绿色夹具理论体系构建与技术创新资料

1、尊、9ss8q擎委缎犬孝 硕士学位论文 (2006届, 、绿色失具理论体系构建与技求制新 rTeelmology Innovatiod and Construction of T!【eoretical System ofGreen Jig&Fixturef 。ij研究生姓名jL芏一 ”捃是卿姓名盟壅垦.一 :专业誊孺二。垫煎睦盐垦堡垒一一 3研,我.蓉痢 :墨盒堡壶堑堕堕I 论文提查聃二_二_堑堕生塑士一?。 。j ,、-绿色夹具理论体系的构建与技术创新 摘要 摘要绿色化夹具技术在制造业绿色化进程中发展相对滞后。本文针对污染较为严 重的液压夹具及能耗较大的机动夹具,提出了较为系统的改进

2、与替代方法,建立 了绿色夹具技术理论体系,该体系从以下几方面展开。(1手动夹具替代机动夹具的技术。手动夹具绿色化程度最高,但致命缺陷 在于所能提供的初始作用力较小。我们通过采用多极串联增力机构,将手动作用 力进行放大以达到工作要求;此外,利用手动冲击方式来得到相对大得多的初始 作用力,以弥补手动作用力不足的缺陷。(2气动夹具代替液压夹具的技术。气动夹具采用洁净的压缩空气作为传动 介质,但因系统压力较低而使其应用范围受到极大制约,特别是在夹紧力要求较 大的场合,难以取代液压夹具。针对这一问题,我们一是通过气压缸与多级串联 增力机构相结合,将输出力进行放大;二是利用新型气动元件(气动肌腱和气 动冲

3、击方式,来提高夹具系统的初始作用力:三是采用气液复合传动技术,可相 对减小单纯液压传动夹具系统对环境造成的污染。(3在不得不使用液压系统的场合,我们也提出了降低污染及能耗的办法。 一是在输出力及液压缸直径不变的情况下,利用多级串联增力机构来降低系统压 力,以减少油液的泄露;二是利用自行设计的变频调速变量小功率双作用双级液 压泵,替代传统的大流量液压泵,达到相对节能的目的。(4利用自锁机构的作用,使气动或液压夹具在夹紧工件之后,可停止供应 压缩空气,或停止液压泵的运转,从而达到节能目的;(5积极探索低能耗甚至无能耗的其他夹具技术,如离心式夹具、切削力夹 紧装置等。针对适用车床加工的回转类零件,设

4、计了相应的离心式夹具。关键词绿色制造;夹具;增力机构;气压传动;液压传动;气液复合传动;双 作用双级液压泵;离心夹具Abstract 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 AbstractToday,the green manufacturing has made big progress,but the green jig& fixture,as one of them,drops behind.Because of this situation,I give my paper,in which I set up system info of green jig and fixture,

5、and provide some ways to reduce the pollution and loss of energy made by hydraulic and other big power-driven jig& fixture.The following are the main content.(1Substituting power-driven for hand driven jig&fixture.The green degree of hand driven jig&fixture is the highest,but it has a de

6、adly weakness,that is cantprovide enough original force.There are two methods to supply this gap,one is by adding multilevel reinforcement mechanism,the other is by impulsion with hand. (2Substituting hydraulic for pneumatic power jig&fixture.The main weakness of pneumatic power jig&fixture

7、is the lower pressure of pneumatic clamping system. which lead to the clamping force ca!lt meet demand in some occasion,where we still have to use hydraulic power jig&fixture.This problem can be settled by four ways.First is using multilevel reinforcement mechanism.Second isusing the self-lockin

8、gmechanism to keep clamping work-piece for reducing the loss of energy.The tllird is using new pneumatic organs or driven method,for example pneumatic muscle or pneumatic impulsion.The last is substituting the hydraulic clamping system for pneumatic-hydraulic composite transmission system,in which t

9、he hydraulic oil cycle flows hermetically,that can reduce the possibility ofpollution.(3In some occasions having to use hydraulic clamping system,we provide some ways of reduce pollution and loss of energy.First,in case of the output force and the diameter of hydraulic cylinder keeping constant,we c

10、an lower the pressure of hydraulic clamping system by using the multilevel reinforcement mechanism,as the pressure lowering the leak of hydraulic oil reducing.Second,substituting the traditional mass flow hydraulic pump for frequency control low power double acting double stage hydraulic pump,it cal

11、l economize on energy.(4Trying best to research on technology of jigs and fixtures whichconsume liRle energy we can research on,for example the centrifugal power driven fixture,cutting power clamping device.In this paper,we have designed some centrifugal power driven fixture for machining rotary typ

12、e workpiece.Keywords green manufacturing;jig&fixture;reinforcement mechanism;pneumatic transmission drive;hydraulic transmission drive;Pneumatic-hrdraulic Composite Transmission;double acting double stage hydraulic pump;centrifugal power driven fixtures;.II.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:

13、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:日期:矽5r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

14、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:日 期:御占 幺支 缢绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第1章绪论 1.1绿色制造发展概况第1章绪论近年来,围绕生态环境问题,人们提出了“既满足当代人的需求,又不对子 孙后代满足其需要之能力构成危害的发展的“可持续发展战略”。它将生态环境 与经济发展联结为一个互为因果的有机整体,认为经济发展要考虑到自然生态环 境的长期承载能力,使环境和资源既能满足经济发展的需要,又使其作为人类生 存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要,从而形成了一种综合性的发展战

15、 略。制造业是创造人类财富的支柱产业,但同时又大量消耗掉人类社会的有限资 源,并且是造成当前环境污染问题的主要根源,为此制造业实施可持续发展战略已 势在必行。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式,其目标是使 得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境 负面影响极小,资源利用率极高,并使企业经济效益和社会效益协调优化¨。绿色 制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造,又称环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing、面 向环境的制造(Manufacturing For

16、Environment等。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 (图1-1,并使企业经济效益和社会效益协调优化12I(31。第1章绪论 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 -t制造资源(原材料、能源等I-绿 -t 资源转化和消耗过程 I-环 资源利用 境色 _一产品 L 率最大, 污制 _. 废料资源 染造 最少 最-4产品使用过程t-小-t 产品报废处理和回收利用 I-圈1-l绿色制造工艺目标制造业在创造了高度发达的现代物质文明的同时,也造成了严重的环境问 题。

17、这不仅制约了制造业的进一步发展,而且也危及到了人类的生存空间。从可 持续发展的角度出发,绿色制造技术向人们展示了一个美好的发展前景。绿色制 造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,是人类可持续发展战略 在现代制造业中的体现。毫无疑问,采用绿色设计与制造是制造业实施可持续发 展战略、解决环境问题、实现新的腾飞的必由之路。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131|41(见图1.2。绿色llil造、警登竺义、一r:y,入、,/图卜2绿色翩造领域交叉状况绿色夹具理论体系的构建与技术创

18、新 第1章绪论 1.13发展现状绿色制造研究非常活跃。如1996年,美国制造工程师学会(SME发表了关于绿 色制造的兰皮书Green manufacturing,提出绿色制造的概念,并对其内涵和 作用等进行了较系统的介绍;1998年SME又在国际互联网上发表了“绿色制造的 发展趋势”的网上主题报告。美国机械工程师学会也在网上公布了不少研究论 文。美国BerkeleyJJl州大学不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构,而 且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页(http:/G。美国麻省理工学院也在这方面开展了不少研究,国际生产工程

19、学 会CIRP近几年均有不少论文对环境意识制造和多生命周期工程等与绿色制造本质 一致的问题进行了研究,美国AT&T和许多企业以企业行为投入大量研究。还有 其他许多文献,也分别对绿色制造及相关问题作了初步的研究和探索。特别是近 年来,国际标准化组织ISO提出了关于环境管理的14000系列标准,如140019】、 14040后,推动着绿色制造的研究更加活跃15I。可以不夸张地说,绿色制造研究的 强大绿色浪潮,正在全球兴起。国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门 的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究探索。清华大学为创建绿色大学,己 将绿色工程技术列为优先发展和支

20、持项目,在美国“China Bridge”基金和国家自然 科学基金会的支持下,已与美国'Texas Tech University”先进制造实验室建立了关 于绿色设计技术研究的国际合作关系,对全生命周期建模等绿色设计理论和方法 进行系统研究,取得了一定进展。上海交通大学、重庆大学、华中理工大学、浙 江大学等高院校相继开展了绿色制造技术研究。国内已形成了一支从事绿色制造 技术研究的专业队伍,为我国发展绿色制造技术奠定了基础。第1章绪论 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 1.2绿色夹具技术发展现状当前绿色化机械加工技术主要从选材、加工方法、加工设备三方面来展开 (如图1.36】【”。其中人

21、们对切削工艺及刀具、机床的绿色化给予了较多关注,但 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。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,在不少场合甚至具有关键性的影响。夹具技术已经成为 严重制约绿色制造技术发展的“瓶颈”I射。这种现象如持续下去,无疑将显著影响 绿色制造技术的整体发展进程。图1-3绿色机械加工主要技术类别例如,我们在对大量应用组合机床的汽车、拖拉机制造企业进行调研时发 现,组合机床滑台的驱动方式,在近几年来发生了由液压驱动向数控机械驱动的 快速转换,未来甚至可能向直线伺服驱动方向发展。也就是说,滑

22、台的驱动方式 可以说已经较为绿色化了。可是,目前汽车、拖拉机制造业中组合机床的夹具系 统,却绝大多数依然采用单一的液压传动方式。而液压传动不仅会因油液泄漏及 挥发造成严重的场地及空气污染,还会因液压泵的高速运动产生噪声污染。更为绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第1章绪论 不协调的是,目前采用数控机械驱动滑台的组合机床,其夹具液压系统中采用的 液压泵与蓄能器规格,基本上与原来采用液压滑台时完全一致,而原来的液压系 统是兼顾滑台驱动及夹具驱动的。分析其原因也较为简单,因为工件的夹紧过程 与滑台进给过程,从时间上是先后顺序进行的。为了使得夹紧元件在空行程时快 速趋近工件,不得不使用较大流量的液压泵

23、,甚至需要与蓄能器组合以形成快速 回路。现代数控机床与加工中心的工件及刀具夹紧装置,也大多采用液压驱动。且 为保证结构紧凑,一般也不采用大规格的蓄能器。因此,选用较大流量的液压泵 也是迫不得己的事。而采用单级压力的大流量液压泵,无疑将导致电机功率加 大。采用双级泵能在一定程度上缓解这一矛盾,但耳前的标准双级泵中的高压小 流量泵,其流量还不足够小,所以电机功率依然偏大。在切削加工过程中,大量 不采用保压回路的机床液压系统,溢流时流量过大导致能源浪费及环境污染,便 在所难免了。液压夹具在工程实际中应用非常广泛,主要是由于液压缸活塞能够提供的单 位面积压力,要远远大于气缸活塞,从而能显著减小活塞直径

24、与系统体积:再者 液压传动夹具在自动化控制方面与气动传动夹具几乎同样方便。但是液压传动夹 具容易造成环境、空气污染,能量转换环节多造成了能源利用率极其低下,致其 绿色化程度非常低下。1.3本课题研究的内容及意义本课题研究将针对一般机床夹具的工作特性,以夹紧力来源为基本出发点, 以极易产生污染且能源利用率极低的液压传动夹具为重点目标,对夹具技术绿色 化的途径与方法进行较为系统的研究探讨,并在此基础上构建绿色夹具的理论体第1章绪论 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 系。此外,将提供若干个关键方向上具有典型示范意义的技术创新案例。具体内容包括:(1机床夹具工作特性分析研究;(2绿色夹具技术理论体系构

25、建;(3绿色夹具关键技术创新。本项目研究的主要意义在于:(1有利于绿色制造技术的平衡协调发展。毫无疑问,没有夹具技术的绿色 化,绿色制造技术的体系肯定是不完整的。在某些场合中,夹具技术的绿色化, 甚至可能成为绿色制造体系中最为关键的一环。因此,对绿色夹具技术进行系统 的理论研究和关键技术创新,将突破制约现有绿色制造技术发展的“瓶颈”,有利 于绿色制造技术的平衡协调发展与整体推进。(2建立起相对较为完整的绿色夹具技术理论体系框架,不仅能基本奠定绿 色夹具技术的理论基础,而且能给从事夹具研究与设计的人员,提供创新绿色夹 具的思想、途径与研发方向。也就是说,该项目研究的理论成果,对绿色夹具的 技术创

26、新,具有较明确的导向功能。(3本课题研究将在几个关键方向上,提供具有典型示范意义的绿色夹具技 术创新案例。这些案例的创新,均基于西方工程界早期推崇的KISS(Keep it simple,stupid理念。基于KISS理念之创新设计的突出特点,是简约无误,极 易仿效,非常便于较快地向生产领域转移和推广。亦即,该项目研究的具体创新 成果,具有较为广泛意义上的工程应用价值,而不是仅仅停留在理论研究上。绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第2章绿色夹具技术理论体系构建第2章绿色夹具技术理论体系构建本章重点介绍了绿色夹具技术理论体系,对构成绿色夹具技术理论系统的各 类技术进行了详细阐述,并给出了绿色夹具

27、技术理论体系四级框架图。2.1夹具技术绿色化的途径夹具技术绿色化主要通过以下几种途径来实现191:(1能源提供方式的绿色化;(2流体传动介质的绿色化;(3加工过程低能耗或无能耗技术(4其他绿色夹具技术。在考虑机床夹具能源的绿色化问题时,必须与夹具依附的机床所使用的能源 形式一起,进行整合性的设计,而不能孤立地进行。例如,以绿色化程度极高的 太阳能作为机床夹具的能源,在短时期内便不可能推而广之。我们认为,在目前 的制造技术条件下,机床夹具能源绿色化的途径,一是重新认识和发展以人力为 能源的手动夹具,二是重视对电动夹具技术的研究与开发。 手动夹具代替机动夹具的技术从目前的能源形式上来看,手动夹具的

28、绿色化程度是最高的。然而十分不幸 的是,在我国制造技术领域中长期存在着一个几乎根深蒂固的错误观念,即手动 夹具意味着落后的夹具技术。制造技术的现代化其实并不排斥手动夹具的发展。 即使工业化程度很高的美国,在其最近的权威性夹具专著j适and fixture design中,手动夹具的图例仍然占据绝对主导的地位,特别是美国工程界,对 手动夹具极为重视。这与我们国家的现实状况形成了极为鲜明的反差。实际上, 只要操作工人的劳动强度在许可范围内(如对操作频率较高的夹具,其人手作用第2章绿色夹具技术理论体系构建 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 力应不大于150N,手动夹具应成为优先选择、甚至首先选择的技

29、术。因为手动 夹具的绿色化特征,是再明显不过的了。本课题研究将基于高倍增力机构的手动夹具,以及基于手动冲击力的夹具技 术,纳入绿色夹具技术理论体系中进行重点研究。 电动夹具代替液压传动夹具的技术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,因此电动夹具极有可能在绿色制造浪潮的推动下获得新的发展契 机。流体传动夹具中所用的介质清洁与否,是衡量其绿色化程度的根本标志。显 而易见,气动夹具相对于液压夹具,在这一方面具有得天独

30、厚的优势。 代替液压传动的气压传动夹具技术气动夹具的传动介质是清洁的压缩空气,绿色化程度要显著高于以油液为传 动介质的液压夹具。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.4O.7MP,因而往往造成气缸直径过大。解决这一问题的有效途径,一是利 用机械增力机构将气缸的输出力放大后,再作用于工件上:二是采用新型的气 动执行元件,如气动肌腱(其最大输出力可达同直径气缸的近10倍;三是将气 压传动与具有自锁功能的增力机构进行组合,以便在加工过程中能停止供应压缩绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第2章绿色夹具技术理论体系构建 空气,实现节能。 气一液复合传动代替液压传动的夹具技术气一液复

31、合传动装置被西方工程界称之为“柔顺的重体力劳动者”。由于工作 过程中,该类装置的活塞运动速度较低,故用其代替液压传动,不仅油液循环速 度慢,温升小,所需要的油液总量也相对少得多。这些方面都有利于减少油液的 泄漏污染及降低噪声污染。绿色介质技术液压传动系统之所以污染环境,罪魁当属油液介质,为了实现传动介质的绿 色化,有人研究以纯水或海水代替油液的液压传动技术。由于防腐蚀及泄漏等方 面的成本过高,估计该类技术近期内难以在一般机床夹具中推广。但作为较为系 统的绿色夹具理论体系,是不应将一种发展中的技术排除在外的。提高能源的利用率,降低能耗无疑是绿色化程度的一个重要标志,在加工过 程中尽可能降低夹具耗

32、能也就成为绿色化夹具技术研究中不可缺少的一环。 加工过程零耗能与极低耗能的夹具技术既然一般机床夹具,在刀具对工件进行切削加工的过程中,理论上并不需要 消耗能量,那么,设计出工作过程零耗能与极低耗能的夹具,便应该是顺理成章 的事情。实际上,在制造领域己经得到应用的切削力夹紧、离心力夹紧,以及具 有自锁功能的夹紧装置等,工作过程就是零耗能与极低耗能的;只是以前人们并 未将其提高到理论水平上加以认识罢了。加工过程低能耗的液压传动夹具技术在迫不得已必须采用液压传动夹具的场合,我们认为应研发在加工过程中能 耗低的液压泵。针对液压传动夹具工作特性,结合电机调速技术实现泵的大幅度第2章绿色夹具技术理论体系构

33、建 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 变量,设计出小功率的低压大流量、高压极小流量双作用双级压力泵,上述问题 则能够得到解决。绿色夹具技术中还包括其它一些类型的,如真空吸附、电磁吸附、相变固 紧,以及基于长度、体积敏感效应材料的夹具技术等。2.2绿色夹具技术理论体系框架基于上述技术,我们构建了绿色夹具技术理论体系,见图2.1(下页绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第2章绿色夹具技术理论体系构建能源提 供方式 绿色化加工过 程低能 耗夹具 技术流体传 动介质 的绿色 化其它绿 色夹具 技术代替机动夹具的手动夹具技术电动夹具技术加工过程零耗能与极低耗能的夹具技术加工过程低能耗的液压传动夹具技术代替

34、液压传动的气压传动夹具技术气液复合传动代替液压传动的夹具技术绿色介质液压泵表面吸附夹具相变固紧夹具应用敏感材料夹具高倍增力手动夹具冲击式手动夹具切削力夹紧夹具离心力夹紧夹具自锁夹紧装置机械增力自锁机构的应用 变频调速变量小功率双作用双 级液压泵机械增力气动夹具增力自锁气动夹具气动肌腱驱动夹具单作用气液复合传动装置 双作用双级气液复合传动装置 纯水液压泵海水液压泵图21绿色夹具捷术理论体系框架绿色夹具技术第3章机械增力机构及其串联组合 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第3章机械增力机构及其串联组合由于在本课题研究所涉及的主要类型的绿色夹具中,均较多地采用了机械增 力机构。因此,本章对基本机械增

35、力机构及其串联组合,进行必要的综合分析研 究,并给出某些组合创新机构。为后续章节中的机一液、气一液.机复合传动夹具 提供模块。3.1一级增力机构机械增力机构可分为长度效应和角度效应两大类。长度效应增力机构即古老 的阿基米得杠杆及其变形机构,角度效应增力机构则包括斜面机构(含斜楔、凸 轮、螺旋机构等与铰杆机构。基于长度效应的机构有杠杆、滑轮传动机构等。此类机构的主要特点是:能 够将力扩大,或者改变力的方向,结构简单,制造容易。缺点是:在阻力臂一定 的条件下,要想获得较大的增力比,机构的长度或体积必须增大,这样一来,机 构的刚性会变差,另外,此类机构不能自锁。 斜楔机构斜楔增力机构具有制造容易、结

36、构简单、调整方便等优点,在机械化传动中 应用较广。在斜角较小的情况下,它有自锁特性。在实际应用中可以根据需要设 计成许多不同的形式,如单向斜楔、单向棱形楔、多向截面角的锥形楔或圆锥楔 等。 斜楔机构也存在明显的缺点,即所产生的夹紧力会随着楔角的减小而增大,绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第3章机械增力机构及其串联组合 但有效行程随之减小,同时摩擦损失增加,工作效率降低。为减小摩擦损失,提 高工作效率,我们可以采用带滚轮的楔式扩力机构。对于不带滚轮的机构,楔角 从450减少到50,摩擦损失增加了2倍。若采用滚轮,当斜楔角为80120时(机 械传动常用角度,摩擦损失显著减小,夹紧力可以增加355

37、0%。采用带滚轮的 斜楔机构效率有了明显的提高,但其自锁角度要求更小(一般取50,这样有效 行程会变的更短1101。对于上述问题,我们最终可以通过带滚轮的双斜楔角增力机 构加以解决,如图31所示。F匕=冷图31带滚轮的双斜楔角增力机构图31中,角度为必的斜楔不具备自锁功能,其角度较大,目的是增加有效 行程;角度口,值较小,以实现增力及保证机构自锁;滚轮的使用可以减小摩擦, 提高效率。此机构在夹具中有较为广泛的应用前景,第5章中我们会详细介绍。 斜楔机构的变形机构,包括螺旋增力机构、凸轮增力机构等。 铰杆(斜杠机构铰杆增力机构可以分为单边式铰杆机构和双边式铰杆机构等。第3章机械增力机构及其串联组

38、合 绿色夹具理论体系的构建与技术创新只 c=筑 0FoO E图32单边式铰杆增力机构 图3-3双边式铰杆增力机构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i。表示;考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系 数,用fp表示。图3-2、3-3所示单边式及双边式铰杆机构的实际增力系数计算公式分别为:.12tan(or+声+tan驴】 .1tan(or+taIl妒 式中:i一实际增力系数;口一铰杆的斜角;一当量摩擦角;够一滑块上的摩擦角;=arcsin等, 式中:,一铰杆两端铰链中心距;一铰链轴的半径;口一铰链副的摩擦系数; (3.1 (3.2(3.3 只

39、霪 卦 . 豳砸绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第3章机械增力机构及其串联组合 3.2多级串联增力机构图3-4为一种在极小的空间内,两次利用斜面的角度效应而形成的斜面一斜面 串联组合二级力放大装置,其中间的力传递元件,是几何形体最为简单的球体。圆锥体固定内锥面套钢球力输出件复位弹簧导向板作用对象图3-4斜面一斜面组合力放大装置该装置的理论力放大系数为:f:1+j【_一 (3.4 tanatariff在图34所示装置的力输入端,再串联上手动偏心轮机构,便可形成四级力 放大装置,该机构我们将在第四章手中详细介绍。通过机构串联的方式我们还可以设计出许增力机构,如图35,3-61“l,3 7,38所

40、示。一般说来,串联式组合力放大装置的力放大系数i,为各级装置力放大系 数的乘积,即i。=等=ili2i3i。(式中,曩为输2,.20,Vo为输出力。F.第3章机械增力机构及其串联组合 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 图3-5单边杠杆一铰杆增力机构 图3-6同向增力型杠杆一铰杆增力机构图3-7双边杠杆一铰杆增力机构 图3-8二级铰杆增力机构虽然在理论上,人们能够得到任意多级的串联组合力放大装置,但是,较多 级的串联装置无疑将造成结构繁杂拖沓。所以在工程实际中,超过四级串联组合 的力放大装置,就极为罕见了。就四级以内机构的组合串联,其容量也是相当庞 大的,但在组合设计时,应当注意结构刚性、效率以

41、及工程实际要求等原则。3.3小结在高倍增力机构的创新构思过程中,我们应用了创新技法中的组合法。利用这一创新方法,可以根据实际工程需要, 增力机构。在具体创新过程中应当注意, 创新出二次以及二次以上的多种型式的 具有自锁功能的增力机构,如斜楔、螺旋、凸轮等机构,其力传递效率一般较低;而铰杆、杠杆等自锁功能很低或没有绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第3章机械增力机构及其串联组合 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。另外由前述的图例及计算分析可以看出,对称机构无论从结构刚性还是传递 效率上都明显高于

42、非对称机构,而且给人以美感,因此在机构创新中我们当尽量 遵循这一自然定律。第4章手动夹具替代机动夹具的途径 绿色夹具理论体系的构建与技术创额 第4章手动夹具替代机动夹具的途径本章我们介绍了两种手动夹具代替机动夹具的途径,一是利用多级串联增力 机构将人手的作用力放大,以达到输出力要求;二是通过手动冲击的方式来弥补 人手所能提供的作用力有限的问题。4.1技术背景从能源形势上看,手动夹具的绿色化程度是最高的。但长期以来其设计创新 直踏步不前,究其原因主要在于:(1目前工程设计人员盲目追求自动化,认为手动是落后的标志,因而不假 思索的选择了液动或气动方式;(2认为手动提供的夹紧力有限,无法满足较大夹紧

43、力的要求。本节我们将从以下几方面着手对手动夹具的技术进行研究探讨(1创新出基于多级串联增力机构的手动夹具;(2将手动冲击的方式引入到夹具的设计中来。4.2基于多级串联增力机构的手动夹具第三章中我们介绍了多级串联增力机构的设计方法,并给出了许多设计实 例,只要添加必要的手动及夹紧元件,我们就可以设计出漂亮的手动夹具,下面 我们通过典型案例加以说明。 工作原理图41为基于偏心凸轮与钢球.双锥面增力机构的手动夹具“2J。由图可见,该 机构主要由带手柄的偏心凸轮、固定套筒、圆锥体、传力钢球、导向板及力输出 件组成。人手作用于手柄球头上的力晶,经过手柄杠杆机构的一次增力(长度效 应和偏心凸轮的二次增力(

44、角度效应,以及外锥面与钢球之间、钢球与内锥面 之间的三次和四次增力(均为角度效应,通过力的输出件作用于工件之上实现夹绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第4章手动夹具替代机动夹具的途径 紧。其中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。偏心轮圆锥体固定套筒钢球力输出件复位弹簧导向板工件图4-1基于偏心凸轮与钢球一双锥面增力机构的手动夹具工作原理图增力比计算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i。,的计算公式为i.,=;一 (4.

45、1 P L4II“式中a一力输出点处偏心凸轮的升角,口=咖羔(e为偏心距,R为偏 心轮的半径,口如图4-1所示;第4章手动夹具替代机动夹具的途径 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 p偏心轮转动中心与其力输出点间的距离,p=撕Fij西i鬲万。 根据参考文献【9】,该机构的实际增力系数的计算公式为一l 2两砥i再石习 42 式中 纪一偏心轮在力输出点处与圆锥体上平面之间的摩擦角;皱一转轴处(D2的摩擦角。根据正交增力机构的定义,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。钢球-双锥面增力机构的理论增力系数i。 与实际增力系数如的计算公式1131为屯=1+面竞忑

46、3 铲考玺(,+南。, 式中 f一外锥面与钢球、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;八五一压力角,如图4-1所示。图4-1所示手动夹具的扩力部分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j,从数值上应为ipl与ip2的乘积,即t , 一L +t a n go×考釜(,+一tanytanZs, 91一,z+笪L1j 力传递效率计算机构的力传递效率叩从数值上应为实际增力系数t与理论增力系数i之比值。 显然,偏心凸轮机构的力传递效率仉为、 矾=-旦罢一 (4.6 矾5面再而面 46 钢球-双锥面增力机构的力传递效率r/:为绿

47、色夹具理论体系的构建与技术创新 第4章手动夹具替代机动夹具的途径 图4-1所示手动夹具的总的力传递效率叩=矾叩:,即【4.7 (4.8设e=30mm,R=30mm,=90(计算得口=6.34,以=致=6。,厂=0.1,代入 公式(4.5、(4.8,经matlab编辑运算后可得出该手动夹具的实际增力比曲线及 效率曲线,如图4-2、4.3所示。 自锁与输出位移的讨论图4.1所示手动夹具要求偏心凸轮应当自锁,而钢球则要求不自锁。由参考 文献可知压紧装置的自锁条件为:e妻(D+d (4.9 、 , 、 D一偏心轮直径d一转轴直径而钢球.双锥面增力机构不能自锁,钢球不自锁的条件为:五arctan筹 (5

48、.o 如果取f=O.10,则t须大于12。为保证输出位移不至于太小及钢球不自锁,我们选取,=8。,A=15,根据 式(4.8,可计算得该手动夹具的力传递效率系数叩“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=200ram,根据式(4.5,我们可计算 得该手动夹具的实际增力系数ip=328。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。第4章手动夹具替代机动夹具的途径 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 图4-2压力角Y、与实际增力系数的关系 图4-3压力角与实际效率的关系

49、4.3冲击式手动夹具手动夹具获得较大输出力的方式有两种,除了利用多级串联增力机构外,我绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第4章手动夹具替代机动夹具的途径 们还可以通过手动冲击的方式114l来获得,并配以自锁机构,在获得较大夹紧力的 同时,保证对工件的可靠夹紧。第一种途径我们前面已经进行了详细的阐述,第 二种途径是本节研究的重点。参考文献“51给出了一种以平面.平面组合角度效应为基本原理、以圆柱体为 夹紧元件的自锁型敲击式钻模。我们在对其进行分析研究后,以提高和完善功能 为目标,进行了结构改进,并进行了力学分析与计算。在此基础上,我们又设计 了以圆柱.圆锥面组合角度效应为基本原理的冲击式自锁夹具

50、114I。该夹具在结构 上更为简约,而且制造工艺性极好。下面结合图例,介绍这两种夹具的工作原 理,并进行分析对比。基于平面.平面组合角度效应、以圆柱体为夹紧元件的冲击式自锁夹具的工作原理,如图4.4所示。工件在侧面与底面的两块定位板上获得正确定位后,将夹紧圆柱塞入斜支承板与工件之间,而后人手通过工具给夹紧圆柱上部施加一个瞬间冲击力E:由于倾斜角口的作用,夹紧圆柱将在水平方向给工 件施加一个夹紧力F。如果倾斜角 图4-4基于平面一平面组合氟度效应的手动冲击式自锁式夹具钻套 钻模扳 工件 夹紧圆柱 斜支承板 定位板 夹具体口在自锁范围内的话,工件将被可靠夹紧。此后便可由钻套引导钻头进行切削加 工。

51、当钻孔完成之后,只需在夹紧圆柱底部施加一个向上的瞬间冲击力,即可抽 出夹紧圆柱,从而卸下工件。显而易见,由于摒弃了传统的夹紧机构,而仅采用一只简单的圆柱体作为夹 紧元件,所以使得该夹具相对于一般夹具,在结构上变得相对简约,且操作也较 为方便。但是,图4-4所示夹具中的夹具体、定位板与斜支承板,都是基于平面组合第4章手动夹具替代机动夹具的途径 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 的几何形体。而平面的加工工艺性,要显著差于圆柱、圆锥等回转面。因此,在 夹具设计、以至于机械设计中,尽量以回转几何形体代替平面组合几何形体,既 是一个极为重要的设计原则,也是对现有设计进行改进,以及创新设计的一条重 要方法

52、或途径。两只支承圆柱、两只支承圆锥、 两只支承钉及一只定位销(下图 示,下端均以过盈配合安装于夹具 体的相应孔中,钻模板则通过螺母、 垫圈固定在两只支承圆柱上。将工件 首先放置在两只支承钉的上平面上, 然后使其相互垂直的两个定位侧面分 别靠紧两只支承圆柱和定位销(下 图,定位工作即告完成。此后,将 夹紧圆柱塞入工件左侧面和两只支承 圆锥之间,再以人手通过工具给夹紧 圆柱上部施加一个瞬间冲击力R;由髓 靛 应的手动冲击式自锁式夹于圆锥斜角口的角度效应而使夹紧圆柱产生的水平方向力E,便将工件夹紧 虽然图4-4与图45所示两种夹具的工作原理是一样的,但后者相对于 者,具有以下显著优点(1图45所示夹

53、具的主要零件是回转几何形体,其夹具体与钻模板为 状,是最为简单的平面组合几何形体。因此,图45所示夹具不仅制造工艺绿色夹具理论体系的构建与技术创新 第4章手动夹具替代机动夹具的途径 好。成本低.而日制造周期也能大大缩短。图4.5所示夹具的主要缺点是,其结构刚性显著低于图4-4所示夹具。因 此,在一般加工场合,应优先选用图4.5所示夹具;而在切削力大、振动较为剧 烈的场合,应优先选用图4-4所示夹具。图4.4与图45两种夹具的夹紧原理是一样的,均可归类于依靠角度效应增 力的斜楔机构。所以,它们的夹紧力只的计算公式,自然表现为同样的形式。即 F:墨(4.10 tan(a+够+tan cp2式中 口

54、一圆锥体的斜面升角(如图示;仍一圆锥体与夹紧圆柱之间的摩擦角;仍一工件与夹紧圆柱之间的摩擦角。与一般的具有机械增力机构的手动夹具不同的是,上面介绍的两种夹具,不 仅利用斜楔机构的角度效应进行增力,而且人手通过工具给夹紧圆柱施加的瞬间 冲击力R,要远远大于普通手动夹具所允许人手作用力。例如,频繁操作时允许 的人手作用力一般不得大于150N;而人手通过工具给夹紧圆柱施加的瞬间冲击 力,虽然目前尚无实验数据可以借鉴,但大于1500N肯定是轻而易举的。这相当 于增加了一个无形的增力机构。所以,这两种夹具虽然在结构上极为简单,但却 能得到很大的夹紧力。例如,t1"1设瞬间敲击力Fk=1500N

55、?口=5。,仍=妒2=5.7。(摩擦因数 u=0.1时摩擦角的概略数值,根据(4.10式进行计算,夹紧力疋高达5000N 以上。一般手动夹具要获得这样大的夹紧力,不采用较为复杂的多级串联增力机第4章手动夹具替代机动夹具的途径 绿色夹具理论体系的构建与技术创新 构,是无法达到的。通过以上分析计算我们可以得到以下结论:(1根据上述夹具中所体现的创新设计理念与方法,可以根据工程实际需要, 设计出铣削、刨削及平面磨削等不同用途的夹具。(2以回转几何形体代替平砸组合几何形体,能在简化夹具结构的同时,改善 其制造工艺性,从而能大幅度降低夹具制造成本,并显著缩短制造周期。(3上述两种夹具,仅适用于板类零件的

56、定位与夹紧。基于同一创新理念与方 法,设计出适应装夹其它几何形体零件(如轴类零件等的手动冲击式自锁夹 具,是夹具技术绿色化的一个重要研究方向。以圆柱体为夹紧元件的手动冲击式自锁夹具,能得到远大于一般手动夹具的 夹紧力;这就使得该类夹具能在一定场合,代替耗能较高且容易产生污染的气 动、液压等机动夹具。4.4小结手动夹具的绿色化程度毋庸置疑,但要替代机动夹具则需解决自身最大的弱 点即手动作用力不大的问题,本章围绕这一为题展开论述,并给出了两条解决问 题的途径:一是通过多级串联增力机构将手动作用力放大;二是通过手动冲击的 方式获得较大的初始手动力。经分析计算可以看出,基于这两条途径设计的手动 夹具增

57、力效果十分明显,所产生的夹紧力与部分机动夹具相当,甚至更高,从而 说明手动夹具在一定场合代替机动夹具是可行的。第5章气动夹具及气.液复合传动的研究与创新 本章我们以气动夹具替代液动夹具为目标,以克服气动系统压力较低的缺 陷、减少液压系统污染为出发点,提出了三种解决问题的方法。5.1技术背景液压传动之所以在工程实际中应用广泛,是因为它具有许多优点101:(1操作简便、省力,动作迅速,可以减少辅助时间,提高生产效率。(2液压传动易于实现自动化,特别是采用电液和气液传动时,可实现复杂 的自动控制。(3液压装置易于实现过载保护。当液压系统超负荷(或系统承受液压冲击 时,液压油可以经溢流阀排回油箱,系统得到过载保护。(4易于设计、制造。液压元件已实现了标准化、系列化和通用化。液压系 统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也有很大的灵活性。 (5在活塞直径相同的情况下,液压装置提供的夹紧力要比气压传动装置提 供的夹紧力要大得多。液压传动也存在着一些缺点:(1油液泄漏,容易造成环境污染,不能保证严格的传动比。(2