基于氣動肌肉驅動的肘桿-杠桿串聯力放大夾緊裝置

花建新， 石世宏， 鐘以波

（1.蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215000；2.江南嘉捷電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

在傳統的機床夾具設計中，因為液壓傳動具有傳動平穩穩定、輸出力較大等特點［1］，因此其作為動力源仍然占據非常大的比例。但液壓傳動有油液容易泄漏，造成環境污染等不好的一面。近年來，氣壓傳動使用頻率越來越高，氣壓傳動的傳遞介質是清潔空氣，因此被稱為綠色傳動。但是氣壓傳動也有一個比較致命缺點：氣壓壓力較小，只可達到 0.4～0.7 MPa［2］。

目前出現的仿生氣動肌肉是一種新型氣動元件，它由一根具有能量轉換作用的特殊橡膠管裝置組成，如同動物肌肉那樣可以產生較大較強的收縮力，氣動肌肉的出現突破了氣壓傳動必須由氣體介質推動活塞這一傳統概念的限制，而且與傳統的氣缸相比，由于其不含有活塞、活塞桿、缸筒等零部件，因此沒有內部摩擦運動。當管內通入壓縮空氣后，仿生氣動肌肉可以產生相當于同缸徑氣缸10倍的驚人的拉伸力［3］。

為此，提出了一種肘桿-杠桿力放大機構［4-6］。這種力放大機構可以利用肘桿、杠桿和肘桿的力放大順序，逐級達到三級力放大，可以達到較為理想的力放大效果。另一創新是使用了氣動肌肉，可以有效地提高輸出力。機構具有結構緊湊、對稱美觀［7］、力傳遞效率較高的優點。

1 工作原理

如圖1所示，該裝置由氣動肌肉、肘桿-杠桿增力機構等組成，該設計使用肘桿-杠桿三級機構。當電磁換向閥如圖示位置時，左邊氣動肌肉腔通入壓縮氣體，氣動肌肉產生收縮力，在該驅動力的作用下，通過一級肘桿機構、杠桿機構、二級肘桿機構，總共經歷3次力放大，傳遞到壓緊裝置夾緊工件，對其進行加工。當加工完畢，切換電磁換向閥開關，壓縮氣體進入右壓縮肌肉，機構反向運動，帶動肘桿、杠桿機構復位，松開工件，完成加工過程。

所介紹的這種機構，其杠桿、肘桿三級機構呈對稱布置，可以使輸入力和輸出力徑向平衡，整個機構的摩擦損耗相應減少，力的傳遞效率大幅提高，相關運動機構的使用壽命也得到延長。

圖1 工作原理圖

2 力學分析和計算

建立力學模型，該力放大裝置的理論增力系數為

式中：α、β為肘桿機構理論壓力角（如圖1所示）；l1、l2為杠桿機構主、被動臂長度（如圖1所示）；ηMP為氣動肌肉的機械效率，一般可取 ηMP=0.85［7］；ηMT為肘桿機構的機械效率，一般可取 ηMT=0.90［8］；ηML為杠桿機構的機械效率，可取 ηML=0.97［9］。φ1、φ2為肘桿鉸鏈副當量摩擦角，計算公式為φ=arcsin式中，r為肘鏈軸半徑，l為肘桿上兩肘鏈孔的中心距，f為鉸鏈副的摩擦因數［7］。

3 結語

本文介紹的夾緊裝置，可以極大地提高輸出力，整體機構對稱美觀，結構緊湊。所提出的氣動肌肉這一結構，可以解決氣壓傳動的輸出力不足的問題，從而有效提高系統輸出壓力。

由于未采用液壓傳動，也就避免了液壓油泄漏引起的污染問題，因此本夾緊結構具有綠色環保的優點。

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