氣動肌腱驅動的形封閉偏心輪機構和杠桿式壓板的綠色夾具

吳冬敏 鐘康民

（蘇州大學，江蘇蘇州 215021）

在常見的夾緊機構中，偏心夾緊機構不僅具有自鎖和力放大的功能，而且具有結構簡單、操作方便和夾緊動作快速等優點。因此，偏心夾緊機構在機械制造行業中受到廣泛應用。

氣動肌腱是一種功率/質量比大、功率/直徑比大、能提供雙向拉力的新型氣動柔性執行元件。與傳統氣缸相比，它有很大的初始拉伸力;與液壓缸相比，它重量輕、慣性小、抗污和抗塵能力強、摩擦小、無相對運動部件、無易損件、無泄漏現象，是一種準綠色的驅動元件。由于這些優越性，近年來氣動肌腱的使用越來越廣泛［1］。

文獻［2］介紹了一種將形封閉偏心輪機構和氣動肌腱相結合的新型夾具，充分發揮了兩者的長處。該夾具具有自鎖功能、結構緊湊簡單、力放大效果顯著等特點。但該夾具的主要缺點是:①在工件表面上會產生一個與夾緊作用分力相垂直的水平分力，使力輸出件與導軌之間產生較大的轉矩，破壞定位，容易造成摩擦損失;②當該夾具往復運動頻率偏高時，由于出現這個水平阻力，容易產生劇烈的振動。鑒于此，本文設計了一種將氣動肌腱驅動的形封閉偏心輪與杠桿式壓板相串聯的綠色夾具。

1 工作原理

圖1所示為氣動肌腱驅動的形封閉偏心輪機構與恒增力杠桿機構串聯組合的夾具。其工作原理為:在偏心輪手柄上連接了兩個對稱的氣動肌腱，并接以一個二位四通閥來控制這兩個氣動肌腱的工作狀態，達到夾緊與放松的效果。在杠桿壓板的左端加工一個孔，將偏心輪置于該孔中，并可繞固定軸轉動。當在圖1所示的工作狀態，左邊的氣動肌腱在壓縮空氣的作用下產生收縮力，驅動偏心輪繞O1作逆時針轉動，強制帶動杠桿式壓板的左端繞固定鉸支座O2擺動且向下運動，壓板上的固定銷將力傳遞給半圓形力輸出件，半圓形力輸出件向下移動夾緊工件;當二位四通閥處于右位時，右邊的氣動肌腱在壓縮空氣的作用下產生收縮力，驅動偏心輪繞O1作順時針轉動，強制帶動杠桿式壓板的左端繞固定鉸支座O2向上擺動，從而帶動半圓形力輸出件向上移動，實現對工件的放松。

2 力學計算

假設由氣動肌腱產生的收縮力為F，考慮摩擦損失，通過建立力學模型，如圖1所示夾具的實際增力系數iop［3］為

則該夾具的實際輸出力F0為

3 應用舉例

假定上述參數不變，選取FESTO系列產品中型號為MAS－20的氣動肌腱為驅動元件，當氣壓為0.5 MPa，其產生的最大收縮力Fmax=1 200 N，最小收縮力為Fmin=220 N［5］。若取F=500 N，則該夾具所產生的輸出力F0=21 000 N。如果采用壓力為0.5 MPa的氣缸直接作用，要產生相同大小的作用力，經計算可得氣缸的直徑為D=231 mm，而圖1所示夾具中氣動肌腱的自由狀態直徑僅為20 mm。由此可見，在需要輸出力較大且結構尺寸受限制的場合該裝置可以代替氣壓夾緊機構。

4 結語

在現代機械設計中，機構的高效與節能成為綠色化設計的一項重要性能指標。本文設計的基于氣動肌腱驅動的形封閉偏心輪機構與杠桿式壓板串聯組合的夾具具有結構簡單，力傳遞效率高，節能效果顯著，操作方便，夾緊動作快，運動平穩，沖擊小等特點。能夠有效地克服氣壓傳動壓力小、液壓傳動系統容易產生污染的缺點，可以廣泛應用于需要較大輸出力、尺寸受限制的場合，是一種綠色環保無污染的夾具。同時將偏心輪機構與杠桿式壓板進行組合使用，為杠桿機構的應用開辟了更廣闊的前景。

［1］秦培亮，鐘康民．氣動肌腱驅動的基于曲杠桿－鉸桿的增力壓緊裝置［J］．機械制造，2010（12）:64－65．

［2］鹿霖，鐘康民．氣動肌腱驅動的形封閉偏心夾緊裝置［J］．液壓與氣動，2008（3）:31－32．

［3］長春第一汽車制造廠工裝設計室．機械夾具設計原理［M］．長春:吉林人民出版社，1976．

［4］林文煥，陳本通．機床夾具設計［M］．北京:國防工業出版社，1987．

［5］王雄耀．介紹一種氣動新產品－仿生氣動肌肉腱［J］．液壓氣動與密封，2002（1）:31－35．