摘 要: 设计了一种由三级力放大机构和无杆缸组成的气动夹具系统，力的放大基于三个角度完成。该三级力放机构具有结构简单、布置紧凑的优点,将其应用于气动夹具中，能够显著减小气缸的直径；或是在气缸直径相同的条件下，夹具的输出力得到了明显的提高。为解决气动夹具体积过大这一棘手问题提供了新的思路。
关键词: 夹具 ; 气压传动 ; 力放大机构
1 前 言
气动夹具因其使用清洁型的压缩空气作为工作介质，具有成本低、无污染、安全、可靠性高和使用寿命长等优点，被称为“绿色夹具”。将其与PLC控制结合，可实现高度的自动化装夹，广泛应用于各种自动化设备的夹紧装置中。然而气体的可压缩性又使气动系统得工作压力不高（一般p≤0.8MPa），如何使气动系统和机械系统配合，以达到更高的夹紧力，使设备完成更多的工作，是人们追寻的一个目标。
本文介绍基于三级力放大机构与无杆活塞缸的气动夹具，用固定式无杆活塞缸提供动力，配合各种力放大机构，在气动系统压力一定的情况下，弥补气源压力不高的缺陷，在某些场合可以代替容易产生污染的液压夹具。
2 结构及工作原理
如图1所示：当气动换向阀处于左位时，压缩空气进入气缸左腔，迫使斜楔活塞8向右移动。在斜楔活塞8斜面的作用下，通过传力轴承7的作用，迫使锥球头滑柱5向上运动，进而推动钢球4作向上运动；其上方的压紧件输出力Fo，将工件夹紧。当气动换向阀切换至右位时，活塞向左运动，压紧件1、钢球4和锥球头滑柱5可通过弹簧2作用自动复位，使加工完毕的工件得以松开。
为了使压紧件具有足够的工作行程，采用带有两个不同楔角的斜楔活塞。在滑柱下部安装一传力轴承，其目的是改善运动性能。钢球数量为三个，在进行具体结构设计时应采用保持等分的机构。钢球与夹具体斜面的夹角β也不能太小（一般取15°—30°），以免产生自锁而不能自动回位。这种传动方案不要求自锁，在一定的行程要求和力放大倍数下，合理的分配各级放大系数，即可降低机构尺寸。
3 力学计算
一级传动采用斜楔夹紧机构，二、三级传动基于两三个角度增力。
3.1 活塞与滑柱部分设计（一级）
按图1进行机构设计。一级传动采用图2传力形式，既可以满足传力效果，又使机构结构简单、紧凑。
3.2 滑柱与钢球传动设计（二、三级）
采用“钢球—锥头滑柱”传力，可使夹具结构紧凑，摩擦损失较小，且增力倍数较大。基于两个角度的增力，完成了二、三级放大。
（1）钢球受力分析
对钢球进行受力分析可得：
实际工程问题中，弹簧作用力相对极小，在具体计算时忽略。
4 应用举例
由公式（7）可见，图1所示夹具具有较大的放大系数。
5 结束语
（1）该机构结构简单紧凑，技术性能较为完善，制造工艺简便，刚性较好。
（2）利用三级增力机构的力放大功能，在输出力一定的条件下，可显著降低气动系统的压力，或显著减小整个系统的体积；在系统压力一定的条件下，则可显著提高输出力。
（3）利用双斜面-钢球增力机构，适当调整α、β角度，得到不同的放大倍数及体积，满足不同的生产需要。在失去良好润滑条件下，仍可获得较大增力倍数。
（4）斜面-钢球-斜面-钢球三级增力机构的增力效果，显著高于同类的一级及二级增力机构[3~4]，设计夹具时应优先选用。
（5）机构适应性强，可在条件恶劣的情况下工作；通用性强，适用于一般机床。在某些场合，用其代替容易产生污染的液压传动夹具，能够适应现代传动技术向绿色化方向发展的潮流，具有较大的推广价值和应用前景。
参考文献
[1] 杨黎明.机床夹具设计手册[M].北京：国防工业出版社,1996(5):192-239.
[2] 李强红,钱志良,钟康民.基于三级串联力放大机构的气动夹具设计及应用[J].制造技术与机床,2003(5).
[3] 钟康民,宋强,郭培全.钢球增力液压夹具[J].制造技术与机床，1999(11).
[4] 芮丰.新颖的滚珠式力放大机构[J].机械设计,1992(3).
论文作者:刘义宏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/24
标签：夹具论文; 机构论文; 钢球论文; 活塞论文; 斜面论文; 系统论文; 倍数论文; 《科学与技术》2019年第11期论文;