体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线 电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、 推车等等。 b 功电机 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机基本 一样，即可用效率、功率等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁悬浮列车用直 线电机，各种高速运行的输送线等等。 c 胄邑电机 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短 时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞以及冲 击、碰撞等试验机的驱动等等。 ( 3 ) 工作原理分类： 从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。然而从使用角度来看， 直线电动机得到了更广泛的应用。直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直 线电动机和直线驱动器，直线电动机包括交流直线感应电动机( l i n e a ri n d u c t i o n m o t o r s 简称l i m ) 、交流直线同步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s 简称l s m ) 、直线 直流电动机( l i n e a rd cm o t o r s 简称l d m ) 和直线步进( 脉冲) 电动机( l i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s 简称l p m ) 、混合式直线电动机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s 简称l h m ) 等。 直线驱动器包括直线振荡电机( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s 简称l o m ) 、直线电磁螺线管 电机( l i n e a re l e c t r i cs o l e n o i d 简称l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p 简 称l e p ) 、直线超声波电动机( l i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r s 简称l u m ) 等，以上这些直线电 机又可分成许多不同的种类，表2 3 表示了直线电机的分类。 1 7 第二章直线电机技术和分析直线电机驱动的绿色夹具系统研究 2 3 2 直线电机的标准 表2 - 3 直线电机的分类 我国在直线电机方面有一个部颁的j b t 7 8 2 3 - 9 5 三项直线异步电动机标准， 有些企业制定了一些企业标准。 三项直线异步电动机标准规定了单边扁平型结果的低速三相直线异步电动机 的型式、基本参数、技术要求等： ( 1 ) 基本型式 直线电机驱动的绿色夹具系统研究第二章直线电机技术和分析 直线电机的型号由名称代号、规格代号和次级结果代号组成，如： x y10 0 6c u2 次级厚度 次级材料结构代 同步速度( m s ) 额定推力( n ) 名称代号( 直线异步电动机) 其中名称代号用“x y 表示，x 表示直线型，y 表示异步；次级材料结构有钢次 级和复合次级，f e 表示钢次级，复合次级中c u 表示铜复合次级，a 1 表示铝复合次级。 ( 2 ) 基本参数 该标准规定的基本参数主要有以下几点： a 额度频率为5 0 h z ，额定电压为3 8 0 v ，初级绕组为y 联结。 b 直线电机额定推力( 转差率为1 时) 分别1 0 ，2 0 ，3 0 ，5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ， 5 0 0 ，7 5