基于气动肌肉驱动的肘杆-杠杆串联力放大夹紧装置

2015-05-07花建新石世宏钟以波

机械工程师 2015年1期

花建新，石世宏，钟以波

（1.苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000；2.江南嘉捷电梯股份有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

在传统的机床夹具设计中，因为液压传动具有传动平稳稳定、输出力较大等特点［1］，因此其作为动力源仍然占据非常大的比例。但液压传动有油液容易泄漏，造成环境污染等不好的一面。近年来，气压传动使用频率越来越高，气压传动的传递介质是清洁空气，因此被称为绿色传动。但是气压传动也有一个比较致命缺点：气压压力较小，只可达到 0.4～0.7 MPa［2］。

目前出现的仿生气动肌肉是一种新型气动元件，它由一根具有能量转换作用的特殊橡胶管装置组成，如同动物肌肉那样可以产生较大较强的收缩力，气动肌肉的出现突破了气压传动必须由气体介质推动活塞这一传统概念的限制，而且与传统的气缸相比，由于其不含有活塞、活塞杆、缸筒等零部件，因此没有内部摩擦运动。当管内通入压缩空气后，仿生气动肌肉可以产生相当于同缸径气缸10倍的惊人的拉伸力［3］。

为此，提出了一种肘杆-杠杆力放大机构［4-6］。这种力放大机构可以利用肘杆、杠杆和肘杆的力放大顺序，逐级达到三级力放大，可以达到较为理想的力放大效果。另一创新是使用了气动肌肉，可以有效地提高输出力。机构具有结构紧凑、对称美观［7］、力传递效率较高的优点。

1 工作原理

如图1所示，该装置由气动肌肉、肘杆-杠杆增力机构等组成，该设计使用肘杆-杠杆三级机构。当电磁换向阀如图示位置时，左边气动肌肉腔通入压缩气体，气动肌肉产生收缩力，在该驱动力的作用下，通过一级肘杆机构、杠杆机构、二级肘杆机构，总共经历3次力放大，传递到压紧装置夹紧工件，对其进行加工。当加工完毕，切换电磁换向阀开关，压缩气体进入右压缩肌肉，机构反向运动，带动肘杆、杠杆机构复位，松开工件，完成加工过程。

所介绍的这种机构，其杠杆、肘杆三级机构呈对称布置，可以使输入力和输出力径向平衡，整个机构的摩擦损耗相应减少，力的传递效率大幅提高，相关运动机构的使用寿命也得到延长。

图1 工作原理图

2 力学分析和计算

建立力学模型，该力放大装置的理论增力系数为

式中：α、β为肘杆机构理论压力角（如图1所示）；l1、l2为杠杆机构主、被动臂长度（如图1所示）；ηMP为气动肌肉的机械效率，一般可取 ηMP=0.85［7］；ηMT为肘杆机构的机械效率，一般可取 ηMT=0.90［8］；ηML为杠杆机构的机械效率，可取 ηML=0.97［9］。φ1、φ2为肘杆铰链副当量摩擦角，计算公式为φ=arcsin式中，r为肘链轴半径，l为肘杆上两肘链孔的中心距，f为铰链副的摩擦因数［7］。