气动肌腱驱动的小型压力机

第32卷第3期Vol132　No13

锻　压　技　术　FORGING

&S TAMPING TECHNOLOGY

2007年6月

J un.2007　

气动肌腱驱动的小型压力机3

朱　梅33

(深圳职业技术学院自动化系,广东深圳　518055)

摘要:介绍了一种以单根气动肌腱为驱动装置的压力机增力机构设计方案。利用气动肌腱这种输出力大和安装空间小的柔性驱动器与楔块和铰链连杆机构相结合而组成的增力机构,得到高倍数输出力。该机构是一种传动简单、结构紧凑、噪音小、增力比大且易于实现的驱动机构。气动肌腱具有在短行程中产生高输出力的特点,所以,是一种小型压力机和冲压机的理想驱动器。给出了该机构的工作原理、力学分析和参数计算方法,为小型压力机及台式冲压机提供了一种新的驱动方法。

关键词:气动肌腱;小型压力机;杠杆铰链机构;力学分析

中图分类号:TH138 文献标识码:B 文章编号:100023940(2007)0320092204

Small press driven by pneumatic muscle

ZHU Mei

(Automation Department,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen　518055,China) Abstract:A mechanism of small press driven by a pneumatic muscle was designed1Incremental working force was ob2 taind by combining a pneumatic muscle which could generate high driving force within a small mounting space with a toggle lever mechanism and a wedge1The simple transmission setup,compact structure,low noises and higher force increase ratio could be reached easily by the mechanism1The pneumatic muscle is ideal when used for the actuation of

a small press,because a high force is exerted via a short stroke1The result is suitable for small press and table punch1

The working principle of the mechanism,the force transmission analyses and parameter calculations were shown1This study offered a new drive for the small or table press1

K eyw ords:pneumatic muscle;small press;toggle lever mechanism;mechanics analysis

3深圳市科技计划资助项目(05K Jfb044)

33女,46岁,高级工程师

收稿日期:2006209230;修订日期:2006211228

1　引言

小型压力机做为对小型材料进行切断、冲孔、

落料、弯曲、铆合和成形等工艺的通用型压力加工

设备,在工业中应用广泛。目前,小型压力机常用

的驱动方式有机械式、液压式和气动式。机械式压

力机是通过电动机驱动滑块运动完成冲压过程;液

压式压力机是通过液压原理,驱动液压缸往复运动

完成冲压过程;气动式压力机是以压缩空气为动力

源驱动气液增压缸往复运动。机械式压力机工作往

复频率快,速度高,效率高,一般用于小型冲压设

备完成冲孔和剪切工艺,但结构复杂。液压机能产

生的力比较大,但速度较慢,一般用于拉深、成形

生产,也用于大型零件的冲压和剪切。气压机采用

普通气缸尺寸庞大,而采用气液增压缸价格昂

贵[1-6]。

本文介绍一种采用新型气动执行器———德国

Festo气动肌腱与斜楔及铰链连杆组成的增力机构

做为小型压力机新型驱动方式的设计方法。

2　气动肌腱的特点

气动肌腱是一种模仿生物肌肉运动的新型柔性

气动拉伸驱动器,它由内部橡胶筒和外部特殊纤维

的编织网组成[3]。当向橡胶筒充气加压时,管状薄

膜在圆周方向膨胀,从而在轴向产生收缩运动和拉

伸力。当压力被释放后,高弹性橡胶材料在复原过

程中直径变细,恢复原始位置[2]。与同缸径的常规

气缸相比具有以下优点:初始拉力大幅度增加;拉

力大,重量轻,安装空间小;通过变化压力实现轴

向精确定位;运行平稳;无运动的机械零件,无外

部磨损,无渗漏;对许多介质都具有很强的防腐能

力;可以根据需要制作成任意长度;适合于活动的

使用场合。由于气动肌腱的这些特点,在工业和医

学领域逐渐得到广泛的应用[1],特别适合做为小型

压力机的驱动。

3　压力机机构工作原理

由气动肌腱驱动的压力机机构原理如图1所示。将单根气动肌腱1上端面和双铰链连杆机构2的曲

柄分别固定于机架上,气动肌腱下端面与楔型块4相连接,平衡弹簧3的两端分别固定于铰链连杆机构的中间销轴8上。当从上端面向气动肌腱充入压缩空气时,肌肉收缩产生拉力带动楔块向上运动,由于弹簧3的预紧作用使铰链连杆机构2的滚子9紧压在楔块的斜面上,迫使滚子9沿斜面向下滑动并同时随曲柄绕支点10转动;同时,带动铰链连杆机构2的连杆D A 向下运动,推动滑块5向下运动。气动肌腱产生的收缩力F i 和行程H 经过斜楔机构的倾斜角和铰链连杆机构的角度效应两次放大后传输到输出件即压力机的滑块5上。当压缩空气放气时,气动肌腱会弹性回缩到松弛状态,

滑块

图1　气动肌腱驱动的压力机机构原理简图

11气动肌腱　21杠杆铰链机构　31平衡弹簧　41楔块(M )51滑块　61机座　71铰链　81中间轴销　91滚子　101铰链Fig 11　Mechanism diagram of t he press driven by fluidic muscle

5及铰链连杆机构在平衡弹簧3的作用下回到初始

位置。气动控制回路如图2所示,通过调节减压阀3控制进入气动肌腱的压力,可以精确控制肌肉的收缩长度,从而控制压力机的压力行程。

图3　斜楔及铰链连杆组合机构的受力分析图

(a )铰链点D 的受力情况　(b )连杆DA 的受力情况　(c )楔块的受力情况

Fig 13　Force analysis of t he combination mechanism

(a )Force distribution of D gemel (b )Force distribution of DA linkage lever (c )Force distribution of

wedge

图2　气动控制回路图

11气动肌腱　21两位三通电磁阀　31减压阀　41气源

Fig 12　Pneumatic circuit diagram

4　增力机构受力分析

图3所示为斜楔及铰链连杆组合机构的受力分析图。图3a 表示图1中铰链点D 的受力情况,该点的静力平衡方程为:

-F DX -F B sin

α+F M sin β=0(1)F DY +F M cos

β-F B co s α=0(2)

图3b 表示图1中铰链连杆机构2中的连杆DA 的受力情况,DA 杆的静力平衡条件为F DY l sin

α+F C x l cos α=F DX l cos α=0(3)F O =2F A Y =2F DY

(4)

3

9第3期朱　梅:气动肌腱驱动的小型压力机