基于機(jī)電液一體化技術(shù)的綠色夾緊裝置

吳冬敏，沈銘，鐘康民

(蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215021)

工業(yè)生產(chǎn)中使用的夾緊裝置一般都采用液壓傳動(dòng)或氣動(dòng)傳動(dòng)。采用液壓傳動(dòng)方式需要液壓泵提供有壓強(qiáng)的液壓油，采用氣動(dòng)傳動(dòng)方式需要?dú)獗锰峁嚎s空氣。然而，用泵進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)存在能量損耗大、噪聲大、制造和使用成本高、使用場(chǎng)合受泵站位置的影響等不足之處。

另外，采用液壓傳動(dòng)會(huì)不可避免地產(chǎn)生油液的泄漏和揮發(fā)，對(duì)環(huán)境造成很大的污染;油液的泄漏和液體的可壓縮性會(huì)影響執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性;液壓傳動(dòng)中產(chǎn)生較大的能量損失(如泄漏損失、摩擦損失等)，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率較低［1］;沒(méi)有蓄能器保壓的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，在夾緊后的切削加工過(guò)程中，液壓泵仍需要運(yùn)轉(zhuǎn)，以保持對(duì)被夾緊工件的夾緊力，這使能量損耗高［2］。氣壓傳動(dòng)也有一個(gè)較為致命的缺點(diǎn)，即壓縮氣體極容易泄漏，從而導(dǎo)致其工作壓力較低(一般為0.4～0.7 MPa)。在要求夾緊力較大的場(chǎng)合，往往會(huì)造成夾具的體積過(guò)于龐大，以至于工程結(jié)構(gòu)無(wú)法承受［3］。

由以上分析可見(jiàn)，傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)或氣壓傳動(dòng)與當(dāng)前所倡導(dǎo)的綠色設(shè)計(jì)和綠色制造的理念不相符合。因此，文中創(chuàng)新地提出一種由滑動(dòng)絲桿、機(jī)械鉸桿增力機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)和液壓缸組成的機(jī)電液一體化夾緊裝置。即以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與控制系統(tǒng)相配合，利用機(jī)械鉸桿增力機(jī)構(gòu)的力放大作用［4］和滑動(dòng)絲桿的自鎖作用，使得封閉液壓腔內(nèi)的液壓油產(chǎn)生壓力推動(dòng)活塞桿進(jìn)行夾緊動(dòng)作。實(shí)踐證明:該夾緊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、使用方便、運(yùn)動(dòng)精確、能量消耗低、夾緊效果好且節(jié)能環(huán)保。

1 工作原理

文中設(shè)計(jì)的機(jī)電液一體化綠色夾緊裝置包括伺服電機(jī)、滑動(dòng)絲桿、機(jī)械鉸桿增力機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、輸入液壓缸和輸出液壓缸。其中，伺服電機(jī)的信號(hào)輸入端與控制系統(tǒng)中心相連接，壓力繼電器與輸出液壓腔相連接，壓力繼電器的信號(hào)輸出端與控制系統(tǒng)中心相連接，輸入液壓缸和輸出液壓缸之間為一個(gè)封閉的液壓腔。

圖1為該夾緊裝置的工作原理圖:伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)滑動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)滑動(dòng)絲桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直線上下運(yùn)動(dòng)。在螺母兩側(cè)加工兩個(gè)對(duì)稱的槽，滑塊以適當(dāng)?shù)拈g隙配合置于這兩個(gè)槽中，滑塊的兩端分別對(duì)稱鉸接一根鉸桿。當(dāng)螺母向下運(yùn)動(dòng)，滑塊在孔內(nèi)滑動(dòng)，由于左鉸桿的另一端是與固定鉸支座連接，從而推動(dòng)滑塊在孔內(nèi)向右滑動(dòng)。兩根右鉸桿的另一端和輸入液壓缸中的活塞鉸接在一起，從而推動(dòng)活塞在輸入液壓缸中向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使得封閉液壓腔內(nèi)的液壓油產(chǎn)生壓力推動(dòng)輸出液壓缸中的活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，從而夾緊工件。

圖1 工作原理圖

由于滑動(dòng)絲桿本身具有自鎖作用，在實(shí)施夾緊的過(guò)程中，伺服電機(jī)不需要一直工作，只有當(dāng)壓力繼電器監(jiān)測(cè)到輸出液壓腔中的壓力不夠時(shí)，壓力繼電器會(huì)給連接伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)中心一個(gè)反饋信號(hào)，使得伺服電機(jī)繼續(xù)工作，直至輸出液壓腔中的壓力達(dá)到所需要的壓力值，伺服電機(jī)又停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)工件加工完畢后，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，在復(fù)位彈簧的作用下，輸出液壓腔中的活塞桿向上運(yùn)動(dòng)復(fù)位，液壓油回流到輸入液壓缸中，輸入液壓缸中的活塞復(fù)位，經(jīng)鉸桿驅(qū)動(dòng)滑塊后螺母向上直線運(yùn)動(dòng)復(fù)位完成對(duì)一個(gè)工件的裝夾。該夾緊裝置可以同時(shí)夾緊一個(gè)工件或多個(gè)工件。

2 力學(xué)計(jì)算

對(duì)圖1所示夾緊裝置建立力學(xué)模型，其實(shí)際輸出力Fop的計(jì)算公式為:

式中:α為鉸桿的理論壓力角;

φ1為鉸桿副的當(dāng)量摩擦角，即r為鉸鏈軸半徑，l為鉸桿上兩鉸鏈孔的中心距，f為鉸鏈副的摩擦因數(shù)［5］。

M為伺服電機(jī)的輸出扭矩，，P為功率，n為額定轉(zhuǎn)速;

d2為滑動(dòng)絲桿的中徑;

λ為滑動(dòng)絲桿的升角;φ0為滑動(dòng)絲桿的當(dāng)量摩擦角;D1為輸入液壓缸活塞直徑;D2為輸出液壓缸活塞直徑。

3 應(yīng)用舉例

選擇伺服電機(jī)的功率P=5 kW，n=3 000 r/min，則伺服電機(jī)的輸出扭矩為M=15.92 N·m。理論上講鉸桿機(jī)構(gòu)的理論壓力角α越小越好，在工程實(shí)際中，一般取αmin=3°～5°［6］。取α=5°，r=5 mm，l=100 mm，f=0.1，則φ1=0.57°。滑動(dòng)絲桿自鎖的條件為滑動(dòng)絲桿的升角λ小于滑動(dòng)絲桿的當(dāng)量摩擦角φ0，取d2=40 mm，λ=2°，φ0=3°。輸入和輸出液壓缸活塞直徑分別為D1=100 mm，D2=80 mm。將上述數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到圖1所示夾緊裝置的實(shí)際輸出力約為Fop=80 kN。

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反求，假設(shè)在輸出液壓缸直徑D2=80 mm不變的條件下，要獲得等同于圖1所示夾緊裝置實(shí)際輸出力Fop=80 kN，經(jīng)計(jì)算所需液壓系統(tǒng)壓力必須高達(dá)p=16 MPa。假設(shè)在液壓系統(tǒng)工作壓力為p=2.5 MPa不變的條件下，要獲得等同于圖1所示夾緊裝置實(shí)際輸出力Fop=80 kN，如采用傳統(tǒng)的液壓缸活塞直接進(jìn)行力的輸出方式，經(jīng)計(jì)算所需液壓缸直徑必須為D=202 mm。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，由滑動(dòng)絲桿、機(jī)械鉸桿增力機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)和液壓缸組成的機(jī)電液一體化夾緊裝置的力增大效果非常顯著，在輸出力及液壓缸直徑一定的條件下，能顯著降低系統(tǒng)壓力;在輸出力及系統(tǒng)壓力一定的條件下，則能顯著減小液壓缸的直徑。

4 結(jié)論

文中創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)電液一體化綠色夾緊裝置具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)，且綠色化特征明顯:

(1)通過(guò)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，精度高、剛性好、效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便以及無(wú)污染。

(2)輸入液壓缸和輸出液壓缸之間采用封閉靜壓傳遞，不存在液壓泵和開(kāi)放式油箱，沒(méi)有油液的揮發(fā)和泄漏，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染。

(3)滑動(dòng)絲桿本身具有自鎖作用，當(dāng)夾緊裝置在實(shí)施夾緊的過(guò)程中，伺服電機(jī)不需要一直工作，能量消耗低，具有良好的節(jié)能效果。

(4)機(jī)械鉸桿增力機(jī)構(gòu)具有力放大效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明文中設(shè)計(jì)的夾緊裝置所產(chǎn)生的力學(xué)性能明顯要高于傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)技術(shù)。該夾緊裝置既適用于壓力機(jī)、油壓機(jī)、液壓機(jī)及大型機(jī)床的夾具中，也適用于所需輸出力較大且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場(chǎng)合。

(5)將夾緊裝置與控制系統(tǒng)相配合，輸出力容易檢測(cè)，反饋及時(shí)，可使活塞桿在運(yùn)行的過(guò)程中能隨時(shí)加速、減速或停止，動(dòng)作靈活自由，下死點(diǎn)重復(fù)定位精度高，壓力機(jī)的柔性和適應(yīng)性更好［7］。

［1］袁廣，張勤．液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2008:3－6．

［2］高新新，郭旭紅，黃星．一種綠色化的氣動(dòng)－液壓－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)夾具［J］．機(jī)床與液壓，2013，41(2):110－111．

［3］吳凡，鐘康民．基于三次正交鉸桿增力機(jī)構(gòu)的綠色氣動(dòng)夾具設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2011，39(7):46－47．

［4］司廣琚，王明娣，鐘康民．基于氣動(dòng)肌腱與二次正交鉸桿增力機(jī)構(gòu)的夾具系統(tǒng)［J］．機(jī)械制造，2008(4):68－70．

［5］林文煥，陳本通．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1987．

［6］盛小明，鐘康民．基于無(wú)桿活塞缸與機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)夾具［J］．蘇州大學(xué)學(xué)報(bào):工科版，2006(6):54－57．

［7］樊紅梅，孫宇，李林．伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］．鍛壓技術(shù)，2007(8):113－116．