毕业论文-气动肌腱驱动的仿生型增力装置的创新与设计.doc

苏州大学本科生毕业论文 设计 1 目录目录 摘要 2 关键词 3 第一章第一章 前前 言言 3 1 1 气动肌腱的发展状况 3 1 2 气动肌腱的工作原理及特性 3 1 3 增力机构的种类与特点 4 第二章第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价 7 2 1 气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 7 2 2 气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 9 2 3 气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合构思及评价 10 2 4 综合分析优选 11 第三章第三章 优选方案结构化后工作原理及工作特点优选方案结构化后工作原理及工作特点 11 3 1 结构化设计后工作原理 11 3 2 结构化后增力装置的特点 11 第四章第四章 优选方案主要技术参数的确定优选方案主要技术参数的确定 12 4 1 增力比 12 4 2 气动肌腱的选择 12 第五章第五章 优选方案结构设计及注意事项优选方案结构设计及注意事项 16 5 1 优选方案结构设计 16 5 2 优选方案结构设计注意事项 16 第六章第六章 对气动肌腱应用前景的展望对气动肌腱应用前景的展望 17 参考文献参考文献 18 毕业设计总结及致谢毕业设计总结及致谢 19 苏州大学本科生毕业论文 设计 2 气动肌腱驱动的仿生型增力装置的创新与设计 苏州大学机电工程学院 01 机械 任子旭 指导老师 王明娣 摘要摘要 在研究铰杆 斜楔 杠杆等增力机构技术特性的基础上 介绍了三种结构新颖 的以气动肌腱驱动的增力机构 建立了力学模型 并推导出了相应的力学计算公式 在 综合分析的基础上 优选出气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合装置 对它们的 工作原理与技术特点进行了较为详尽的分析 并进行了具体结构设计 结论认为 用气 动肌腱代替传统的气缸 能使装置在体积尺寸上更为紧凑 且用此机构可使输入力增大 五十倍左右 关键词关键词 气动肌腱 正交增力机构 铰杆增力机构 增力比 压力角 Pneumatic muscle drive of imitate and living the type amplifier the force device of the innovation and the design Ren Zixu Adviser Wang Mingdi School of Mechanical introduce three creative designs of force amplifier device drived by pneumatic muscle The force increasing ratios are obtained based on the mechanics models The working principle and feature of device composed of pneumatic muscle and toggle force two stup amplifier driven is analysed The result shows application of toggle force amplifier driven by pneumatic muscle not only can obtain larger output force but also can make the device have compactness feature significantly in some case Key words Pneumatic muscle orthogonal force amplifier mechanism pressure angle force increasing ratio toggle amplifier 苏州大学本科生毕业论文 设计 3 第一章第一章 前前 言言 气动肌腱是一种功率 重量比高的 能提供双向拉力的新型气动柔性执行元件 它不 是一根普通的橡胶管 而是一个高效的能量转换器 无相对运动构件 无易损件 无泄 露现象 因此 它与传统气缸相比不但结构简单 摩擦小 无污染 而且能产生相当于 同径气缸数倍的拉伸力 1 正是由于这些优越性 气动肌腱在近年来受到了广泛关注 并陆续出现了以气动肌 腱代替传统气缸的传动技术 将气动肌腱与适当的增力机构组合 可以大大简化系统结 构 在需要较大输出力且结构尺寸受限制的场合 有很大的应用空间 基于此 我们设 计了这种以气动肌腱为驱动 通过铰杆机构进行增力的装置 1 11 1 气动肌腱的发展状况气动肌腱的发展状况 仿生气动肌腱是一种新型的拉伸执行元件 是 2000 年新概念气动元件 它不是一根 普通的橡胶管 而是一个能量转换装置 如同人类的肌肉那样能产生很强的收缩力 它 以崭新的设计构思突破了气动驱动器作功必须由气体介质 流体 推动活塞这一传统概 念 最早的人工肌肉的概念的提出可追溯的二十世纪三十年代 当时的俄国发明家 S Garasiev 首先提出了此概念 此后人门相继研制和开发出各种类型的气动人工肌肉 并 且有相当一部分都申请了专利 但到现在为止 普遍使用的是德国生产的气动肌健 Fluidic muscles 在国内目前人们对此的研究大都集中在其内部力作用机制的建模计 算方面 而对于这种新型气动执行元件的应用技术领域的创新 则较少涉及 且涉及的 大多局限于机器人领域 1 21 2 气动肌腱的工作原理及特性气动肌腱的工作原理及特性 1 211 21 气动肌腱的工作原理气动肌腱的工作原理 与传统的气缸不同 仿生气动肌腱没有活塞 活塞杆 缸筒 密封圈等诸多零部件 只是由一段包裹着特殊纤维格栅网的橡胶织物管和两端接头连接而组成特殊材质纤维格 栅网预先嵌人在能承受高负载 高吸收能力的橡胶材料之中 即预先与高强度 高弹性 能力橡胶硫化在一起 当仿生气动肌腱内有一个工作压力后 橡胶管开始变形 使格栅 中的纤维网格夹角变大 在直径方向产生膨胀力 在长度方向收缩 气动肌膛便产生拉 伸力 所产生拉力的大小取决于肌肉的直径 纤维初始编织角和充气压力 而且其力 长 度特性曲线与生物肌肉的力 长度特性曲线很相似 由于气动肌膛没有任何机械零件运动 如类似气缸活塞运动所产生的摩擦运动等 苏州大学本科生毕业论文 设计 4 所以有许多普通气缸不具备的特性 它不需要减速装置和传动机构 可以直接驱动 不 仅结构简单 动作灵活 而且功率 重量比大 1 221 22 气动肌腱的特性气动肌腱的特性 1 仿生气动肌腱相当一个单作用驱动执行元件 其拉伸力是同样直径的普通单作用 气缸 10 倍 而重量仅为普通单作用气缸的几分之一 2 与能产生相等力的气缸相比 它的耗气量仅为普通气缸 40 3 抗污 抗尘 抗沙能力强 甚至于在水中也能应用自如 4 携带方便 是世界上惟一能被卷折起来随身携带的气动驱动器 能根据用户要求 用剪刀随时度量其长度制作成所需的气动驱动器 5 工作时动态特性优越 当工作行程临近终点时无蠕动现象 在低速运动时 也无 爬行 粘沽现象 也无猛冲不稳定现象 6 尽管仿生气动肌腱结构简单 但可根据输人压力大小 可用干定位要求 7 无运动部件 因此无泄漏现象 清洁优势十分突出 尤其要求在驱动空气与环境 分离的工况条件 1 31 3 增力机构的种类与特点增力机构的种类与特点 1 311 31 种类 见下表 种类 见下表 1 321 32 各机构的特性各机构的特性 增力机构的种类 苏州大学本科生毕业论文 设计 5 杠杆 斜楔 凸轮 螺钉 偏心轮 帕斯卡原理 铰杆 1 1 铰杆式增力机构铰杆式增力机构 铰杆夹紧机构使用角度效应来增力 其机构简单 增力倍数大 一般在以气动为驱动 力的增力装置中获得较广泛的应用 以弥补气动元件的力量不足 以下是常见的五种基本 结构简图 a b 利用长度效应利用角度效应利用面积效应 苏州大学本科生毕业论文 设计 6 c d e 2 2 楔式增力机构楔式增力机构 机床夹具中所使用的夹紧机构绝大多数是利用斜面楔紧作用的原理来夹紧工件的 其中最基本的形式就是直接利用有斜面的楔块 偏心轮 凸轮 螺钉等不过是楔块的变 种 当斜楔角小于 45 时 具有扩力性能 根据角数值 斜面机构可以具有自锁性 也可 能不具有自锁性 在夹具的增力装置中 大部分不需要具备自锁性的 以下是常见的两种基 本结构简图 Q N a b 3 3 杠杆式增力机构杠杆式增力机构 在气压传动装置中 原始力还可以通过杠杆机构增力 或者改变力的方向 这种机 构的结构比较简单 制造容易但不能自锁 且由于受夹具结构大小的限制 在夹具设计 中 杠杆夹紧机构的最大增力比 ip 5 一般情况下增力比 ip 1 3 以下是常见的两种基 本结构简图 苏州大学本科生毕业论文 设计 7 a b 4 4 复合夹紧增力机构复合夹紧增力机构 复合夹紧机构的实际增力比等于组成这复合夹紧机构各个增力部分的实际增力比的 乘积 复合夹紧机构的行程比等于组成这复合夹紧机构各部分的行程比的乘积 复合夹 紧机构传动效率等于组成这复合夹紧机构的各部分的传动效率的乘积 复合夹紧机构中 任何一个组成环节是具有自锁性能的时候 这种复合夹紧机构也具有自锁性能 常见的 复合夹紧机构有压板斜楔夹紧机构 压板铰链夹紧机构 压板杠杆夹紧机构 压板螺旋 夹紧机构 压板偏心夹紧机构等等 以下是两个典型的复合夹紧机构 图 a 为压板与 双臂双作用的铰链夹紧机构组合在一起的压板式铰链夹紧机构 图 b 为多斜楔面压板 式夹紧机构 a b 第二章第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价 2 12 1 气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 2 112 11 工作原理工作原理 图 1 所示为气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的 组合系统 其工作原理是 当气动肌腱内部充入压缩空 气后 就会在产生径向膨胀的同时伴随着轴向收缩 从 而提供一个收缩力 该收缩力通过铰杆的角度效应进行 一次力放大后 传递到力输出件上 最后由力输出件输 出力 作用于相应的工 o F作对象上 i F t o F 力输出件 图 1 铰杆 气动肌腱 苏州大学本科生毕业论文 设计 8 2 122 12 力学模型计算力学模型计算 系统的增力系数是输出力与输入力的比值 不考虑摩擦损失的增力系数为理论 o F i F 增力系数 常用 表示 考虑摩擦损失后的增力系数为实际增力系数 常用表示 t i p i 图 1 所示系统的理论增力系数 和实际增力系数的计算公式分别是 t i p i 1 2 式中 理论压力角 如图示 t 铰杆两铰接处的当量摩擦角 铰杆两铰链的中心距 l rf2 arcsin lr 铰链轴的半径 铰链副的摩擦因数 2 f 力输出件与其导向孔间的当量摩擦角 其值由力输出件的受力及约束方式决定 3 2 132 13 特点特点 由图中可看出 这种气动肌腱与增力机构的组合 与传统的由铰接式气缸驱动的同类 系统相比 结构上变得简约多了 但系统中的力输出件与其约束件的导向孔内壁之间 不可避免地存在一定的摩擦损失 从而影响力的传递效率 以及系统的使用寿命 为能 有效地解决摩擦损失这一问题 我们可以使用下面的对称型双边单作用铰杆增力机构 2 22 2 气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 t t tan2 1 i tan 2 tan tan 1 t t p i 苏州大学本科生毕业论文 设计 9 2 212 21 工作原理工作原理 图 2 所示为气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合装置 该装置的工作 原理与气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合系统类似 只不过巧妙的应用了气动 肌腱可提供双向拉伸力的特性 当给气动肌腱充入压缩空气后 它将产生径向膨胀同时 伴随轴向收缩 从而提供一个双向拉伸力 由于该结构对称 故此双向输入力同时分别 被各自的铰杆发大 并同时传递给工件上 2 222 22 力学模型计算力学模型计算 图 2 系统的理论增力系数 和实际增力系数的计算公式是 t i p i 3 4 2 232 23 特点特点 该装置巧妙地利用了气动肌腱能提供双向张力的功能 且因该系统中的力输出件在 径向上所受的力是对称平衡的 所以力输出件与其导向孔之间理论上不存在摩擦损失 因此 该装置的力传递效率要显著高于图 1 所示装置 但由于该装置与图 1 所示装置相类似 仅采用一次增力机构 所以力放大效果不甚 图 2 气动肌腱 铰杆 力输出件 i F t o F t t tan 1 i tan 1 t p i 苏州大学本科生毕业论文 设计 10 显著 为了获得较大的增力系数 可以采用二次增力机构与气动肌腱进行组合 2 32 3 气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合构思及评价气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合构思及评价 2 312 31 工作原理工作原理 图 3 所示为气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合装置 该装置的工作原理是 当气动肌腱被充入压缩空气后 输出一轴向拉力 该力经过第一对铰杆放大后传给第二 对铰杆 进行第二次放大 经过两次放大的力输出给工件 2 322 32 力学模型计算力学模型计算 图 3 系统的理论增力系数 和实际增力系数分别是 t i p i 5 6 式中 理论压力角 如图示 t 2 332 33 特点特点 图 3 所示系统 是以串联的方式 两次运用了铰杆的角度效应 进行力的放大与传 递 因此 该装置的增力效果要显著高于图 2 及图 1 所示系统 o F t 气动肌腱 铰杆 力输出件 i F t 图 3 1 tantan 1 2 1 tt t i 1 tantan 1 2 1 tt p i 苏州大学本科生毕业论文 设计 11 通过对公式 1 3 5 或 2 4 6 进行比较 可以看出力放大效果 最为显著的是图 3 所示系统 其次是图 2 所示系统 而力传递效率最低的是图 1 所示系 统 2 42 4 综合分析优选综合分析优选 2 412 41 计算分析举例计算分析举例 取 计算得 由 2 6 tt 10 mm120 lmm5 r1 0 f 477 0 式计算得图 1 所示装置的实际增力系数 由 4 式计算得图 2 所示装置的实际增32 4 p i 力系数 由 6 式可计算得图 3 装置的实际增力系数 显而易见 图 381 8 p i29 38 p i 所示系统具有最显著的力放大效果 2 422 42 优选方案优选方案 以上三个方案都具有各自鲜明的特点 且都具有一定的增力比 但是 2 2 2 3 系统 中的力输出件在径向上所受的力是对称平衡的 所以力输出件与其导向孔之间理论上不 存在摩擦损失 且结合实际工作情况 需考虑到需要有较大的放大效果 所以我认为气 动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合是其中比较好的方案 他们不但具有较大的增 力比 而且摩擦损失小 制造也简单 第三章第三章 优选方案结构化后工作原理及工作特点优选方案结构化后工作原理及工作特点 以上所设计的方案只是初步构想 与实际应用还有一定距离 现在我们分析当所设 计的方案结构化后的工作原理和工作特点 3 13 1 结构化设计后工作原理结构化设计后工作原理 当气接头接入压缩空气后 气动肌腱开始径向膨胀同时伴随轴向拉力 铰接在气动 肌腱上的导杆向下运动 第一组铰杆向下运动并向左右扩力 力第一次被放大 通过三 杆铰接力传给了第二组铰杆 第二组铰杆一端固定在连接箱体支撑座上 另一端受力向 上运动同时通过连接在压板上的铰链叉座把力输出到压板上 力被第二次放大 然后再 利用压板夹紧工件 当结束充气后 气动肌腱停止膨胀 轴向拉力及行程达到最大 3 23 2 结构化后增力装置的特点结构化后增力装置的特点 气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合装置与常用的杠杆增力气动夹具 楔面 增力气动夹具 螺旋增力气动夹具和偏心增力气动夹具等增力装置相比 具有较明显的 苏州大学本科生毕业论文 设计 12 特点 1 夹紧力随 角度的变化可以在较大的范围内变动 并且增力倍数高 可以 t t 高达几十倍 如 5 5 则 ip 可达到 55 之多 采用直径和长度较小的气动肌腱 t t 或较少的夹紧机构 特别是用于夹紧空间较小而需要较大夹紧力的情况 2 最后合成的总的夹紧力方向与气动肌腱作用力中心线重合 能保证夹紧时工件 受力均匀 3 结构简单 制造容易 4 摩擦损失小 有些摩擦损失和冲击可以相互抵消 机械效率高 第四章第四章 优选方案主要技术参数的确定优选方案主要技术参数的确定 4 14 1 增力比增力比 本方案的理论增力比与实际增力比如下 式中 理论压力角 如图示 t 理论压力角 如图示 t 铰杆两铰接处的当量摩擦角 铰杆两铰链的中心距 l rf2 arcsin lr 铰链轴的半径 铰链副的摩擦因数 f 取 5 5 150mm 10mm 0 1 则 0 006692 t t lrf 最后 55 8 p i 理论上当与越小则力越大 但当其等于 0 时为死点 一般情况下取为 3 到 5 t t 综合考虑我们取其最小值为 5 此时气动肌腱有最大膨胀和最大拉伸力 4 24 2 气动肌腱的选择气动肌腱的选择 技术参数为 1 主要技术参数见表 1 1 tantan 1 2 1 tt t i 1 tantan 1 2 1 tt p i 苏州大学本科生毕业论文 设计 13 2 主要尺寸参数见下图和表 2 3 MAS10 MAS20 MAS40 拉伸力与收缩位移关系 见表 3 表 4 表 5 在本方案中 由于工件尺寸较大 假设需要约 50000N 的夹紧力 当 5 5 实际增力比 ip 55 8 Fi Fo ip 式中 Fi 气动肌腱输出力 Fo 作用在工件上的夹紧力 F i 896 N 为了能满足要求气动肌腱的输出力可适当的放大一点 故取为 1000N 可由几何关系确定气动肌腱的拉伸距离为 12 7mm 1 从表 1 的拉伸力 可选择 MAS 20 气动肌腱 2 从表中可得知 选择拉伸位移长度与工作压力有关 当选择拉伸力为 1000N 时 工作压 力为 0 6MPa 时对应拉伸位移为 7 5 3 计算气动肌腱的名义尺寸 12 7 7 5 169 33mm 结论 为了满足 1000N 拉伸力 拉伸距离为 12 7mm 的气动肌腱 需在 0 6MPa 工作压力下 MAS20 气动肌腱名义长度为 169 33mm 苏州大学本科生毕业论文 设计 14 苏州大学本科生毕业论文 设计 15 苏州大学本科生毕业论文 设计 16 第五章第五章 优选方案结构设计及注意事项优选方案结构设计及注意事项 5 15 1 优选方案结构设计优选方案结构设计 1 气动肌腱设计气动肌腱设计 气动肌腱为标准件 已计算选定 2 2 增力机构增力机构 本方案中增力机构是对称布置的六根铰杆 铰杆之间是通过特别制作的销来连接 夹紧机构最终输出端与压板上的铰链叉座相连 从而夹紧工件 5 25 2 优选方案结构设计注意事项优选方案结构设计注意事项 本方案中所提供的力较大 所以在设计该夹具结构时需要特别注意以下几点 1 1 整体结构要稳定可靠 有足够的强度和强度整体结构要稳定可靠 有足够的强度和强度 装置的结构要求粗壮低矮 以降低装置的重心 增加刚度和强度 2 2 注意材料和刚度的选择注意材料和刚度的选择 正确选择零件的材料和刚度 对于保证结构和工作的可靠性 装置的寿命 制造和 维修有着重要的影响 本方案中压板采用 HT200 并进行时效处理 其他零件参照已有 的夹具进行选择 3 3 受力情况要合理受力情况要合理 其上的受力部分应直接由基体来承受 尽量避免通过紧固螺钉来受力 对于装置中 精度要求较高的受力零件 设计时应注意其连接的稳定性 苏州大学本科生毕业论文 设计 17 4 4 设计时要考虑它的装配性设计时要考虑它的装配性 在设计时除了要考虑满足使用要求 便于加工外 还要考虑它的装配性 本方案中 增力机构对称式三铰杆要求对称布置 以使受力均衡 在装配时要注意这点 5 5 注意设计的合理性注意设计的合理性 设计结构时要注意活动部件不发生干涉 各零件布置要合理 结构要紧凑 比例要 协调 大小要匀称 特别是三铰杆不能有死点现象产生 6 6 气动肌腱的充气管要便于插拔气动肌腱的充气管要便于插拔 设计箱体是要预留开口 第六章第六章 对气动肌腱应用前景的展望对气动肌腱应用前景的展望 随着国民经济的发展 国民经济各部门要求机械工业不断提供先进的技术设备 来 研制新的产品以满足人民日益增长的物质文化要求 传动技术绿色化的发展趋势是不容 置疑的 气动肌腱作为一种新型的摩擦力很小的气动执行机构 无疑较好地适应了这一 潮流 首先 由于重工业的发展 越来越要求加工较大尺寸的工件 并且加工的精度要求 较高 这就需要有能保持一段时间的较大夹紧力 气动夹具工作介质是压缩空气 它的 工作压力可以控制并且波动较小 所以气动夹紧装置产生的夹紧力也基本保持不变 而 增力机构可以有效的扩大原始力 有时可以高达几十倍 所以具有中间增力机构的气动 夹具是最佳的选择 而气动肌腱无疑是气动元件中不错的选择 其次 为了提高利润 现代生产要求具有较高的生产效率 尤其是在大批量生产中 由于我们目前的生产力水平 生产效率的提高可能导致工人劳动强度的增大 从而使工 人工作十分疲劳 容易导致工人劳动积极性下降 甚至是引起工伤事故 但是采用具有 中间增力机构的气动夹具可以大大降低工人的劳动强度 压缩空气流动速度很快 采用 气动夹具动作迅速 有利于缩短辅助时间 从而提高生产效率 同时操作时 工人只需 要转动分配阀手柄就能产生较大的夹紧力 大大降低了工人的劳动强度 改善了工