一种新型气动压力机构设计

（ｂ） 气缸伸出铆接状态
１．支架２．燕尾槽导轨副（滑块） ３．行程微蒯螺母
４．微调锁紧螺母５．连接螺栓６．连杆
７．行程粗调螺栓８．连杆９．接头ｌＯ．气缸 ▲图４气动铆接压力机构原理图
２．１导向装置
图４设计采用燕尾槽导轨副进行导向，并设有调整螺钉
用于调整导轨副的间隙。除这种设计外，也可以采用精度更
高的标准直线滚动导轨副进行导向。这样可以使设计制造更 简单，只要在结构上稍加修改即可实现。 ２．２气缸的安装
为了精确调整工件在铆接方向的尺寸，需要精确调整上 模的工作高度。为提高调整效率，分别设置了行程粗调、行 程微调两种调整机构。调整原理及方法如下：
（１）行程粗调 在连杆８运动轨迹的上方设计了行程粗调螺栓７，初步 调整气缸的伸出终止位置。该位置也对应模具上模的初始工 作位置，调整完毕后将粗调螺栓上的锁紧螺母锁紧。 （２）行程微调 在燕尾槽导轨副的滑块２与连杆６之间的连接部位设 计了一种由连接螺栓５、微调螺母３、锁紧螺母４组成的行程 微调机构，在滑块下方设计有一个槽型窗口，伸｝｝｛拇指细致 地旋转微调螺母露出窗口的部分就可以精确调整上模在铆 接Ｔ作位置的高度。 完成行程粗调后就可以手动操作机器在模具Hale Waihona Puke Baidu模上放 置工件进行试铆接，根据试铆接的效果对微调螺母３进行调 整，多次试铆直到达到满意的铆接尺寸为止．最后用专用ｔ 具将锁紧螺母４同定。由于上述螺纹副采用特殊设计的双 头细牙螺纹，因而使模具上模具有极高的调整精度，而且调 整简单、方便。 ２．５力学放大设计原理 气缸１０在支架后方通过耳轴铰接安装，连杆８、６是传 递力的构件，用于将气缸的输出力传递到燕尾槽导轨副的活 动滑块２，最后传递到模具上模。由于在尺寸上进行了巧妙 的设计，所以该机构不仅改变了气缸的作用力方向，使机构 结构紧凑，而且还能够对气缸的ｔ作输出力进行高倍数放 大，下面通过详细的分析计算说明该机构的力学设计过程。 图４（ａ）表示气缸位于缩回状态，此时模具上模相应位 于最高点，机构处于待料状态。图４（ｂ）表示气缸位于伸出 到最大工作行程状态。此时模具上模相应位于最低点，即铆 接完成时的状态，也就是机构的工作点。选取铆接工作点瞬 问的力学平衡状态进行分析，机构运动简图如图５所示，在 此基础上分别以构件ｌ、构件３为对象进行受力分析，其受力
口／ｔ。》
▲图７机构在不同位置时输出力 放大倍数变化曲线
位于一条直线上时，机构的输出力急剧放大。例如在本例设 计条件下，口＝１１０ ｍｍ，６＝３７ ｍｍ，ｃ＝５０ ｍｍ。当０＝Ｉ ｏ时。机 构的输出力Ｒ高达１３６ ３５３ Ｎ。在极限位置０＝ａ＝０。时，机 构的输｝｝｛力理论上为无穷大，所以理论上应选择该位置作为 机构铆接工作点，在该位置机构不仅具有非常大的工作输出 力，而且还能实现自锁，同时在设计气缸的安装位置尺寸时 还保证在该位置时使ＪＢ一９０。，也就是使气缸的输出力方向近 乎垂直于构件１的力臂，这样使气缸的工作效率最高。 ２．７支架受力状态优化设计
由于连杆８与接头９的铰链连接点运动轨迹为一段圆 弧，所以气缸不能采用通常的同定安装方式，必须采用铰链 安装。由于气缸在整个工作范围内都基本位于竖直倾斜状 态，所以图４采用末端耳轴铰链安装，气缸的蕈量主要由末 端的固定铰链传递到支架ｌ及整台机器的机架，这样的设计 使气缸始终处于良好的受力状态，确保气缸的工作寿命。 ２．３模具安装
为了解决图１所示机构工作精度低的缺陷，图４所示机 构对支架ｌ的受力状态进行了良好的力学优化设计：作为主 要承力构件的支架，图ｌ所示的机构中支架承受的是弯曲应 力，机构工作时支架极容易产生弯曲变形直接影响机构Ｔ作 精度，而图４设计采用的气缸方式使机构工作时支架的受力 方向改变为图８的形 式，即支架承受的是拉 伸应力，由于金属材料 在拉伸情况下的刚度 通常远高于弯曲情况 下的刚度，因此这在力 学设计上是一种最好 的受力状态，而且支架 采用刚性非常好的铸 铁材料，支架在工作时 ▲图８支架工作时受力方向示意图 的变形近乎为零，因此 可以获得远高于图１机构的铆接工作精度，这与目前国内市 场上现有的气动铆接压力机构存在本质上的区别。
第２５卷第２期 ２００９年４月
机械设计与研究
Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２００９
文章编号：１００６．２３４３（２００９）０２－０７０－０３
种新型气动压力机构设计
李绍炎 （深圳职业技术学院机电学院，深圳 ５１８０５５，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｓｈａｏｙａｎ＠ｏａ．ｓｚｐｔ．ｎｅｔ）
Ｒ２＝面端百而 力学平衡状态，根据力的平衡原理可得出： ，２
（Ｌｚ２，）
（４）机构输出力放大倍数置
如果将机构末端的工作输出力与气缸的工作输出力之
Ｋ＝薏＝赢 比定义为机构的输出力放大倍数Ｋ，则： ２焉２意萧葛
（３）
如果取不同的位置进行工作，各位置对应不同的角度
ａ口、ａ值，上述角度值可以在ＣＡＤ软件界面上精确读取，根
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｃｈｉｎａ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｃｏｍｍｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｉｖｅｔｉｎｇ，ｔｈｅｙ ａｒｅ ｓｈｏｒｔ ｉｎ ｌｏｗｅｒ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｍｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｍａｃｈｉｎｅ ｄｅ— ｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｒｅｄｕｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｐｒｅｓｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ ｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒｃｅ，ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ船 ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ｒｉｖｅｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ．
由于图４的机构本身含有导向导轨，所以不再需要图１ 方案中的模架，只需要关键的上下模就可以了，简化了模具 制造和安装。模具的下模通过螺钉直接安装固定在支架ｌ 下方的工作平台上，上模则通过圆柱形模柄安装在燕尾槽导 轨副可以上下运动的滑块２上。在气缸１０及连杆６、８的作 用下，滑块２带动模具上模上下往复直线运动完成铆接 动作。 ２．４行程调整方法
图ｌ典型的气动铆接压力机 牧稿日期：２００８—１２—０８
接工作高度，还要在模架上设计安装高度可调整的限位螺 栓，如图２所示。
ｌ ＿＼
２
一＼
王
４、
＼、
５
●一 一６ 、
Ｌ气缸 ２．支架 ３．模架 ４．上模 ５．工件 ６．下模 ７．限位螺栓
▲图２典型气动铆接机构工作原理图
生产实践证明，图１所示的此 类气动铆接压力机虽然具有结构简 单、制造成本低廉、调整简单等优 点，但也存在以下明显的不足：
（２）输出力有限 由于直接将气缸的输出力作为铆接时的工作压力，在需 要大铆接压力的场合（例如铆接丁件的材料较厚时）只能采 用结构尺寸庞大、占用宅间较大的大缸径气缸，不仅气缸价 格昂贵，而且使用时压缩空气耗气量也较大，即使这样机构 的工作输ｆ｝｛力也仍然非常有限。 （３）丁作高度凋整机构不合理 如图２所示，模具的铆接Ｔ作高度（即上模最低工作高 度）由设在模架上的限位螺栓来控制，其刚性较差，铆接时承 受压力也会产生一定的弯曲弹性变形，尤其在大铆接压力的 场合会对铆接精度产生不利的影响，而且其调整精度也较 差，因此采用这种刚性较差的限位杆作为定位组件欠合理。 综上所述，目前国内企业普遍设计采用的这种结构并不 是一种最佳的结构，更难以适应需要大输＿｝Ｈ力的精密铆接工 序，但遗憾的是国内企业目前几乎都是按上述结构设计制造 的。有没有一种既具有大输出力、高工作精度同时又能够实 现低廉制造成本的设计方案呢？作者在长期研究国外自动 化装配设备的基础上。成功地设计了一种新型气动铆接压力 机构，并作为标准机构模块应用于自动化装配生产线的设计 制造实践，实践证明该机构具有工作精度高、输出力大、结构 简单、凋整方便、制造成本低廉等一系列综合优良性能。
２ 新型气动铆接压力机构结构原理
新型气动铆接压力机构的详细结构如图４所示，主要由 支架１、驱动气缸ｌＯ、连杆６、连杆８、燕尾槽导轨副等构件组 成，其中接头９与连杆８之间、连杆８与连杆６之间、连杆６ 与连接螺栓５之间均通过活动铰链连接，连杆８、气缸ｌＯ与 支架Ｉ之间分别通过固定铰链连接。
７
（ａ） 气缸缩回待料状态
件２的压力为，。，以构件 Ｉ为分析对象，在气缸输
俅
出力Ｒ及构件２推力一
的作用下构件Ｉ处于平衡
状态，根据力矩平衡原理
可以计算出：
，－２蕊褊 口
ａｒｏｓｉ叩
（１）
▲图６构件Ｉ、构件３受力分析图
（３）机构工作时的
输出力
假设机构在铆接位置时的输出力为疋，以构件３为分析
对象，在构件２压力一及负载压力，２的作用下构件３处于
铆接工作时压力机构不仅要求能对模具提供足够的输 出力，而且还必须具有足够的结构刚性，以保证实现要求的 铆接精度，在精密铆接场合对压力机构的刚性要求更高。
１ 目前国内现有气动铆接压力设备的不足
目前国内的铆接设备大量采 用简单廉价的气动驱动方式，最典 型的气动铆接压力机如图１所示。 这种设计采用带开口的“Ｕ”形支 架．直接将驱动气缸安装在支架的 上方，在支架工作台上安装带有导 向装置及复位弹簧的模架及铆接 模具，模具的上模、下模分别安装 在模架的Ｅ下模板上，为了调节铆
中图分类号：ＴＨｌ３８．９；ＴＨｌｌ２．１
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｅｗ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ
ＬＩ Ｓｈａｏ．ｙａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８０５５，Ｃｈｉｎａ）
据式（３）计算出机构在不同工作位置时的Ｋ值。可以得到如
图７所示的变化曲线。
图７显示随着角度０值逐渐变小，输出力放大倍数Ｋ急
剧增大，当０值接近１
０。时，Ｋ趋近于无穷
大，也就是说机构的
输出力Ｂ趋近于无ｋ 穷大。
２．６工作点设计
上述计算分析表
明，当０值接近００时． 也就是图５中的构件 ６与构件８下半部分 的铰链中心线越接近
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｉｖｅｔｉｎｇ；ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
铆接装配是除螺钉连接外的第二大装配连接方式，具有 设备简单、工装调整方便、生产成本低廉等特点，属于电子、 电器、电器部件、仪表、五金、机械等行业最基本的装配工艺。 目前的铆接设备主要采用液压缸驱动、气缸驱动、气液增压 缸驱动ｉ类驱动方式，其中液压缸驱动输出力大、运动平稳， 但结构复杂、体积庞大、维护麻烦、设备昂贵。气液增压缸虽 然结构紧凑、输出力大，但因价格昂贵其使用也受到限制。 气缸驱动结构简单、维护方便、成本低廉，所以目前国内制造 业大量采用这种方式，但这种压力机构输出力有限，不适合 需要大输出力的场合。
摘要：目前国内生产的气动铆接设备虽能够满足一般场合的使用要求，但存在精度低、输出力小、刚性
差等缺陷。作者设计了一种新型气动铆接压力机构，具有工作精度高、输出力大、结构简单、制造成本低廉等一 系列优点，可以作为自动化铆接装配专机的标准机构，提高机器性能、简化机器设计制造、降低制造成本。
关键词：自动化装配；自动化铆接；气动压力机构；优化设计
万方数据
７２
机械设计与研究
第２５卷
分析图如图６所示。
（１）气缸输出力
假设气缸工作时的
输出力为Ｒ，其大小可以
根据气缸的缸径查阅相
关气动手册得出。例如设
计时选用缸径为８０ｒａｍ的
气缸，查阅相关手册，在
０．６ＭＰａ压缩空气压力下
气缸的工作输出力Ｒ
为１５ＩＯＮ。
（２）构件２内的
压力 假设机构工作时构
▲图５机构运动简图
（１）铆接精度低 支架作为主要承力构件，铆接 工作压力最终由支架承受，如图３ 所示，“ｕ”形开口结构受力状态不 合理，工作时承受弯曲应力，这种开 口结构刚性较差，在力学上属于应 当尽量避免的设计，当铆接压力较图３支架工作受力示意图
万方数据
第２期
李绍炎：一种新型气动压力机构设计
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大时，支架会产生明显的弹性变形，直接影响铆接尺寸精度， 更不适合Ｔ作力较大的精密铆接场合。