（机械工程专业论文）基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置.pdf

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关键词：串联组合增力机构；夹持装置；工业机械手；气压传动；机械传动；铰 杆机构；斜楔机构；杠杆机构。 作者：杨益 指导教师：钟康民 a b s t r a c t i n d u s t r ym a n i p u l a t o rr e c o n f i g u r a b l ep n e u m a t i cc l a m p i n gd e v i c e sb a s e do l lt h es e r i e sc o m b i n a t i o no f f o r c e a m p l i f i e r i n d u s t r ym a n i p u l a t o rr e c o n l f i g u r a b l ep n e u m a t i cc l a m p i n g d e v i c e sb a s e do nt h es e r i e sc o m b i n a t i o no ff o r c e a m p l i f i e r a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc l a m p i n gm e c h a n i s mo fi n d u s t r ym a n i p u l a t o r ，w h e nc o n v e r t i n gf r o m o u t s i d et oi n s i d ec l a m p i n g ，o rc l a m p i n gaw o r k p i e c eo fs m a l ls i z ec o n v e r s i o nt oal a r g e r c l a m p i n gw o r k p i e c e ，g e n e r a l l yn e e dt od e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，t h i sw i l ls i g n i f i c a n t l y d e l a y e dd e l i v e r yc y c l e i na d d i t i o n , d u et ot h el o w - p r e s s u r ep n e u m a t i cd r i v e ，i nn e e do f l a r g ec l a m p i n gf o r c ei sah e a v ya n dh u g ev o l u m eo fc y l i n d e r ，a n dt h et e c h n i c a lp r o b l e m s e x i s tf o ra l o n gt i m e t h i sp a p e rd e s c r i b e san e w i n n o v a t i o nd e s i g ni d e ao fr e c o n f i g u r a b l e p n e u m a t i cc l a m p i n gm e c h a n i s mb a s e do ns e r i e s - c o n n e c t e df o r c ea m p l i f i e r a n a l y s e st h e c o m b i n a t i o ni ns e r i e sf o r c ea m p l i f i e ri nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，c o m p a r e 谢m s e r i e s c o n n e c t e df o r c ea m p l i f i e r d e s i g n e dc l a m p i n gd e v i c ed u et ot h es e r i e sf o r c ea m p l i f i e ra st h eb a s i st oc o m b i n et h e a d v a n t a g e so fv a r i o u sd e v i c e s ，a n dt h eo v e r a l ll a y o u tw i t hb u i l t - c y l i n d e r ，t h es t r u c t u r ei s e x t r e m e l ys i m p l ea n dc o m p a c t ，a b l et oe x c e e da n dt om a x i m i z ee f f i c i e n c ya n dv o l u m e ， c o s tm i n i m i z a t i o n t h ep n e u m a t i cc l a m p i n gd e v i c et od r i v et h ep o w e rs o u r c e ，p n e u m a t i c d r i v et oc l e a nt h ea i ra st h et r a n s m i s s i o nm e d i u m , a so p p o s e dt oe a s yo nt h ee n v i r o n m e n t i nt e r m so fp o l l u t i o no fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，i nt h ep r o t e c t i o no ft h ee n v i r o n m e n th a sa s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e u s i n gt h et w o s t e po rt h r e e - s t e pf o r c e - a m p l i f i e r , t h ed e v i c es o l v e d t h es h o r t c o m i n go fl o w e rp r e s sr e s u l ti nt h es m a l l e rf o r c eo fp n e u m a t i cd r i v es y s t e m ，a n d t h u sc a nb ei n s t e a do ft h eh y d r a u l i cc l a m p i n gd e v i c ei no e r t a i ne x t e n tw h i c he a s i l yl e a d st o e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h eg r a p h i ce x a m p l e ，c o r r e s p o n d i n gf o r m u l ao fo u t p u tf o r c ea n d m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sc u r v ea r eg i v e nw h i c ho fi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ea n dt h e g u i d em e a n i n gf o re n g i n e e r i n gf i e l d s k e y w o r d s ：s e r i e s c o m b i n a t i o nf o r c e a m p l i f i e r ；c l a m p i n gd e v i c e ；i n d u s t r i a l m a n i p u l a t o r ；p n e u m a t i cd r i v e ；m e c h a n i c a ld r i v e ；t o g g l em e c h a n i s m ；w e d g em e c h a n i s m ； l e v e rm e c h a n i s m w r i t t e n b y ：y a n g y i s u p e r v i s e db y ：z h o n g k a n g r n i n 1 1 ：! ：! ：； 1 3 课题的提出及主要内容4 1 3 1 课题提出的背景4 1 3 2 主要内容，5 第二章夹持装置中的增力机构6 2 1 一次增力机构7 2 1 1 基于长度效应的增力机构。7 2 1 2 基于角度效应的增力机构。9 2 2 二次增力机构1 5 2 2 1 基于角度长度效应的二次增力机构1 6 2 2 2 基于长度角度效应的二次增力机构1 9 2 2 3 基于角度角度效应的二次增力机构2 l 2 3 三次增力机构2 5 2 3 1 基于角度一长度一角度效应的三次串联增力机构2 5 2 3 2 基于角度一角度一长度效应的三次串联增力机构2 7 2 4 本章小结2 8 第三章二次增力可重构气动夹持装置2 9 3 1 工作原理与机构演变2 9 3 2 力学计算与性能分析3 4 3 2 1 力学计算公式。3 4 3 2 2 力学性能分析3 4 第四章三次增力可重构气动夹持装置3 6 4 1 工作原理与机构演变3 6 4 2 力学计算与性能分析4l 4 2 1 力学计算公式4 1 4 2 2 力学性能分析4 2 第五章总结与展望4 4 参考文献4 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 9 附录：主要图样表5 0 致谢。5 9 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 工业机械手夹持装置发展概述 工业机械手是上世纪中下旬发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、 计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科知识于一身，代表了机电一体化 的最高成就【l 】。自从1 9 6 2 年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术 及其产品发展非常迅猛，已成为柔性制造系统( f m s ) 、自动化工厂( f a ) 、计算机 集成制造系统( c i m s ) 的自动化工具。工业机械手作为现代制造业的主要自动化设 备，已经被广泛的应用到工程机械、汽车制造、电子信息、家用电器等各个行业中进 行装配、加工、焊接、搬运等复杂作业，在欧美发达国得到了广泛的应用。我国的工 业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，因此迫切需要解决产业 化前期的关键技术，而其中的机械手夹持技术就是急待提高的关键技术之一【2 】。 工业机械手夹持装置相当于人的手指，是工业机械手的灵魂与核心。它的作用就 是用适当的力夹紧物料，再由传递机构将物料从某一位置和方位，按一定的运动轨迹 传递到另一位置和方位【3 棚。早期的工业机械手夹持机构，大多采用结构上甚为复杂 而笨重的齿条齿轮齿条传动机构，或锥面螺旋机构传动等。而参考文献 7 9 】介绍的 夹持装置，虽然在结构上有了简化，但他们对所夹持对象尺寸的变化，以及对夹紧力 要求的变化，适应性都很差，不能满足现代市场对机械制造业提出的短周期、大批量、 绿色化、甚至个性化的要求。 目前，工业机械手的夹持装置，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，液压机械手 夹持装置的应用非常广泛【l o 】。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 第一章绪论基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 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，已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。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。 但气压传动有一个致命缺点，即压缩气体极容易泄漏，导致系统压力p 不可能太 高，一般在0 5 m p a 左右。因而，在要求夹持力较大的场合，往往会造成驱动夹持机 构的气缸直径过大，使得设计人员有时不得不采用容易造成环境污染的液压传动夹持 装置。但采用串联组合增力技术可以很容易地在夹持装置的机械传动部分得到1 0 倍 以上的增力比，所以能够较好地解决气动夹持装置系统压力不高的问题。 1 2 串联组合增力技术 1 2 1 串联组合增力技术的作用 自古以来人类对增力技术进行了持续不懈的研究与探索，发明了形式众多的增力 机构：如滑轮、斜楔、螺旋、凸轮、铰杆等机械机构f l l 】，以及利用帕斯卡原理的流体 传动增力机构等。但如此繁多的增力机构装置，若分析其基本工作原理，却不外乎以 下三类： ( 1 ) 长度效应机构：如杠杆、齿轮、滑轮等机构。 ( 2 ) 角度效应机构：如斜楔、螺旋、凸轮、肘杆等机构。如进一步分析，斜楔、 螺旋、凸轮都属于斜面角度效应机构，而肘杆机构在力学逻辑原理上应称之为铰杆角 度效应机构。 ( 3 ) 面积效应装置：这类装置是基于帕斯卡原理工作的，如液压与气压传动。 为了得到不同的增力系数f ，以满足不同场合对增力机构的增力要求，人们还发 明了大量的串联式组合的增力机构。一般说来，串联式组合的增力机构的增力系数i ， 置的增力系数的乘积，即e = 鲁= f l ，n ( 式中曩为输入力，只为输出 2 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第章绪论 采用增力技术的夹持装置可获得很好的综合效果，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 大大减轻生产制造过程中的劳动强度。在普通的机械制造业中，操作普通工 装夹持装置的劳动强度，占整个新产品生产总劳动强度的8 0 左右。采用串联组合增 力技术后，能显著减少生产过程中的劳动强度。 ( 2 ) 在需要长时间保持作用力的场合，采用增力自锁机构与气动传动技术结合， 可以让提供压缩气体的设备停止工作，节能效果十分显著。 ( 3 ) 串联组合增力技术使得在一定范围内能够实现夹持装置的绿色化。 1 2 2 串联组合增力技术的发展 串联组合增力技术的发展贯穿了整个的人类发展历史。从蛮荒时代杠杆增力机构 的应用到上古时期水利工程中动滑轮机构的采用，充分说明了增力技术自从远古就出 现并应用于人们的劳动和日常生活中了，最好的证明就是它的应用在古代的农工典籍 中多处可见。古希腊伟大的数学家、力学家阿基米德的经典名言“给我一个支点，我 就能翘起地球”例证了国外很早就在使用增力机构的事实。 1 8 世纪中期到1 9 世纪初以蒸汽机的发明和使用为标志的第一次科技革命，是以 机械装置的应用为基础的，所以在这个时期串联组合增力技术的开发和应用得到了极 大的发展。其发展与传动技术紧密结合，但在当时的论著中并没有将增力机构专门列 出并加以论述。 从1 9 世纪中期以来，人类科技的发展主要是以电力技术和信息技术为中心，所 以串联组合增力技术在这段时期并没有得到足够的重视和长足的发展，其发展的核心 表现在与电力技术和信息技术相结合，而其自身的基础理论的研究没有很大进展。国 内外对夹持装置增力机构的研究方式非常相似，研究成果也没有太大的差别，所以仅 对国内串联组合增力技术的研究成果进行分析，就能把握串联组合增力技术整个的发 展情况。 ( 1 ) 8 0 年代，国内普遍将基本增力机构作为典型的夹紧机构进行论述，介绍其工 作原理和力学特性，但没有完全揭示出这些增力机构的力放大性能，对其只是停留在 一般性认识的基础之上。对于多级增力机构，往往将其作为组合夹紧装置处理【1 2 _ 14 1 。 ( 2 ) 9 0 年代中期，人们对基本增力机构进行了更为细致的划分，但仍然是将其作 为夹紧机构进行讨论的。随着液压和气动技术的发展，增力机构与它们的结合日益广 第一章绪论 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 。1 。一 泛【1 5 d7 1 。 ( 3 ) 1 9 9 9 年，钟康民等对钢球增力机构进行了专门研究，针对钢球增力机构结构 简单紧凑，制造工艺简便的优点做出了详细论述1 1 8 9 1 。 ( 4 ) 2 0 0 0 年，钟康民等采用增力技术设计了两种基于正交增力机构的离心式离合 器。正交增力离心式离合器结构紧凑，制造成本较普通离心式离合器增加甚微，但输 出转矩的能力显著提高【2 0 。2 1 】。 ( 5 ) 2 0 0 1 年，王红岩设计了铰杆离心式和斜楔离心式正交增力机构的内孔夹持装 置，并对两种内孔夹持装置进行了技术性能分析和对比陋】。 ( 6 ) 2 0 0 2 年，仇宏程设计了一种气液增力缸，介绍了其在小型台式冲压机上的应 用，该缸结构紧凑，回路新颖，可在多种需较高压力而结构受一定限制的场合使用【矧。 汪沛华对现有气动液压增力机构中存在的问题，提出了改进设计方案，并对具体结构 进行了创新设计【2 4 1 。 ( 7 ) 2 0 0 3 年，苏东宁、王明娣等设计了一系列的液压夹持装置，并推演了相应的 力学计算公式口5 。 ( 8 ) 2 0 0 4 年，曹华、王兵等设计了一系列的二级增力机构，分析了其性能特点， 并给出了它们的力学计算公式和特点【3 2 琊l 。 ( 9 ) 2 0 0 5 年，盛小明等设计了固定式无杆活塞缸驱动的增力夹紧机构，并推算出 了它们的力学计算公式【3 6 l 。 ( 1 0 ) 2 0 0 6 年，苏东宁等设计了无杆缸对称铰接液压增力夹具，详细的分析了其 特点，并对其实用性进行了阐述【3 刀。 1 3 课题的提出及主要内容 1 3 1 课题提出的背景 通过对增力机构特别是串联组合增力机构进行系统的研究后发现，目前国内外对 串联组合增力机构的研究，存在以下较为明显的缺憾： ( 1 ) 对不同串联组合增力机构的基本工作原理及内在联系，缺乏明显的逻辑分 析，不便于学习者从本质上理解和区别这些装置，从而停留在孤立地或形象地理解的 层面e 。 4 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第一章绪论 ( 2 ) 没有建立起较为系统、完整的串联组合增力机构逻辑分类体系，不便于人们 从整体、宏观和联系的层面，把握和认识增力机构。 ( 3 ) 广泛存在于人体及许多动物骨骼结构中以及在机器中大量应用的依靠杆件 的角度效应来传递力及运动的一类机构，目前的名称是以形象命名的。英文名称为 t o g g l e 、l i n km e c h a n i s m 等；中文则有铰链机构、铰杆机构、铰链杠杆机构、连杆机构、 肘杆机构等不同的称谓。这种形象化的命名不利于人们从根本上认识该类机构。对于 该类机构的不同表现形式，人们往往会误认为是不同种类的机构。 ( 4 ) 对于串联组合增力机构，没有形成能够指导创新的逻辑框架及思路；不同级 数、不同组合的串联增力机构，在机构创新、演义及系统图谱化方面，还存在大量工 作尚未开展。 由于存在以上问题，导致人们对串联组合增力机构的创新，在过去的- - _ 十年间， 或更长的一段时间内可以说基本上丧失了热情。因此在国内外的文献中，涉及到增力 机构创新的，可以说少之又少。绝大多数文献涉及的，都是前人创造的增力机构在不 同场合下的具体应用。 1 3 2 主要内容 针对国内外在串联组合增力机构研究方面存在的问题，本文拟在以下方面做出研 究探讨： ( 1 ) 根据基本增力机构的工作原理实质，从宏观上将它们分为三大类：长度效应 装置和、角度效应装置和面积效应装置。这样，基本增力机构的工作原理及内在联系 便一目了然了。通过建立较为系统、完整的增力机构逻辑分类体系，使人们能够在把 握和认识增力机构方面，从孤立、形象、零乱的层面上升到整体、逻辑、秩序的层面。 ( 2 ) 我们提出了基于串联组合增力机构的工业机械手夹持装置的可重构创新设计 思路及目标： 采用串联组合增力机构，弥补气压传动夹持装置夹持力较小的缺憾。 在串联组合增力机构工作原理与总体结构不变的前提下，通过基本构件的形状 改变与位置重组，来满足不同尺寸工件的内夹持与外夹持要求，以及不同夹紧力的要 求。 结构简约紧凑，便于与机械手臂进行联接。 第二章 不 性能都 角度效 对 面积效应装置 气体传动增力机构 液体传动增力机构 图2 1 增力机构分类图 图2 1 所示逻辑分类图，与传统力学及机械论著相比最大的不同之处在于：重新 定义了一类角度效应装置，即铰杆效应装置。我们将目前以形象命名的、依靠杆件的 角度效应来传递力及运动的一类机构，归并后重新定义为铰杆机构，是基于该类机构 的基本工作原理是完全相同的，即至少要依靠一根中心线与输出力方向成一定角度的 杆件，也就是铰杆，来传递力及运动。 增力机构的力学性能中，我们比较关注的是系统的增力效益。增力比是指输出力 与输入力之间的比值，增力比越大，机构的机械效益越高。本章中，我们结合相应的 增力机构，对其分别进行了增力比的分析和计算。 6 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第二章夹持装置中的增力机构 2 1 一次增力机构 2 1 1 基于长度效应的增力机构 2 1 1 1 杠杆机构 在长度效应装置的逻辑分类体系中，杠杆机构不是通常意义上的杠杆，而是一类 与普通杠杆具有相同增力特性的装置的总称。它包括平面杠杆，即一般所谓的杠杆机 构和轮轴杠杆机构。轮轴杠杆机构的种类太多，为了研究的方便，本文只涉及轮轴 杠杆机构最常出现的形式：同轴杠杆机构。由于在增力系数的计算方面，平面杠杆机 ， 构和同轴杠杆机构都可以直接用公式f _ 仇7 1 - 来求解，所以将它们归为一类，总称杠 2 杆机构。 ( 1 ) 平面杠杆机构 利用杠杆，使原动力转变为夹紧力的机构，称为平面杠杆机构，其通常所谓的杠 杆机构。平面杠杆机构一般不能自锁，所以大多和斜楔、螺栓、凸轮组合使用，或以 气压或液压作为夹紧动力源。平面杠杆机构结构紧凑，并且容易变换作用力的方向， 因此在复合夹紧机构中应用十分广泛。这种杠杆机构有三种形式，它的结构简图和增 力系数的计算公式如下图所示。 图2 2 一般杠杆机构 f 。 图2 - 3 恒增力杠杆机构 一般杠杆与恒增力杠杆机构增力系数f 计算公式是一致的，即 杠杆原理作为一种省力原理，一直贯穿于我们的生活当中，从新石器时代的简单 器具一直贯穿到现在仍然在使用的复杂器具。例如，筷子、剪刀、重量称等等，可以 把杠杆原理的运用简单分为三类：最主要一类是省力；另一类是保持平衡，测量物体 重量，典型例子就是天平，秤等；还有一类就是改变力的方向，例如跷跷板等。这些 机构的设计都用了相同的原理，使之达到造物利人的目的。 2 1 1 2 杠杆机构的变形形式 ( 1 ) 齿轮传动 一对齿轮是靠主动轮轮齿一次推动从动轮轮齿而实现运动的传递，两个齿轮的平 均传动比恒等于其齿数的反比，即： 8 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 第二章夹持装置中的增力机构 ：堕：一z 21 2 一- 3 )l = j = 一 j z l 式中：鳓一为主动轮的角速度； 纸一为从动轮的角速度； 互一为主动轮的齿数 z ，一为从动轮的齿数。 ( 2 ) 滑轮机构 滑轮机构机构其实也是杠杆机构的变形形式，可以分为定滑轮和动滑轮两种。判 定给定机构是动滑轮还是定滑轮，主要是看利用滑轮工作时，滑轮的轴是否随着物体 移动。如果物体移动时，轴并不跟随物体一起移动，则该滑轮为定滑轮；如果轴与物 体一起移动，则该滑轮为动滑轮。 定滑轮不省力。使用定滑轮提升重物时，在定滑轮所在的平面上，无论拉力方向 如何，拉力的大小都一样。因为定滑轮是杠杆类的简单机械，其支点是在定滑轮的轴 上，而拉力的方向都是沿着轮的切线方向，所以拉力大小不变，其增力系数为l ；但 是，定滑轮可以改变物体的速度以及加速度方向。 使用动滑轮提起重物时，在动滑轮所在的平面上，能够省一半的力。当然这是有 条件的，即必须使拉力的方向始终保持竖直向上，此时其增力系数为1 2 ，否则结论 是不成立的。因为当拉力不是竖直向上时，此时的动力臂一定小于滑轮直径，而阻力 和阻力臂都没有改变，由杠杆原理可知，拉力必然要大于阻力的一半；在省力的同时， 动滑轮不能改变力的方向。 2 1 2 基于角度效应的增力机构 角度效应增力装置是利用机构中某些组件的角度效应实现增力功能的装置，它可 分为两大类：斜面效应装置和铰杆效应装置。这些装置的增力系数的计算公式一般采 1 用i = ，7 二的形式，其逻辑分类框图如图2 - 4 所示。 9 第二章夹持装置中的增力机构基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持 图2 - 4 角度效应装置逻辑分类体系 2 1 2 1 斜面效应装置 利用具有一定倾斜角的斜面实现增力的装置，称为斜面效应装置。斜楔机构、螺 旋机构和凸轮机构又有定压力角机构和变压力角机构之分。 ( 1 ) 斜楔机构 斜楔增力机构具有制造容易、结构简单、调整方便等优点，在机械化传动中应用 较广。斜楔机构是利用斜楔斜面将原始力转变为夹紧力的装置，用于工件的夹紧表面 比较准确并且斜楔的工作表面容易接触到的情况，但夹紧时，斜楔有拖着工件移动的 趋势，所以要有一止动销定位。当斜楔角1 2 小于4 5 0 时，具有增力性能。 斜楔所产生的夹紧力，随着楔角的减小而增大，但同时也增加了摩擦损失，降低 了机构的工作效率，有效行程也随着减小。因此，在实际应用中可以根据需要设计选 择不同的斜楔角，并可以设计成许多不同的形式，如单面斜楔、双面斜楔、双斜楔角 斜楔增力机构等。在斜角很小的情况下，斜楔机构是常用的夹紧机构之一，一般都具 1 0 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第二章夹持装置中的增力机构 有自锁和力放大两种特性。当斜楔角较大时，斜楔机构也是常用的运动转换机构之一。 若只用单楔而不用滚轮时，摩擦力的值要大的多。因此，在机动夹紧装置中一般都应 采用带滚轮的楔式增力机构。图2 5 所示为定斜楔角无滚子斜楔机构，图2 - 6 所示为 变斜楔角有滚子斜楔机构。 口e 图2 5 定斜楔角无滚子斜楔机构图2 - 6 变斜楔角带滚子斜楔机构 增力系数是机构的输出力与输入力之间的比值，常用f 来表示。不考虑摩擦损失 的增力系数为理论增力系数，用表示。考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系数， 用f n 表示。图2 - 6 所示系统的理论增力系数为： 1 = ( 2 - 4 ) 。= 一 i k l l “ 式中：口一斜楔角。 图2 - 6 所示机构的理论增力系数随着行程的不同而不断变化，斜楔上下的滚子是 为了减小整个系统的摩擦损失。当斜楔为主动件时，几何尺寸与摩擦角共同决定自锁 条件；当力输出件为主动件时，只有摩擦角决定自锁性能。在这种工作状态( 夹紧状 态) 下的自锁条件是口仍+ 仍( 其中，仍表示斜楔与机架之间的摩擦角，仍为斜楔与 顶柱之间的摩擦角) 。所以，当斜楔机构的项柱夹紧工件后要求自锁时，由自锁条件 可知，斜楔角口不可能太大，而且当仍= 伊：= 5 。9 。时，斜楔机构的行程比较小， 机械效率很低。 所以，当要求斜楔机构的力输出件夹紧工件之后能够自锁并且行程比较大以及机 械效率较高时，可以使用图2 - 6 所示的双斜楔角斜楔机构。较大楔角使力输出件获 得较大的行程比；而小楔角口，使力输出件获得较大的增力比并且具有自锁性能。当 第二章夹持装置中的增力机构基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 力输出件上设置滚轮之后，滚轮与斜楔之间的当量摩擦角以= a r c t a i l ( a o t a n o ：d ) ( 式 中的吃，d 分别为滚轮的转轴自径和外径) 。为了获得自锁，呸应该满足觋+ 硝。 此外，斜楔机构又可分为单斜楔面斜楔机构和双斜楔面斜楔机构。双楔角斜楔机 构不仅可以实现大的行程比、增力比和较高的传动效率，而且可以实现力输出件夹紧 工件后的自锁；另外，它还可以按照效率条件进行几何尺寸设计；同时，双斜楔机构 不仅可以实现较大的位移比，较高的机械效率，而且可以实现顶杆夹紧工件后的自锁。 因此，双楔角斜楔机构确是一种传动与自锁性能均比较优越的夹紧机构。 ( 2 ) 螺旋机构 螺旋机构在目前的夹紧装置中应用很广，其结构比较简单。它有两种不同的形式， 一种是定螺纹升角的螺旋夹紧机构，一种是变螺纹升角的螺旋夹紧机构。当螺纹升角 很小时，用同一原始力夹紧时，螺旋机构可获得较大的夹紧力，这是其它简单夹紧件 所不及的。螺旋传动可以将转动变换成为直线运动，将扭矩转换成为沿着轴向的力。 同时，因为螺纹具有自锁功能，所以在某些工作场合中( 例如用于夹紧过程) ，就可以 利用这一特性保证夹紧动作的安全性。 简单螺旋机构的实际增力系数可用下式计算： ：l ( 2 5 ) 眦口 是如果 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第二章夹持装簧中的增力机构 即能传递力和运动的条件下，至少有一只中心线与输出力方向，既不垂直也不平行的 杆。铰杆机构是一种机构简单，增力倍数较大的增力机构，由于具有具有摩擦损失小、 增力系数大等优点，在机械手夹持装置上获得了较广泛的应用。 仅对输入力方向进行一次正交变向的铰杆机构，我们称之为一次正交铰杆机构。 一次正交单铰杆及其对称演绎机构，如图2 - 7 、图2 - 8 所示；一次正交等长双铰杆机 构及其对称演绎机构。如图2 - 9 、图2 1 0 所示。 ( 1 ) 一次正交单铰杆机构 图2 7 一次正交单铰杆机构 通过建立简单数学模型，可以得到一次正交单铰杆机构的理论力放大系数f t 为： 卜士( 2 - 6 )r 2 面万 式中：口铰杆的斜角。 一次正交单铰杆对称机构 口i 瓦 第二章夹持装置中的增力机构基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 图2 8 一次正交单铰杆对称机构 此装置的理论力放大系数和上图装置一样，为： 一次正交等长双铰杆机构 1 。r 2 石万 只口 图2 - 9 一次正交等长双铰杆机构 同样可以得到此一次正交等长双铰杆机构的理论力放大系数f t 为： 1 4 ( 2 7 ) 口j 第二章夹持装置中的增力机构 ( 4 ) 一次正交等长双铰杆对称机构 c 口 图2 1 0 一次正交等长双铰杆对称机构 ( 2 8 ) 同样可以得到此一次正交等长双铰杆对称机构的理论力放大系数f 。为： 仁击( 2 - 9 ) 2 2 二次增力机构 为了得到不同的力放大系数，以满足不同场合对增力机构的增力要求，人们还发 明了大量的串联式组合增力机构。一般说来，串联式组合增力机构的力放大系数，为 f 各个装置力放大系数的乘积，t 即= 鲁= f l f 2 f 3 乇 式中，互为输入力，f o 为输出 力) 。 在工业生产中，许多设备都是由简单、常见的机构组合而成的，但却实现了新的 功能，所以关键在于“组合”。在具体创新过程中应当注意，具有自锁功能的增力机 第二章夹持装置中的增力机构基于串联组合增力机构的工业机械丁叮重构气动夹持装置 构，如斜楔、螺旋、凸轮等机构，通过以上分析可以知道，其力传递效率一般比较低； 而铰杆、杠杆等自锁功能很低或者没有自锁功能的机构，其力传递效率则显著较前一 类机构高。因此，合理利用不同增力机构的特点来实现优势组合，是创新思维过程中 应当切实注意的问题。 2 2 1 基于角度长度效应的二次增力机构 2 2 1 1 单面斜楔一杠杆增力机构 图2 1 1 单面斜楔杠杆二次增力机构 当斜楔受到外力向左运动时，斜面作用于滚轮，使滚轮驱动杠杆式压板绕固定铰 链轴摆动，进而夹紧工件。利用斜楔的自锁特性，可以对工件进行加工。加工完毕之 后，推动斜楔向右运动，杠杆式压板在复位弹簧( 图中未画出) 作用下反向摆动，从而 松开工件。 2 2 1 2 对称型双面斜楔一杠杆增力机构 乞，1 只2 只2 图2 1 2 双面斜楔杠杆二次增力机构 使用双面斜楔增力机构，可用于双向夹紧工件的场合。通过建立数学模型，可以 ，ij ；。，专 、二，：- 。一一。：，+ t ，i ” ? _ 。：每：i ：，7 ti ! ， - 咖t 一：j 。：；j ：、j q j ：_ 。，。_ 、 1 6 ” t： 。0 ， 2 。 t 。：一i j 。i ：、缸? ： 一，：； 0 ：矿j 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装置第二章夹持鲨鸯中的增办机构 得到，斜楔杠杆增力机构的理论增力系数为： i = ；一 。 厶t a n 口 式中：厶一杠杆主动臂的长度； 厶一杠杆被动臂的长度； 口一斜楔角。 2 213 铰杆一杠杆增力机构 ( 1 ) 非对称型 图2 1 3 单边单向输入铰杆装置 与杠杆增力机构的组合 ( 2 - l o ) 图2 1 4 双边单向输入铰杆装置 与杠杆增力机构的组合 将铰杆和杠杆进行组合，可以得到另一种基于角度长度效应的增力机构，其理论 增力系数为两种增力机构的乘积： f t2 志( 2 - 1 1 ) 考虑到机械效率损失则实际增力系数可用( 2 13 ) 式计算 f o = 每= 丽1 而2 7 7 1 ( 2 - 1 2 ) 在工作状态下机构压平前加紧点的最大行程可用( 2 1 4 ) 式计算 s q = l l l ( c o s a l - - c o s o ) t 2 ( 2 - 1 3 ) 式中： e 输出力；f 输入力；、1 2 一杠杆式压板主动臂、被动臂 1 7 第二章夹持装置中的增力机构 綦于串联组合增力机构的1 二业机械于可蕈构气动 的- k 度( 现取l _ z = 2 ) ；口一铰杆理论压力角( 如图示) ；一铰链副的当量摩擦 i i 角，即：a r c s i n 车厂( ，为铰链轴半径、现取l o m m ，为铰杆上两铰链孔的中心距、 l 现取l o o m m ，f 为铰链副的摩擦因数、现取0 1 ) ；7 7 l 一杠杆的传动效率，通常取0 9 7 。 在选择口角度时，不应小于一定的值。一般情况下，口应在7 。一1 0 。之间。但需 要指出的是，这类机构不能象斜锲机构那样具有自锁功能，仅在口角很小时，也就是 说，当口角趋于零时，理论上才能自锁。但这时，夹紧力将急剧增大，工件及机构中 的元件可能会受力过大而发生变形，因此趋向零的口角实际上是不存在的。 图2 1 4 所示机构的工作原理与图2 1 3 机构相似，虽然其理论增力系数是图2 1 3 所示系统的一半。 ( 2 ) 对称型 图2 1 5 所示装置通过铰杆和杠杆进行力的放大。同时该装置的各构件对称分布， 使滑块与滑槽之间摩擦很小，比非对称结构传递效率高，延长了相关零件的使用寿命。 构 滑块与滑槽摩擦损失的条 ( 2 1 4 ) “-。； 基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动央持装置第二章夹持装置中的增力机构 f p 2 7 7 再而1 1 ( 2 - 1 5 ) 在工作状态下机构压平前加紧点的最大行程可用( 9 ) 式计算 & = 2 l l l ( c o s a i c o s a o ) 1 2 ( 2 1 6 ) 式中：印一杠杆的力传递效率；口一杠杆两铰接中心连线与水平方向夹角； 一当量摩擦角。 2 2 2 基于长度角度效应的二次增力机构 2 2 2 1 杠杆一斜楔增力机构 左运动，最后推动力输出件向上移动，压紧工件；手柄向右松开时，斜楔向右移动， 这样就可以带动滚轮松开工件。同时，为了实现夹具的自锁，设斜楔的角度为口，摩 擦角为伊= a r c t a n f ，则斜楔自锁条件：口 i 1 。这是铰杆 机构的一个极为突出的优点。即当机构的压力角口、较大时，可使力输出元件快速 趋近作用对象；而当力输出元件接触到其作用对象的表面时，便停止运动。此时机构 的压力角口、，已经变得很小，就能够得到相对于输入力e 大得多的输出力c 。 2 3 三次增力机构 2 3 1 基于角度一长度一角度效应的三次串联增力机构 图2 - 2 5 所示的是等长双臂铰杆一杠杆一等长双臂铰杆串联组合的三次增力机 构。此机构的增力系数相对较大。 第二章夹持装置中的增力机构基于串联组合增力机构的工业机械手可重构气动夹持装 实际 4 ) 所以 基于串隧墅全塑力机构的工业机械手可重构气动夹持装置 第二章夹持装置中的增力机构 2 3 2 基于角度一角度一长度效应的三次串联增力机构 图2 2 6 单臂铰杆一双臂等长铰杆一杠杆串联组合的三次增力机构 图2 - - 2 6 所示为单臂铰杆一双臂等长铰杆一杠杆串联q t 合的三次增力机构的工