基于單缸雙活塞固定氣缸的兩點浮動夾緊裝置

徐亞鑫，陳再良，楊曉敏

( 蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215021)

在需要同時夾緊兩個工件或一個工件的兩個位置時，人們通常采用浮動夾緊機構，其中單點鉸接擺動油缸的應用較多。但是在該結構中，整個油缸都在運動，慣量大，而且油缸與活塞之間存在徑向壓力，增大了摩擦，使得整個結構沖擊振動加大。

氣動夾具在夾緊時相比油壓耗能大大減少，節(jié)約了能源，同時不會因壓力油泄漏而產(chǎn)生污染。由于氣動可以提供的壓力不是太大，在需較大夾緊力的情況下可以采用串聯(lián)機械增力裝置的方式來獲得較大的夾緊力。作者設計了幾種氣動夾緊機構，使得氣缸固定，減小了運動慣量，從而減小了振動和噪聲，同時獲得所需的夾緊力。

1 結構及工作原理

1.1 氣動單缸雙活塞杠桿力放大側向雙工位夾緊

通過活塞帶動杠桿進行一次力放大，實現(xiàn)側向雙工位夾緊。當兩工位距離較遠時可以采用這種夾緊裝置。

工作過程如圖1 所示，當換向閥處于左邊時，氣泵輸送過來的壓縮空氣進入氣缸的兩活塞中間部分，推動左邊的活塞向左運動、右邊的活塞向右運動，活塞桿帶動滾輪通過杠桿、連桿向工件施加夾緊力。活塞與杠桿的連接采用了高副機構，避免了氣缸與活塞的摩擦，減少了力損失，同時也減小了振動。

圖1 氣動單缸雙活塞側向雙工位夾緊

夾緊力的計算:

杠桿部分對力的放大倍數(shù)為:

其中:D 為活塞直徑，p 為提供的氣壓壓力，l1和l2為圖中所示杠桿的長度，η1和η2分別為活塞部分效率和杠桿部分效率。

從圖2 可以看出:放大倍數(shù)與l1/ l2成正比關系。由于結構原因，l1/ l2不可能無限大，一般杠桿的單級放大倍數(shù)不會超過10，從而限制了力的放大倍數(shù)。

圖2 放大倍數(shù)k 與l1/ l2 的關系示意圖

1.2 氣動單缸雙活塞肘桿力放大雙點浮動向下夾緊機構

對于圖1 所示結構，力的放大倍數(shù)取決于l1/ l2，由于是氣動，提供的夾緊力不是特別大。為了增大力的放大倍數(shù)，設計了圖3 所示肘桿力放大機構。當兩工位距離較大且向下夾緊時可以采用該結構。工作時，活塞通過滾輪再經(jīng)過肘桿將力施加于工件上。

圖3 氣動單缸雙活塞肘桿力放大向下夾緊

其夾緊力的計算式為:

肘桿部分對力的放大倍數(shù)為:

其中:α 為圖3 中所示連桿與夾緊力方向的夾角，η2為連桿機構的效率，其他與式(1)中相同。

從圖4 可知:從理論上講，只要α 足夠小，就可以將力無限放大。但實際上α 較小時難以控制，當α 需要小于5°時一般不考慮使用這種結構，而α等于5°時力放大倍數(shù)為5.715 倍，在夾緊力要求不高的時候，可以采用這種結構。

該結構在夾緊過程中，α 由大變小，當處于α 較大位置處時，夾緊裝置與其導軌之間的摩擦較大。如果夾緊行程較大，90° －α 小于其摩擦角時將發(fā)生自鎖，不能夾緊。可以將夾緊裝置與其軌道之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，用高副代替低副。由于滾動摩擦摩擦因數(shù)小，摩擦角小，從而α 可以取得很大。

圖4 放大倍數(shù)k 與α 之間的關系示意圖

圖1中當機構確定后，要改變夾緊力只能通過改變氣壓，而圖3 中機構可以通過控制夾緊時α 的大小來改變夾緊力，可以根據(jù)實際需要選用。

1.3 單缸雙活塞連桿杠桿二次力放大向中間夾緊機構

為了得到更大的夾緊力，可以增加杠桿進行二次力放大，而且可以改變施力的方向。如圖5 所示結構，增加彎杠桿，可以實現(xiàn)向中間夾緊。當改變杠桿形狀時還可以改變施力的方向，例如將彎杠桿改成直杠桿就可以實現(xiàn)向上夾緊。

圖5 單缸雙活塞連桿杠桿二次力放大向中間夾緊

其夾緊力計算式為:

其中:α 為圖5 中所示連桿與夾緊力方向的夾角，η2為連桿機構的效率，η3為杠桿效率，其他與式(1)中相同。

2 結論

在氣動或液壓兩點夾緊裝置中經(jīng)常出現(xiàn)其中一個工件夾不到或夾不緊的現(xiàn)象，對其進行改進，采用浮動夾緊機構。

通常的解決方案是將整個缸體單點鉸接，但缸體慣量較大，帶來較大振動。作者設計了3 種氣缸固定的單缸雙活塞氣動夾緊裝置，利用流體自動補償?shù)男再|(zhì)解決自由度不足的問題，實現(xiàn)了兩點的浮動夾緊。

(1)文中采用的是氣動夾緊，由于氣動夾緊力不大，通過機械增力機構實現(xiàn)力放大，經(jīng)過氣缸中氣體的自補償浮動實現(xiàn)可靠夾緊。

圖1 和圖3 中所示裝置進行了一次力放大，在夾緊力要求不是很高的條件下可以選用。圖3 中機構還可以通過改變夾緊時α 的大小來控制夾緊力，在氣壓不變的前提下仍能改變夾緊力，從而方便了實際應用。圖5 中的裝置通過連桿與杠桿實現(xiàn)了兩次力放大，可以得到較大的夾緊力，而且通過改變杠桿的形狀可以改變夾緊力的方向，具有較大的應用價值。

(2)采用氣動夾緊，沒有漏油及油的揮發(fā)污染;不需要油箱，減小了體積;氣動可以直接由氣壓保持夾緊力，不像液壓夾緊那樣需要持續(xù)供油，節(jié)約了能源。

(3)在氣缸與連桿或杠桿連接時采用了高副，消除了氣缸與活塞之間明顯的徑向壓力，從而減小了壓力損失和磨損。

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