内置杆气压缸驱动的机械增力气动夹具设计分析

1、内置杆气压缸驱动的机械增力气动夹具设计分析气压传统夹具的发展及现状随着现代科技的不断发展及在工业领域的广泛应用， 机械制造业获得高速发展， 但同时也给人类社会和生活环境带来了一些负面影响， 其中典型的是环境污染问题， 因此绿色设计与制造技术将成为未来机械制造业发展的重要方向和超势。其中在机械制造的夹具设计中， 基于气压传动的高效夹具因其无污染、 无泄漏风险、 绿色环保而被现代制造业广泛运用。 通常机床夹具可分为通用夹具、组合夹具、成组专用夹具、专用夹具、随行夹具等几类。 在机床夹具中， 液压传动夹具与气压传动夹具是两种具有代表性的机床夹具， 液压传动夹具是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制

2、， 而气压传动夹具则是用气体作为工作介质来传递能量和进行控制。气压传动具有其突出优点，比如：以气体为工作媒介，来源方便且无污染，工作环境适应性好，空气粘度小，流动阻力小，气动控制动作迅速，反应快，气动元件结构简单，易于加工且使用寿命长，可靠性高，适于标准化、系列化、通用化。此外，气压传动维护简单，管道不易堵塞，不存在介质变质、补充与更换等问题。 在与液压传动的对比中发现， 液压传动在执行元件的输出力、无级变速、可操纵性等方面表现突出，而气压传动则在动作快慢、控制性能、可操纵性、结构简化程度、产品更新及自动化容易程度、寿命、价格、维修成本、环保型等方面表现较为突出。内置杆气压缸工作原理和传动力计

3、算相对于内置杆气缸而言， 外置杆气缸动力是依靠其伸出的活塞杆来传递的， 但其在外观、 形状设计上会使整个系统变得很大，因此将外置杆活塞气压缸改为内置杆式气压缸，并通过在内置杆上增加摇臂杆或直接把内置杆设计成斜楔形式，把气缸压力转化为机械力传递出去。 当外置杆改为内置杆之后， 在内置杆上加工出径向孔， 再间隙配合带有滚动轮的摇臂杆， 此时压缩空气从气压缸左腔进入时， 推动活塞右移动， 进而带动径向孔内滚动轮右运动，在滚动轮的带动下，摇臂杆上端沿固定支点摆动，下端推动滑块沿导向轨道左运动， 进而达到传递力和运动的效果。 其输出力的计算公式为：式中： d 为活塞直径； p 为空气压力；为主动臂长度；

4、为被动臂长度；为气缸的机械效率。虽然利用内置杆气压缸大大简化了结构， 节省了大量的空间，但也存在一些不足，比如：需在活塞杆上开槽，使其结构工艺性比外置杆气压缸更复杂， 此外内置杆气压缸在需要输出较大的位移场合，通常不如外置杆气压缸方便。3 内置杆气压缸驱动的机械增力夹紧装置通过对内置杆气压缸的分析可发现， 内置杆气压缸是一种结构紧凑、 空间利用率较高的新型气压驱动执行元件， 容易实现气缸冲程长度最大化， 运用于机械夹具中具有诸多优势。 随着机械制造及自动化技术的不断发展创新， 内置杆气压缸在不断的研发中，为适应实际机械制作需求，逐渐研究出一级、二级以及多级增力机构，使其适用于不同的生产需求。一

5、次增力机构与内置杆气压缸从基于长度效应的一次增力输出装置来看， 其工作原理是利用杠杆的上下摆动来传递运动， 通常是在内置杆中部加工一个矩形孔， 并在矩形径向孔中以适当的间隙嵌入滚轮， 最终使与滚轮连接的杠杆可绕固定支点上下摆动。 压缩空气从下腔进入时推动活塞上运动，进而内置杆带动滚轮上运动，杠杆做顺时针摆动，进而达到杠杆另一端加紧工件的效果。 其理论输出力 Fot 与实际输出力 Fop 的计算公式分别为：式中分别为气压缸传递效率与杠杆传动效率。从基于角度效应的一次增力输出装置来看， 铰杆机构与斜楔机构最常见，机构的自锁特性是角度效应的增力机构突出优点。基于角度效应的铰杆机构气动夹具工作原理是：

6、 压缩空气从气压缸左腔进入后， 活塞在压缩空气的推动下向右运动， 其运动力则通过铰杆的角度效应获得一次放大， 放大后的运动力传递到力输出件上， 并最终由力输出件完成力输出并作用于工作对象上， 完成夹具加紧效果。实验研究表明，在机械制造中，当机床夹具需要加紧较大的工件时， 采用多点加紧工件的方法能够取得更好的夹持效果。二级增力机构与内置杆气压缸在实际的内置杆气压缸驱动的穿动力夹具设计时， 基于角度- 长度效应的二次增力输出装置常见机构有斜楔- 杠杆二次增力机构与角度铰杆- 杠杆二次增力机构， 斜楔 - 杠杆二次增力机构是通过斜楔将输出力一次增大之后再经过杠杆二次增大， 而角度铰杆-杠杆二次增力机

7、构则是通过角度效应对输出力一次增大之后，再通过杠杆二次放大， 最终达到夹具对工件的夹紧效果。 基于角度-长度效应的二次增力输出装置其斜杆压力角度越小、杠杆增力比越大时，夹具系统的增力越大。就基于长度- 角度效应的二次增力输出装置而言，可由内置杆气压缸、双面斜楔与恒增力杠杆组成。在其工作中，气缸左腔进入压缩空气而右腔内压缩空气释放， 这是内置杆活塞在缸内气压变化中由左腔压缩空气推动而向右运动， 此时连接杠杆的滚轮向右运动，进而带动杠杆另一端的滚轮带动双面斜楔向右运动，最终右边夹具加紧工件， 而此时左边处于放松状态。 因此通过分析可知，在这种二级增力机构条件下，机械工件加工过程中，可通过换向阀控制

8、， 分别对左右边进行轮流装卸。 二级增力加紧装置中斜楔机构保证自锁的条件为：W,常用机床夹具中的取值范围为（57）。3.3 三级增力机构与内置杆气压缸在机械制造行业， 尤其是工程领域范围， 重型机械需要加大的输出力， 而简单的一级增力甚至二级增力无法满足实际生产需求， 这就需要实现三级增力或是多级增力。 机床夹具中多级增力装置设计的困难在于随着增力级数的增加而机械增力装置的体积随之增大，在这种背景下，内置杆气压缸以其简便、体积小的优点， 使其在大输出力装置的研发中不断涉及。 在机床夹具设计中， 内置杆活塞缸与三级增力机构进行组合， 能够在一定程度上解决大输出力多级数机械增力装置体积大的设计困境， 比如： 在工程机械和重型机床等中的设计应用