徐亞鑫，陳再良，楊曉敏

( 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021)

在需要同時(shí)夾緊兩個(gè)工件或一個(gè)工件的兩個(gè)位置時(shí)，人們通常采用浮動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，其中單點(diǎn)鉸接擺動(dòng)油缸的應(yīng)用較多。但是在該結(jié)構(gòu)中，整個(gè)油缸都在運(yùn)動(dòng)，慣量大，而且油缸與活塞之間存在徑向壓力，增大了摩擦，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)加大。

氣動(dòng)夾具在夾緊時(shí)相比油壓耗能大大減少，節(jié)約了能源，同時(shí)不會(huì)因壓力油泄漏而產(chǎn)生污染。由于氣動(dòng)可以提供的壓力不是太大，在需較大夾緊力的情況下可以采用串聯(lián)機(jī)械增力裝置的方式來(lái)獲得較大的夾緊力。作者設(shè)計(jì)了幾種氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，使得氣缸固定，減小了運(yùn)動(dòng)慣量，從而減小了振動(dòng)和噪聲，同時(shí)獲得所需的夾緊力。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣動(dòng)單缸雙活塞杠桿力放大側(cè)向雙工位夾緊

通過(guò)活塞帶動(dòng)杠桿進(jìn)行一次力放大，實(shí)現(xiàn)側(cè)向雙工位夾緊。當(dāng)兩工位距離較遠(yuǎn)時(shí)可以采用這種夾緊裝置。

工作過(guò)程如圖1 所示，當(dāng)換向閥處于左邊時(shí)，氣泵輸送過(guò)來(lái)的壓縮空氣進(jìn)入氣缸的兩活塞中間部分，推動(dòng)左邊的活塞向左運(yùn)動(dòng)、右邊的活塞向右運(yùn)動(dòng)，活塞桿帶動(dòng)滾輪通過(guò)杠桿、連桿向工件施加夾緊力?；钊c杠桿的連接采用了高副機(jī)構(gòu)，避免了氣缸與活塞的摩擦，減少了力損失，同時(shí)也減小了振動(dòng)。

圖1 氣動(dòng)單缸雙活塞側(cè)向雙工位夾緊

夾緊力的計(jì)算:

杠桿部分對(duì)力的放大倍數(shù)為:

其中:D 為活塞直徑，p 為提供的氣壓壓力，l1和l2為圖中所示杠桿的長(zhǎng)度，η1和η2分別為活塞部分效率和杠桿部分效率。

從圖2 可以看出:放大倍數(shù)與l1/ l2成正比關(guān)系。由于結(jié)構(gòu)原因，l1/ l2不可能無(wú)限大，一般杠桿的單級(jí)放大倍數(shù)不會(huì)超過(guò)10，從而限制了力的放大倍數(shù)。

圖2 放大倍數(shù)k 與l1/ l2 的關(guān)系示意圖

1.2 氣動(dòng)單缸雙活塞肘桿力放大雙點(diǎn)浮動(dòng)向下夾緊機(jī)構(gòu)

對(duì)于圖1 所示結(jié)構(gòu)，力的放大倍數(shù)取決于l1/ l2，由于是氣動(dòng)，提供的夾緊力不是特別大。為了增大力的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)了圖3 所示肘桿力放大機(jī)構(gòu)。當(dāng)兩工位距離較大且向下夾緊時(shí)可以采用該結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，活塞通過(guò)滾輪再經(jīng)過(guò)肘桿將力施加于工件上。

圖3 氣動(dòng)單缸雙活塞肘桿力放大向下夾緊

其夾緊力的計(jì)算式為:

肘桿部分對(duì)力的放大倍數(shù)為:

其中:α 為圖3 中所示連桿與夾緊力方向的夾角，η2為連桿機(jī)構(gòu)的效率，其他與式(1)中相同。

從圖4 可知:從理論上講，只要α 足夠小，就可以將力無(wú)限放大。但實(shí)際上α 較小時(shí)難以控制，當(dāng)α 需要小于5°時(shí)一般不考慮使用這種結(jié)構(gòu)，而α等于5°時(shí)力放大倍數(shù)為5.715 倍，在夾緊力要求不高的時(shí)候，可以采用這種結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)在夾緊過(guò)程中，α 由大變小，當(dāng)處于α 較大位置處時(shí)，夾緊裝置與其導(dǎo)軌之間的摩擦較大。如果夾緊行程較大，90° －α 小于其摩擦角時(shí)將發(fā)生自鎖，不能夾緊?？梢詫A緊裝置與其軌道之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，用高副代替低副。由于滾動(dòng)摩擦摩擦因數(shù)小，摩擦角小，從而α 可以取得很大。

圖4 放大倍數(shù)k 與α 之間的關(guān)系示意圖

圖1中當(dāng)機(jī)構(gòu)確定后，要改變夾緊力只能通過(guò)改變氣壓，而圖3 中機(jī)構(gòu)可以通過(guò)控制夾緊時(shí)α 的大小來(lái)改變夾緊力，可以根據(jù)實(shí)際需要選用。

1.3 單缸雙活塞連桿杠桿二次力放大向中間夾緊機(jī)構(gòu)

為了得到更大的夾緊力，可以增加杠桿進(jìn)行二次力放大，而且可以改變施力的方向。如圖5 所示結(jié)構(gòu)，增加彎杠桿，可以實(shí)現(xiàn)向中間夾緊。當(dāng)改變杠桿形狀時(shí)還可以改變施力的方向，例如將彎杠桿改成直杠桿就可以實(shí)現(xiàn)向上夾緊。

圖5 單缸雙活塞連桿杠桿二次力放大向中間夾緊

其夾緊力計(jì)算式為:

其中:α 為圖5 中所示連桿與夾緊力方向的夾角，η2為連桿機(jī)構(gòu)的效率，η3為杠桿效率，其他與式(1)中相同。

2 結(jié)論

在氣動(dòng)或液壓兩點(diǎn)夾緊裝置中經(jīng)常出現(xiàn)其中一個(gè)工件夾不到或夾不緊的現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，采用浮動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。

通常的解決方案是將整個(gè)缸體單點(diǎn)鉸接，但缸體慣量較大，帶來(lái)較大振動(dòng)。作者設(shè)計(jì)了3 種氣缸固定的單缸雙活塞氣動(dòng)夾緊裝置，利用流體自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男再|(zhì)解決自由度不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了兩點(diǎn)的浮動(dòng)夾緊。

(1)文中采用的是氣動(dòng)夾緊，由于氣動(dòng)夾緊力不大，通過(guò)機(jī)械增力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力放大，經(jīng)過(guò)氣缸中氣體的自補(bǔ)償浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)可靠夾緊。

圖1 和圖3 中所示裝置進(jìn)行了一次力放大，在夾緊力要求不是很高的條件下可以選用。圖3 中機(jī)構(gòu)還可以通過(guò)改變夾緊時(shí)α 的大小來(lái)控制夾緊力，在氣壓不變的前提下仍能改變夾緊力，從而方便了實(shí)際應(yīng)用。圖5 中的裝置通過(guò)連桿與杠桿實(shí)現(xiàn)了兩次力放大，可以得到較大的夾緊力，而且通過(guò)改變杠桿的形狀可以改變夾緊力的方向，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

(2)采用氣動(dòng)夾緊，沒(méi)有漏油及油的揮發(fā)污染;不需要油箱，減小了體積;氣動(dòng)可以直接由氣壓保持夾緊力，不像液壓夾緊那樣需要持續(xù)供油，節(jié)約了能源。

(3)在氣缸與連桿或杠桿連接時(shí)采用了高副，消除了氣缸與活塞之間明顯的徑向壓力，從而減小了壓力損失和磨損。

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