气动肌腱驱动的形封闭偏心轮机构和杠杆式压板的绿色夹具

吴冬敏 钟康民

（苏州大学，江苏苏州 215021）

在常见的夹紧机构中，偏心夹紧机构不仅具有自锁和力放大的功能，而且具有结构简单、操作方便和夹紧动作快速等优点。因此，偏心夹紧机构在机械制造行业中受到广泛应用。

气动肌腱是一种功率/质量比大、功率/直径比大、能提供双向拉力的新型气动柔性执行元件。与传统气缸相比，它有很大的初始拉伸力;与液压缸相比，它重量轻、惯性小、抗污和抗尘能力强、摩擦小、无相对运动部件、无易损件、无泄漏现象，是一种准绿色的驱动元件。由于这些优越性，近年来气动肌腱的使用越来越广泛［1］。

文献［2］介绍了一种将形封闭偏心轮机构和气动肌腱相结合的新型夹具，充分发挥了两者的长处。该夹具具有自锁功能、结构紧凑简单、力放大效果显著等特点。但该夹具的主要缺点是:①在工件表面上会产生一个与夹紧作用分力相垂直的水平分力，使力输出件与导轨之间产生较大的转矩，破坏定位，容易造成摩擦损失;②当该夹具往复运动频率偏高时，由于出现这个水平阻力，容易产生剧烈的振动。鉴于此，本文设计了一种将气动肌腱驱动的形封闭偏心轮与杠杆式压板相串联的绿色夹具。

1 工作原理

图1所示为气动肌腱驱动的形封闭偏心轮机构与恒增力杠杆机构串联组合的夹具。其工作原理为:在偏心轮手柄上连接了两个对称的气动肌腱，并接以一个二位四通阀来控制这两个气动肌腱的工作状态，达到夹紧与放松的效果。在杠杆压板的左端加工一个孔，将偏心轮置于该孔中，并可绕固定轴转动。当在图1所示的工作状态，左边的气动肌腱在压缩空气的作用下产生收缩力，驱动偏心轮绕O1作逆时针转动，强制带动杠杆式压板的左端绕固定铰支座O2摆动且向下运动，压板上的固定销将力传递给半圆形力输出件，半圆形力输出件向下移动夹紧工件;当二位四通阀处于右位时，右边的气动肌腱在压缩空气的作用下产生收缩力，驱动偏心轮绕O1作顺时针转动，强制带动杠杆式压板的左端绕固定铰支座O2向上摆动，从而带动半圆形力输出件向上移动，实现对工件的放松。

2 力学计算

假设由气动肌腱产生的收缩力为F，考虑摩擦损失，通过建立力学模型，如图1所示夹具的实际增力系数iop［3］为

则该夹具的实际输出力F0为

3 应用举例

假定上述参数不变，选取FESTO系列产品中型号为MAS－20的气动肌腱为驱动元件，当气压为0.5 MPa，其产生的最大收缩力Fmax=1 200 N，最小收缩力为Fmin=220 N［5］。若取F=500 N，则该夹具所产生的输出力F0=21 000 N。如果采用压力为0.5 MPa的气缸直接作用，要产生相同大小的作用力，经计算可得气缸的直径为D=231 mm，而图1所示夹具中气动肌腱的自由状态直径仅为20 mm。由此可见，在需要输出力较大且结构尺寸受限制的场合该装置可以代替气压夹紧机构。

4 结语

在现代机械设计中，机构的高效与节能成为绿色化设计的一项重要性能指标。本文设计的基于气动肌腱驱动的形封闭偏心轮机构与杠杆式压板串联组合的夹具具有结构简单，力传递效率高，节能效果显著，操作方便，夹紧动作快，运动平稳，冲击小等特点。能够有效地克服气压传动压力小、液压传动系统容易产生污染的缺点，可以广泛应用于需要较大输出力、尺寸受限制的场合，是一种绿色环保无污染的夹具。同时将偏心轮机构与杠杆式压板进行组合使用，为杠杆机构的应用开辟了更广阔的前景。

［1］秦培亮，钟康民．气动肌腱驱动的基于曲杠杆－铰杆的增力压紧装置［J］．机械制造，2010（12）:64－65．

［2］鹿霖，钟康民．气动肌腱驱动的形封闭偏心夹紧装置［J］．液压与气动，2008（3）:31－32．

［3］长春第一汽车制造厂工装设计室．机械夹具设计原理［M］．长春:吉林人民出版社，1976．

［4］林文焕，陈本通．机床夹具设计［M］．北京:国防工业出版社，1987．

［5］王雄耀．介绍一种气动新产品－仿生气动肌肉腱［J］．液压气动与密封，2002（1）:31－35．