694523445畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）增力機(jī)構(gòu)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、題 目：增力機(jī)構(gòu)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)姓 名：班級(jí)學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：摘 要傳統(tǒng)的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手夾持裝置，當(dāng)由外夾持轉(zhuǎn)換為內(nèi)夾持，或由夾持小尺寸工件轉(zhuǎn)換到夾持大尺寸工件時(shí)，一般都需要重新設(shè)計(jì)和制造，這勢(shì)必顯著延緩交貨周期。此外，由于氣壓傳動(dòng)壓力較低，在需要較大夾持力的場(chǎng)合，氣缸體積較為龐大和笨重，也是長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題。本論文介紹基于串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)械手可重構(gòu)氣動(dòng)夾持裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，分析了串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)與以串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)械手夾持裝置的技術(shù)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜合分析，說(shuō)明了其工作原理和技術(shù)性能特點(diǎn)，給出了夾持力的計(jì)算公式和力學(xué)特性曲線。所創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2、的可重構(gòu)氣動(dòng)夾持裝置，以幾何形體極為簡(jiǎn)單的桿件為基本構(gòu)件，并通過(guò)基本構(gòu)件的形狀改變與位置重組，可迅速滿足對(duì)不同尺寸的工件，來(lái)進(jìn)行內(nèi)夾持與外夾持的需求，以及不同夾緊力的需求。所設(shè)計(jì)的夾持裝置由于以串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)能結(jié)合各種裝置的優(yōu)點(diǎn)，并且采用氣缸內(nèi)置的總體布局，結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)約緊湊，能揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)效率最大化和體積、成本最小化。該夾持裝置以氣壓傳動(dòng)為動(dòng)力源，氣壓傳動(dòng)以潔凈的壓縮空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)，相對(duì)于容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的液壓傳動(dòng)而言，在綠色化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于該夾持裝置采用多級(jí)串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)，解決了一般氣壓傳動(dòng)夾持裝置因系統(tǒng)壓力較低而導(dǎo)致夾持力不足的缺點(diǎn)，可在一定范圍內(nèi)代替容易造成環(huán)境污染的

3、液壓傳動(dòng)夾持裝置。關(guān)鍵詞：串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)；夾持裝置；氣壓傳動(dòng)； abstractthe traditional clamping mechanism of industry manipulator，when converting from outside to inside clamping, or clamping a workpiece of small size conversion to a larger clamping work piece, generally need to design and manufacture, this will significantly del

4、ayed delivery cycle. in addition, due to the low-pressure pneumatic drive, in need of large clamping force is a heavy and huge volume of cylinder, and the technical problems exist for a long time. this paper describes a new innovation design idea of reconfigurable pneumatic clamping mechanism based

5、on series-connected force amplifier .analyses the combination in series force amplifier in the technical characteristic , compare with series-connected force amplifierdesigned clamping device due to the series force amplifier as the basis to combine the advantages of various devices, and the overall

6、 layout with built-cylinder, the structure is extremely simple and compact, able to exceed and to maximize efficiency and volume, cost minimization . the pneumatic clamping device to drive the power source, pneumatic drive to clean the air as the transmission medium, as opposed to easy on the enviro

7、nment in terms of pollution of hydraulic transmission, in the protection of the environment has a significant advantage . using the two-step or three-step force-amplifier, the device solved the shortcoming of lower press result in the smaller force of pneumatic drive system, and thus can be instead

8、of the hydraulic clamping device in certain extent which easily leads to environmental pollution. the graphic example, corresponding formula of output force and mechanics characteristics curve are given which of important reference value and the guide meaning for engineering fields.keywords： series

9、combination force amplifier； clamping device； pneumatic drive.目錄摘 要.iabstract.ii第 1 章緒論41.1工業(yè)機(jī)械手夾持裝置發(fā)展概述41.2串聯(lián)組合增力技術(shù)51.2.1串聯(lián)組合增力技術(shù)的作用51.2.2串聯(lián)組合增力技術(shù)的發(fā)展61.3課題的提出及主要內(nèi)容71.3.1課題提出的背景71.3.2主要研究?jī)?nèi)容8第 2 章夾持裝置中的增力機(jī)構(gòu)92.1一次增力機(jī)構(gòu)92.1.1基于長(zhǎng)度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)92.1.2基于角度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)122.2二次增力機(jī)構(gòu)162.2.2基于長(zhǎng)度-角度效應(yīng)的二次增力機(jī)構(gòu)202.2.3基于角度-角度效應(yīng)的

10、二次增力機(jī)構(gòu)212.3三次增力機(jī)構(gòu)252.3.1基于角度長(zhǎng)度角度效應(yīng)的三次串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)252.3.2基于角度角度長(zhǎng)度效應(yīng)的三次串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)25第 3 章二次增力可重構(gòu)氣動(dòng)夾持裝置273.1工作原理與機(jī)構(gòu)演變273.2力學(xué)計(jì)算與性能分析293.2.1力學(xué)計(jì)算公式293.2.2力學(xué)性能分析30第 4 章三次增力可重構(gòu)氣動(dòng)夾持裝置314.1工作原理與機(jī)構(gòu)演變314.2力學(xué)計(jì)算與性能分析334.2.1力學(xué)計(jì)算公式334.2.2力學(xué)性能分析34第 5 章基于手動(dòng)增力機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)365.1凸輪-鉸桿、凸輪-斜楔增力機(jī)構(gòu)365.1.1偏心凸輪-鉸桿增力機(jī)構(gòu)工作原理365.1.2力學(xué)計(jì)算375.1.3偏心凸輪

11、-斜楔增力機(jī)構(gòu)工作原理395.1.4力學(xué)計(jì)算405.2端面凸輪杠桿增力機(jī)構(gòu)425.2.1端面凸輪杠桿增力機(jī)構(gòu)工作原理425.2.2力學(xué)計(jì)算425.3行星輪-鉸桿增力機(jī)425.3.1行星輪-鉸桿增力機(jī)構(gòu)工作原理425.3.2行星輪-鉸桿增力機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)43總結(jié).44參考文獻(xiàn)45致謝.47附 錄1.48附 錄2.58附 錄3.72第 1 章 緒論1.1 工業(yè)機(jī)械手夾持裝置發(fā)展概述工業(yè)機(jī)械手是上世紀(jì)中下旬發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科，它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科知識(shí)于一身，代表了機(jī)電一體化的最高成就 1。自從 1962 年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手以來(lái)，機(jī)械手

12、技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展非常迅猛，已成為柔性制造系統(tǒng)（fms）、自動(dòng)化工廠（fa）、計(jì)算機(jī)集成制造系（cims）的自動(dòng)化工具。工業(yè)機(jī)械手作為現(xiàn)代制造業(yè)的主要自動(dòng)化設(shè)備，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到工程機(jī)械、汽車制造、電子信息、家用電器等各個(gè)行業(yè)中進(jìn)行裝配、加工、焊接、搬運(yùn)等復(fù)雜作業(yè)，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，而其中的機(jī)械手夾持技術(shù)就是急待提高的關(guān)鍵技術(shù)之 2工業(yè)機(jī)械手夾持裝置相當(dāng)于人的手指，是工業(yè)機(jī)械手的靈魂與核心。它的作用就是用適當(dāng)?shù)牧A緊物料，再由傳遞機(jī)構(gòu)將物料從某一位置和方位用 3-6，按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡

13、傳遞到另一位置和方位早期的工業(yè)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)，大多采用結(jié)構(gòu)上甚為復(fù)雜而笨重的齒條-齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，或錐面螺旋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)等。而參考文獻(xiàn) 7-9介紹的夾持裝置，雖然在結(jié)構(gòu)上有了簡(jiǎn)化，但他們對(duì)所夾持對(duì)象尺寸的變化，以及對(duì)夾緊力要求的變化，適應(yīng)性都很差，不能滿足現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出的短周期、大批量、綠色化、甚至個(gè)性化的要求。目前，工業(yè)機(jī)械手的夾持裝置，大多采用氣壓傳動(dòng)或液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，因此目前制造業(yè)中應(yīng)用的流體傳動(dòng)機(jī)械手中，液壓機(jī)械手夾持裝置的應(yīng)用非常廣泛 10。但液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)較慢、靈敏度不夠高，特別是在日益提倡環(huán)保的今天，液壓傳動(dòng)的致命缺點(diǎn)就是液壓介質(zhì)容

14、易泄露污染環(huán)境。而從流+體傳動(dòng)綠色化這一方面來(lái)說(shuō)，氣壓傳動(dòng)具有一些得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)：空氣可以從大氣中獲得；同時(shí)，用過(guò)的空氣可以直接排到大氣中去，處理方便，萬(wàn)一空氣管路有泄漏，除引起部分功率損失外，不致產(chǎn)生不利于工作的嚴(yán)重影響，也不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)氣壓傳動(dòng)具有動(dòng)作迅速等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，使得它在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已成為自動(dòng)化不可缺少的重要手段。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,特別是在一些工業(yè)裝配過(guò)程中,利用氣動(dòng)機(jī)械手能提高工作效率,還可用在一些對(duì)人體健康不利的場(chǎng)合。氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、可靠、節(jié)能、不污染環(huán)境、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),特別適用于汽車制

15、造業(yè)、食品和藥品包裝行業(yè)、化工行業(yè)、精密儀器制造業(yè)和軍事工業(yè)等。但氣壓傳動(dòng)有一個(gè)致命缺點(diǎn)，即壓縮氣體極容易泄漏，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力 p 不可能太高，一般在 0.5mpa 左右。因而，在要求夾持力較大的場(chǎng)合，往往會(huì)造成驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)的氣缸直徑過(guò)大，使得設(shè)計(jì)人員有時(shí)不得不采用容易造成環(huán)境污染的液壓傳動(dòng)夾持裝置。但采用串聯(lián)組合增力技術(shù)可以很容易地在夾持裝置的機(jī)械傳動(dòng)部分得到 10 倍以上的增力比，所以能夠較好地解決氣動(dòng)夾持裝置系統(tǒng)壓力不高的問(wèn)題。1.2 串聯(lián)組合增力技術(shù)1.2.1 串聯(lián)組合增力技術(shù)的作用自古以來(lái)人類對(duì)增力技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)不懈的研究與探索，發(fā)明了形式眾多的增力機(jī)構(gòu)：如滑輪、斜楔、螺旋、凸輪、鉸桿

16、等機(jī)械機(jī)構(gòu)用 11，以及利用帕斯卡原理的流體傳動(dòng)增力機(jī)構(gòu)等。但如此繁多的增力機(jī)構(gòu)裝置，若分析其基本工作原理，卻不外乎以下三類：（1）長(zhǎng)度效應(yīng)機(jī)構(gòu)：如杠桿、齒輪、滑輪等機(jī)構(gòu)。（2）角度效應(yīng)機(jī)構(gòu)：如斜楔、螺旋、凸輪、肘桿等機(jī)構(gòu)。如進(jìn)一步分析，斜楔、螺旋、凸輪都屬于斜面角度效應(yīng)機(jī)構(gòu)，而肘桿機(jī)構(gòu)在力學(xué)邏輯原理上應(yīng)稱之為鉸桿角度效應(yīng)機(jī)構(gòu)。（3）面積效應(yīng)裝置：這類裝置是基于帕斯卡原理工作的，如液壓與氣壓傳動(dòng)。為了得到不同的增力系數(shù)i，以滿足不同場(chǎng)合對(duì)增力機(jī)構(gòu)的增力要求，人們還發(fā)明了大量的串聯(lián)式組合的增力機(jī)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，串聯(lián)式組合的增力機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)i，為各級(jí)裝置的增力系數(shù)的乘積，即：in=fofi=i1i

17、2i3i4in （1-1）式中：fi輸入力；f0輸入力。采用增力技術(shù)的夾持裝置可獲得很好的綜合效果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 大大減輕生產(chǎn)制造過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度。在普通的機(jī)械制造業(yè)中，操作普通工裝夾持裝置的勞動(dòng)強(qiáng)度，占整個(gè)新產(chǎn)品生產(chǎn)總勞動(dòng)強(qiáng)度的 80%左右。采用串聯(lián)組合增力技術(shù)后，能顯著減少生產(chǎn)過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度。(2) 在需要長(zhǎng)時(shí)間保持作用力的場(chǎng)合，采用增力自鎖機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)結(jié)合，可以讓提供壓縮氣體的設(shè)備停止工作，節(jié)能效果十分顯著。(3) 串聯(lián)組合增力技術(shù)使得在一定范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)夾持裝置的綠色化。1.2.2 串聯(lián)組合增力技術(shù)的發(fā)展串聯(lián)組合增力技術(shù)的發(fā)展貫穿了整個(gè)的人類發(fā)展歷史。從蠻荒時(shí)

18、代杠桿增力機(jī)構(gòu)的應(yīng)用到上古時(shí)期水利工程中動(dòng)滑輪機(jī)構(gòu)的采用，充分說(shuō)明了增力技術(shù)自從遠(yuǎn)古就出現(xiàn)并應(yīng)用于人們的勞動(dòng)和日常生活中了，最好的證明就是它的應(yīng)用在古代的農(nóng)工典籍中多處可見(jiàn)。古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、力學(xué)家阿基米德的經(jīng)典名言“給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能翹起地球”例證了國(guó)外很早就在使用增力機(jī)構(gòu)的事實(shí)。18 世紀(jì)中期到 19 世紀(jì)初以蒸汽機(jī)的發(fā)明和使用為標(biāo)志的第一次科技革命，是以機(jī)械裝置的應(yīng)用為基礎(chǔ)的，所以在這個(gè)時(shí)期串聯(lián)組合增力技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。其發(fā)展與傳動(dòng)技術(shù)緊密結(jié)合，但在當(dāng)時(shí)的論著中并沒(méi)有將增力機(jī)構(gòu)專門列出并加以論述。從 19 世紀(jì)中期以來(lái)，人類科技的發(fā)展主要是以電力技術(shù)和信息技術(shù)為中心，

19、所以串聯(lián)組合增力技術(shù)在這段時(shí)期并沒(méi)有得到足夠的重視和長(zhǎng)足的發(fā)展，其發(fā)展的核心表現(xiàn)在與電力技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合，而其自身的基礎(chǔ)理論的研究沒(méi)有很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)夾持裝置增力機(jī)構(gòu)的研究方式非常相似，研究成果也沒(méi)有太大的差別，所以僅對(duì)國(guó)內(nèi)串聯(lián)組合增力技術(shù)的研究成果進(jìn)行分析，就能把握串聯(lián)組合增力技術(shù)整個(gè)的發(fā)展情況。(1) 80 年代，國(guó)內(nèi)普遍將基本增力機(jī)構(gòu)作為典型的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行論述，介紹其工作原理和力學(xué)特性，但沒(méi)有完全揭示出這些增力機(jī)構(gòu)的力放大性能，對(duì)其只是停留在一般性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上。對(duì)于多級(jí)增力機(jī)構(gòu)，往往將其作為組合夾緊裝置處理 12-14。(2) 90 年代中期，人們對(duì)基本增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了更為細(xì)致的劃

20、分，但仍然是將其作為夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行討論的。隨著液壓和氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，增力機(jī)構(gòu)與它們的結(jié)合日益廣泛。(3) 1999 年，鐘康民等對(duì)鋼球增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了專門研究，針對(duì)鋼球增力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，制造工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)做出了詳細(xì)論述 18-19。(4) 2000 年，鐘康民等采用增力技術(shù)設(shè)計(jì)了兩種基于正交增力機(jī)構(gòu)的離心式離合器。正交增力離心式離合器結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本較普通離心式離合器增加甚微，但輸出轉(zhuǎn)矩的能力顯著提高 20-21。(5) 2001 年，王紅巖設(shè)計(jì)了鉸桿離心式和斜楔離心式正交增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)孔夾持裝置，并對(duì)兩種內(nèi)孔夾持裝置進(jìn)行了技術(shù)性能分析和對(duì)比 22。(6) 2002 年，仇宏程設(shè)計(jì)了一種氣液增

21、力缸，介紹了其在小型臺(tái)式?jīng)_壓機(jī)上的應(yīng)用，該缸結(jié)構(gòu)緊湊，回路新穎，可在多種需較高壓力而結(jié)構(gòu)受一定限制的場(chǎng)合使用 23。汪沛華對(duì)現(xiàn)有氣動(dòng)液壓增力機(jī)構(gòu)中存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì) 24。(7) 2003 年，蘇東寧、王明娣等設(shè)計(jì)了一系列的液壓夾持裝置，并推演了相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算公式 25-31。(8) 2004 年，曹華、王兵等設(shè)計(jì)了一系列的二級(jí)增力機(jī)構(gòu)，分析了其性能特點(diǎn)，并給出了它們的力學(xué)計(jì)算公式和特點(diǎn)用 32-35。(9) 2005 年，盛小明等設(shè)計(jì)了固定式無(wú)桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力夾緊機(jī)構(gòu)，并推算出了它們的力學(xué)計(jì)算公式 36。(10) 2006 年，蘇東寧等設(shè)計(jì)了無(wú)桿缸-

22、對(duì)稱鉸接液壓增力夾具，詳細(xì)的分析了其特點(diǎn)，并對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行了闡述 37。1.3 課題的提出及主要內(nèi)容1.3.1 課題提出的背景通過(guò)對(duì)增力機(jī)構(gòu)特別是串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究后發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的研究，存在以下較為明顯的缺憾：(1) 對(duì)不同串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的基本工作原理及內(nèi)在聯(lián)系，缺乏明顯的邏輯分析，不便于學(xué)習(xí)者從本質(zhì)上理解和區(qū)別這些裝置，從而停留在孤立地或形象地理解的層面上。(2) 沒(méi)有建立起較為系統(tǒng)、完整的串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)邏輯分類體系，不便于人們從整體、宏觀和聯(lián)系的層面，把握和認(rèn)識(shí)增力機(jī)構(gòu)。(3) 廣泛存在于人體及許多動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)中以及在機(jī)器中大量應(yīng)用的依靠桿件的角度效應(yīng)

23、來(lái)傳遞力及運(yùn)動(dòng)的一類機(jī)構(gòu)，目前的名稱是以形象命名的。英文名稱為toggle、link mechanism 等；中文則有鉸鏈機(jī)構(gòu)、鉸桿機(jī)構(gòu)、鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)等不同的稱謂。這種形象化的命名不利于人們從根本上認(rèn)識(shí)該類機(jī)構(gòu)。對(duì)于該類機(jī)構(gòu)的不同表現(xiàn)形式，人們往往會(huì)誤認(rèn)為是不同種類的機(jī)構(gòu)。(4) 對(duì)于串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)，沒(méi)有形成能夠指導(dǎo)創(chuàng)新的邏輯框架及思路；不同級(jí)數(shù)、不同組合的串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)，在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新、演義及系統(tǒng)圖譜化方面，還存在大量工作尚未開(kāi)展。由于存在以上問(wèn)題，導(dǎo)致人們對(duì)串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，在過(guò)去的二三十年間，或更長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)可以說(shuō)基本上喪失了熱情。因此在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)中，涉及到增力

24、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的，可以說(shuō)少之又少。絕大多數(shù)文獻(xiàn)涉及的，都是前人創(chuàng)造的增力機(jī)構(gòu)在不同場(chǎng)合下的具體應(yīng)用。1.3.2 主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)國(guó)內(nèi)外在串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)研究方面存在的問(wèn)題，本文擬在以下方面做出研究探討：(1) 根據(jù)基本增力機(jī)構(gòu)的工作原理實(shí)質(zhì)，從宏觀上將它們分為三大類：長(zhǎng)度效應(yīng)裝置、角度效應(yīng)裝置和面積效應(yīng)裝置。這樣，基本增力機(jī)構(gòu)的工作原理及內(nèi)在聯(lián)系便一目了然了。通過(guò)建立較為系統(tǒng)完整的增力機(jī)構(gòu)邏輯分類體系，使人們能夠在把握和認(rèn)識(shí)增力機(jī)構(gòu)方面，從孤立、形象、零亂的層面上升到整體、邏輯、秩序的層面。(2)提出了基于串聯(lián)組合增力機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)械手夾持裝置的可重構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)。(3)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了手動(dòng)可重

25、構(gòu)增力機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第 2 章 夾持裝置中的增力機(jī)構(gòu)不同的增力機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形式的不同，其力傳遞效率、自鎖程度以及其他技術(shù)性能都存在著一定的差異。目前，機(jī)械中較為常用的增力機(jī)構(gòu)主要有基于長(zhǎng)度效應(yīng)、角度效應(yīng)、面積效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)以及其他一些組合增力機(jī)構(gòu)等等 38-40。對(duì)于常見(jiàn)的增力機(jī)構(gòu)，我們已經(jīng)初步建立了邏輯結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1所示。圖 2-1增力機(jī)構(gòu)分類圖圖2-1 所示邏輯分類圖與傳統(tǒng)力學(xué)及機(jī)械論著相比最大的不同之處在于：重新定義了一類角度效應(yīng)裝置，即鉸桿效應(yīng)裝置。我們將目前以形象命名的、依靠桿件的角度效應(yīng)來(lái)傳遞力及運(yùn)動(dòng)的一類機(jī)構(gòu)，歸并后重新定義為鉸桿機(jī)構(gòu)，是基于該類機(jī)構(gòu)的基本工作原理是完全相同

26、的，即至少要依靠一根中心線與輸出力方向成一定角度的桿件，也就是鉸桿，來(lái)傳遞力及運(yùn)動(dòng)。增力機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能中，我們比較關(guān)注的是系統(tǒng)的增力效益。增力比是指輸出力與輸入力之間的比值，增力比越大，機(jī)構(gòu)的機(jī)械效益越高。在本章中，我們結(jié)合相應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)，對(duì)其分別進(jìn)行了增力比的分析和計(jì)算。2.1 一次增力機(jī)構(gòu)2.1.1 基于長(zhǎng)度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)2.1.1.1 杠桿機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)度效應(yīng)裝置的邏輯分類體系中，杠桿機(jī)構(gòu)不是通常意義上的杠桿，而是一類與普通杠桿具有相同增力特性的裝置的總稱。它包括平面杠桿，即一般所謂的杠桿機(jī)構(gòu) 和輪軸杠桿機(jī)構(gòu)。輪軸杠桿機(jī)構(gòu)的種類太多，為了研究的方便，本文只涉及輪軸杠桿機(jī)構(gòu)最常出現(xiàn)的形式同軸杠桿

27、機(jī)構(gòu)。由于在增力系數(shù)的計(jì)算方面，平面杠桿機(jī)構(gòu)和同軸杠桿機(jī)構(gòu)都可以直接用公式i=ll1l2來(lái)求解，所以把它歸為一類，總稱杠桿機(jī)構(gòu)。1平面杠桿機(jī)構(gòu)利用杠桿使原動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閵A緊力的機(jī)構(gòu)稱為平面杠桿機(jī)構(gòu)。平面杠桿機(jī)構(gòu)一般不能自鎖，所以大多和斜楔、螺栓、凸輪組合使用，或以氣壓或液壓作為夾緊動(dòng)力源。平面杠桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，并且容易變換作用力的方向，因此在復(fù)合夾緊機(jī)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。這種杠桿機(jī)構(gòu)有三種形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-2所示。 (a)一般杠桿機(jī)構(gòu) (b)恒增力杠桿機(jī)構(gòu)圖2-2平面杠桿機(jī)構(gòu)一般杠桿與恒增力杠桿機(jī)構(gòu)增力系數(shù)i計(jì)算公式是一致的，即： i=fofi=ll1l2 （2-1）式中， l1 杠桿主動(dòng)臂長(zhǎng)度

28、； l2 杠桿被動(dòng)臂長(zhǎng)度； fi 輸入力； fo輸出力； l般為杠桿的機(jī)械效率，一般取 l=0.97。一般杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)在杠桿的受力點(diǎn)和夾緊點(diǎn)之間，因此它的增力系數(shù)和行程比有時(shí)大于1，有時(shí)等于1，有時(shí)則可能小于1；恒增力杠桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)臂l1總大于被動(dòng)臂l2因此它的增力系數(shù)i永遠(yuǎn)大于1，而行程比is則小于1。2同軸杠桿機(jī)構(gòu)同軸杠桿機(jī)構(gòu)是輪軸機(jī)構(gòu)中作用構(gòu)件繞在同一軸轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，可以看作是杠桿的一種變形機(jī)構(gòu)，其力傳遞實(shí)質(zhì)是杠桿效應(yīng)。同軸杠桿包括常見(jiàn)的齒輪機(jī)構(gòu)、撓性機(jī)構(gòu)、間歇機(jī)構(gòu)和摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，它們的特點(diǎn)是都可以分解出主動(dòng)臂和被動(dòng)臂，而其旋轉(zhuǎn)軸就相當(dāng)于普通杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)。它們的增力系數(shù)的計(jì)算公式都可

29、以由下式得出： i=ll1l2 （2-2）式中： l1同軸機(jī)構(gòu)主動(dòng)臂； l2 同軸機(jī)構(gòu)被動(dòng)臂；l 同軸杠桿傳遞效率。杠桿原理作為一種省力原理，一直貫穿于我們的生活當(dāng)中，從新石器時(shí)代的簡(jiǎn)單器具一直貫穿到現(xiàn)在仍然在使用的復(fù)雜器具。例如，筷子、剪刀、重量稱等等，可以把杠桿原理的運(yùn)用簡(jiǎn)單分為三類：最主要一類是省力；另一類是保持平衡，測(cè)量物體重量，典型例子就是天平、秤等；還有一類就是改變力的方向，例如蹺蹺板等。這些機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都用了相同的原理，使之達(dá)到造物利人的目的。2.1.1.2 杠桿機(jī)構(gòu)的變形形式1 齒輪傳動(dòng)一對(duì)齒輪是靠主動(dòng)輪輪齒一次推動(dòng)從動(dòng)輪輪齒而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，兩個(gè)齒輪的平均傳動(dòng)比恒等于其齒數(shù)的反

30、比，即： it=12=z2z1 （2-3） 式中， 1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速； 2為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速； z1為主動(dòng)輪齒數(shù)； z2為被動(dòng)輪齒數(shù)。2 滑輪機(jī)構(gòu)滑輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)其實(shí)也是杠桿機(jī)構(gòu)的變形形式，可以分為定滑輪和動(dòng)滑輪兩種。判定給定機(jī)構(gòu)是動(dòng)滑輪還是定滑輪，主要是看利用滑輪工作時(shí)，滑輪的軸是否隨著物體移動(dòng)。如果物體移動(dòng)時(shí)，軸并不跟隨物體一起移動(dòng)，則該滑輪為定滑輪；如果軸與物體一起移動(dòng)，則該滑輪為動(dòng)滑輪。定滑輪不省力。使用定滑輪提升重物時(shí)，在定滑輪所在的平面上，無(wú)論拉力方向如何，拉力的大小都一樣。因?yàn)槎ɑ喪歉軛U類的簡(jiǎn)單機(jī)械，其支點(diǎn)是在定滑輪的軸上，而拉力的方向都是沿著輪的切線方向，所以拉力大小不變，其增力系數(shù)為

31、1；但是，定滑輪可以改變物體的速度以及加速度方向。使用動(dòng)滑輪提起重物時(shí)，在動(dòng)滑輪所在的平面上，能夠省一半的力。當(dāng)然這是有條件的，即必須使拉力的方向始終保持豎直向上，此時(shí)其增力系數(shù)為1/2，否則結(jié)論是不成立的。因?yàn)楫?dāng)拉力不是豎直向上時(shí)，此時(shí)的動(dòng)力臂一定小于滑輪直徑，而阻力和阻力臂都沒(méi)有改變，由杠桿原理可知，拉力必然要大于阻力的一半；在省力的同時(shí)，動(dòng)滑輪不能改變力的方向。2.1.2 基于角度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)角度效應(yīng)增力裝置是利用機(jī)構(gòu)中某些組件的角度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)增力功能的裝置，它可分為兩大類：斜面效應(yīng)裝置和鉸桿效應(yīng)裝置。這些裝置的增力系數(shù)的計(jì)算公式一般采用i=tan的形式，其邏輯分類框圖如圖2-4所示。圖

32、2-4角度效應(yīng)裝置邏輯分類圖2.1.2.1 斜面效應(yīng)裝置利用具有一定傾斜角的斜面實(shí)現(xiàn)增力的裝置稱為斜面效應(yīng)裝置。斜楔機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)又有定壓力角機(jī)構(gòu)和變壓力角機(jī)構(gòu)之分。1斜楔機(jī)構(gòu)斜楔增力機(jī)構(gòu)具有制造容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械化傳動(dòng)中應(yīng)用較廣。斜楔機(jī)構(gòu)是利用斜楔斜面將原始力轉(zhuǎn)變?yōu)閵A緊力的裝置，用于工件的夾緊表面比較準(zhǔn)確并且斜楔的工作表面容易接觸到的情況，但夾緊時(shí)，斜楔有拖著工件移動(dòng)的趨勢(shì)，所以要有一止動(dòng)銷定位。當(dāng)斜楔角小于45時(shí)，具有增力性能。斜楔所產(chǎn)生的夾緊力，隨著楔角的減小而增大，但同時(shí)也增加了摩擦損失，降低了機(jī)構(gòu)的工作效率，有效行程也隨著減小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)

33、需要設(shè)計(jì)選擇不同的斜楔角，并可以設(shè)計(jì)成許多不同的形式，如單面斜楔、雙面斜楔、雙斜楔角斜楔增力機(jī)構(gòu)等。在斜角很小的情況下，斜楔機(jī)構(gòu)是常用的夾緊機(jī)構(gòu)之一，一般都具有增力性能。斜楔所產(chǎn)生的夾緊力隨著楔角的減小而增大，但同時(shí)也增加了摩擦損失，降低了機(jī)構(gòu)的工作效率，有效行程也隨之減小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)選擇不同的斜楔角，并可以設(shè)計(jì)成許多不同的形式，如單面斜楔、雙面斜楔、雙斜楔角斜楔增力機(jī)構(gòu)等。在斜角很小的情況下，斜楔機(jī)構(gòu)是常用的夾緊機(jī)構(gòu)之一，一般都具有自鎖和力放大兩種特性。當(dāng)斜楔角較大時(shí)，斜楔機(jī)構(gòu)也是常用的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)之一。若只用單楔而不用滾輪時(shí)，摩擦力的值要大的多。因此，在機(jī)動(dòng)夾緊裝置

34、中一般都應(yīng)采用帶滾輪的楔式增力機(jī)構(gòu)。圖 2-5所示為定斜楔角無(wú)滾子斜楔機(jī)構(gòu)，圖 2-6 所示為變斜楔角有滾子斜楔機(jī)構(gòu)。 圖2-5定楔角無(wú)滾子斜楔機(jī)構(gòu) 圖2-6變楔角滾子斜楔機(jī)構(gòu)增力系數(shù)是機(jī)構(gòu)的輸出力與輸入力之間的比值，常用i來(lái)表示。不考慮摩擦損失的增力系數(shù)為理論增力系數(shù)，用it 表示?？紤]摩擦損失的增力系數(shù)為實(shí)際增力系數(shù)，用ip表示。圖2-6所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)為： it=1tan (2-4)式中： 為斜楔角。變楔角滾子斜楔機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù)隨著行程的不同而不斷變化，斜楔上下的滾子是為了減小整個(gè)系統(tǒng)的摩擦損失。當(dāng)斜楔為主動(dòng)件時(shí)，幾何尺寸與摩擦角共同決定自鎖條件；當(dāng)力輸出件為主動(dòng)件時(shí)，只有摩擦

35、角決定自鎖性能。在這種工作狀態(tài)(夾緊狀態(tài))下的自鎖條件是 1+2(其中，1 表示斜楔與機(jī)架之間的摩擦角 2為斜楔與頂柱之間的摩擦角)。所以，當(dāng)斜楔機(jī)構(gòu)的頂柱夾緊工件后要求自鎖時(shí)，由自鎖條件可知，斜楔角不可能太大，而且當(dāng)1=2=59時(shí)，斜楔機(jī)構(gòu)的行程比較小，機(jī)械效率很低。所以，當(dāng)要求斜楔機(jī)構(gòu)的力輸出件夾緊工件之后能夠自鎖并且行程比較大以及機(jī)械效率較高時(shí)，可以使用圖2-6所示的雙斜楔角斜楔機(jī)構(gòu)。較大楔角1使力輸出件獲得較大的行程比；而小楔角2使力輸出件獲得較大的增力比并且具有自鎖性能。當(dāng)力輸出件上設(shè)置滾輪之后，滾輪與斜楔之間的當(dāng)量摩擦角2=arctan(d0tan2d)(式中do，d分別為滾輪的轉(zhuǎn)

36、軸自徑和內(nèi)徑)。為了獲得自鎖，2應(yīng)該滿足2+2此外，斜楔機(jī)構(gòu)又可分為單斜楔面斜楔機(jī)構(gòu)和雙斜楔面斜楔機(jī)構(gòu)。雙楔角斜楔機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)大的行程比、增力比和較高的傳動(dòng)效率，而且可以實(shí)現(xiàn)力輸出件夾緊工件后的自鎖；另外，它還可以按照效率條件進(jìn)行幾何尺寸設(shè)計(jì)；同時(shí)，雙斜楔機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)較大的位移比，較高的機(jī)械效率，而且可以實(shí)現(xiàn)頂桿夾緊工件后的自鎖。因此，雙楔角斜楔機(jī)構(gòu)確是一種傳動(dòng)與自鎖性能均比較優(yōu)越的夾緊機(jī)構(gòu)。2螺旋機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)在目前的夾緊裝置中應(yīng)用很廣，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。它有兩種不同的形式，一種是定螺紋升角的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，一種是變螺紋升角的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。當(dāng)螺紋升角很小時(shí)，用同一原始力夾緊時(shí)，螺旋機(jī)構(gòu)可獲

37、得較大的夾緊力，這是其它簡(jiǎn)單夾緊件所不及的。螺旋傳動(dòng)可以將轉(zhuǎn)動(dòng)變換成為直線運(yùn)動(dòng)，將扭矩轉(zhuǎn)換成為沿著軸向的力。同時(shí)，因?yàn)槁菁y具有自鎖功能，所以在某些工作場(chǎng)合中(例如用于夾緊過(guò)程)，就可以利用這一特性保證夾緊動(dòng)作的安全性。簡(jiǎn)單螺旋機(jī)構(gòu)的實(shí)際增力系數(shù)可用下式計(jì)算：ip=lrcptan (2-5)式中： l手柄力臂長(zhǎng)度； 傳遞效率； rcp螺桿螺紋中徑一半； 螺旋升角。需要指出的是，如果單獨(dú)利用螺旋進(jìn)行夾緊或者力輸出動(dòng)作，由于需要具有較大的直徑和螺距(以保證螺旋具有足夠的強(qiáng)度)，還需要低速、大扭矩的輸入；但是如果把螺旋作為中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)(不需要很大的軸向力)，就可以采用較小的直徑和螺距、高速小扭矩的輸入

38、。所以，在實(shí)際使用中，常常將螺旋增力機(jī)構(gòu)與其他增力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置相組合，這樣，螺旋傳動(dòng)起到了一個(gè)減速作用，能有效解決大減速比問(wèn)題。2.1.2.2 鉸桿機(jī)構(gòu)鉸桿機(jī)構(gòu)是基于角度效應(yīng)來(lái)傳遞力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)；該機(jī)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，即能傳遞力和運(yùn)動(dòng)的條件下，至少有一只中心線與輸出力方向，既不垂直也不平行的桿。鉸桿機(jī)構(gòu)是一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，增力倍數(shù)較大的增力機(jī)構(gòu)，由于具有具有摩擦損失小、增力系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械手夾持裝置上獲得了較廣泛的應(yīng)用。僅對(duì)輸入力方向進(jìn)行一次正交變向的鉸桿機(jī)構(gòu)，我們稱之為一次正交鉸桿機(jī)構(gòu)。一次正交單鉸桿及其對(duì)稱演繹機(jī)構(gòu)，如圖 2-7、2-8所示：一次正交等長(zhǎng)雙鉸桿機(jī)構(gòu)及其對(duì)稱演繹機(jī)構(gòu)。如

39、圖2-9、 2-10所示。 圖2-7一次正交鉸桿機(jī)構(gòu)圖 2-8 一次正交單鉸桿對(duì)稱機(jī)構(gòu)通過(guò)建立簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，可以得到一次正交單鉸桿機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it為： it=1tan (2-6)式中：鉸桿的斜角。此裝置的理論力放大系數(shù)it和上圖裝置一樣，為：it=1tan (2-7) 圖 2-9 一次正交等長(zhǎng)雙鉸桿機(jī)構(gòu)圖 2-10 一次正交等長(zhǎng)雙鉸桿對(duì)稱機(jī)構(gòu)同樣可以得到此一次正交等長(zhǎng)雙鉸桿機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it為： it=12tan (2-8)同樣可以得到此一次正交等長(zhǎng)雙鉸桿對(duì)稱機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it為：it=12tan (2-9)2.2 二次增力機(jī)構(gòu)為了得到不同的力放大系數(shù)，以滿足不同場(chǎng)合對(duì)增力

40、機(jī)構(gòu)的增力要求，人們還發(fā)明了大量的串聯(lián)式組合增力機(jī)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，串聯(lián)式組合增力機(jī)構(gòu)的力放大系數(shù)，為各個(gè)裝置力放大系數(shù)的乘積，即in=fofi=i1i2i3i4in (式中fi為輸入力，fo為輸出力)。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備都是由簡(jiǎn)單、常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)組合而成的，但卻實(shí)現(xiàn)了新的功能，所以關(guān)鍵在于“組合”。在具體創(chuàng)新過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意，具有自鎖功能的增力機(jī)構(gòu)，如斜楔、螺旋、凸輪等機(jī)構(gòu)，通過(guò)以上分析可以知道，其力傳遞效率一般比較低；而鉸桿、杠桿等自鎖功能很低或者沒(méi)有自鎖功能的機(jī)構(gòu)，其力傳遞效率則顯著較前一類機(jī)構(gòu)高。因此，合理利用不同增力機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)組合，是創(chuàng)新思維過(guò)程中應(yīng)當(dāng)切實(shí)注意的問(wèn)題。2.2.1.

41、1 單面斜楔-杠桿增力機(jī)構(gòu)工作原理當(dāng)斜楔受到外力向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜面作用于滾輪，使?jié)L輪驅(qū)動(dòng)杠桿式壓板繞固定鉸鏈軸擺動(dòng)，進(jìn)而夾緊工件。利用斜楔的自鎖特性，可以對(duì)工件進(jìn)行加工。加工完畢之后，推動(dòng)斜楔向右運(yùn)動(dòng)，杠桿式壓板在復(fù)位彈簧(圖中未畫出)作用下反向擺動(dòng)，從而松開(kāi)工件。如圖2-11所示。圖 2-11 單面斜楔-杠桿二次增力機(jī)構(gòu)2.2.1.2 對(duì)稱型雙面斜楔-杠桿增力機(jī)構(gòu)對(duì)稱型雙面斜楔-杠桿增力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。圖 2-12 雙面斜楔-杠桿二次增力機(jī)構(gòu)使用雙面斜楔增力機(jī)構(gòu)，可用于雙向夾緊工件的場(chǎng)合。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，可以得到，斜楔-杠桿增力機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù)為： it= l1 l2tan (2

42、-10)式中： l1 杠桿主動(dòng)臂的長(zhǎng)度； l2杠桿被動(dòng)臂的長(zhǎng)度； 斜楔角。2.2.1.3 鉸桿-杠桿增力機(jī)構(gòu)1非對(duì)稱型將鉸桿和杠桿進(jìn)行組合，可以得到另一種基于角度-長(zhǎng)度效應(yīng)的增力機(jī)構(gòu)，如圖2-13、2-14所示。其理論增力系數(shù)為兩種增力機(jī)構(gòu)的乘積：it= l1 l2tan (2-11) 圖2-13 單邊單向輸入鉸桿裝置 圖2-14 雙邊單向輸入鉸桿裝置與杠桿增力機(jī)構(gòu)的組合 與杠桿增力機(jī)構(gòu)的組合考慮到機(jī)械效率損失則實(shí)際增力系數(shù)可用(2-13)式計(jì)算： ip=fof1= l2 l1tan(+)1 （2-12）在工作狀態(tài)下機(jī)構(gòu)壓平前加緊點(diǎn)的最大行程可用（2-14）式計(jì)算：sq= l1l(cos1-c

43、os1) l2 (2-13)式中： fo輸出力；fi輸入力； l1， l2杠桿式壓板主動(dòng)臂、被動(dòng)臂的長(zhǎng)度；（現(xiàn)取l1l2=2） 鉸桿理論壓力角(如圖2-15所示)；鉸鏈副的當(dāng)量摩擦角，即：=arcsin2rlf (r為鉸鏈軸半徑、現(xiàn)取 10mm，l為鉸桿上兩鉸鏈孔的中心距、現(xiàn)取 100mm，f為鉸鏈副的摩擦因數(shù)、現(xiàn)取 0.1)；1杠桿的傳動(dòng)效率，通常取 0.97。在選擇角度時(shí)，不應(yīng)小于一定的值。一般情況下，應(yīng)在7 10之間。但需要指出的是，這類機(jī)構(gòu)不能象斜鍥機(jī)構(gòu)那樣具有自鎖功能，僅在角很小時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)角趨于零時(shí)，理論上才能自鎖。但這時(shí)，夾緊力將急劇增大，工件及機(jī)構(gòu)中的元件可能會(huì)受力過(guò)大而發(fā)

44、生變形，因此趨向零的角實(shí)際上是不存在的。圖2-14所示機(jī)構(gòu)的工作原理與圖2-13機(jī)構(gòu)相似，雖然其理論增力系數(shù)是圖2-13所示系統(tǒng)的一半。(2) 對(duì)稱型圖2-15所示裝置通過(guò)鉸桿和杠桿進(jìn)行力的放大。同時(shí)該裝置的各構(gòu)件對(duì)稱分布，使滑塊與滑槽之間摩擦很小，比非對(duì)稱結(jié)構(gòu)傳遞效率高，延長(zhǎng)了相關(guān)零件的使用壽命。圖2-15 對(duì)稱型鉸桿-杠桿二次增力機(jī)構(gòu)通過(guò)建立力學(xué)模型，在不考慮鉸桿兩端、杠桿鉸接處、滑塊與滑槽摩擦損失的條件下，機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù) it的計(jì)算公式為：it= l1 l2tan (2-14)考慮摩擦后，實(shí)際力放大系數(shù)ip可由下式計(jì)算：ip=fof1= l1 l2tan(+)1 (2-15)在工作

45、狀態(tài)下機(jī)構(gòu)壓平前加緊點(diǎn)的最大行程可用（9）式計(jì)算：sq= 2l1l(cos1-cos1) l2 (2-16)式中： 杠桿的力傳遞效率；杠桿兩鉸接中心連線與水平方向夾角；當(dāng)量摩擦角。2.2.2 基于長(zhǎng)度-角度效應(yīng)的二次增力機(jī)構(gòu)2.2.2.1 杠桿-斜楔增力機(jī)構(gòu)杠桿-斜楔增力機(jī)構(gòu)如圖2-16所示。機(jī)構(gòu)中將斜楔和同向夾緊杠桿進(jìn)行組合，當(dāng)手柄向左壓時(shí)，帶動(dòng)斜楔水平向左運(yùn)動(dòng)，最后推動(dòng)力輸出件向上移動(dòng)，壓緊工件；手柄向右松開(kāi)時(shí)，斜楔向右移動(dòng)，這樣就可以帶動(dòng)滾輪松開(kāi)工件。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)夾具的自鎖，設(shè)斜楔的角度為，摩擦角為= arctanf，則斜楔自鎖條件：2。假設(shè)在夾緊時(shí)杠桿在豎直位置，通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算可得

46、：it=l1+l2l1tan (2-17)圖2-16 杠桿-斜楔二次增力機(jī)構(gòu)將杠桿和最常見(jiàn)的斜楔組合，通過(guò)簡(jiǎn)單局部的小變化，實(shí)現(xiàn)了所需功能，目前在實(shí)際生產(chǎn)中需要這種小型手動(dòng)夾具的地方很多。2.2.2.2 杠桿-鉸桿式增力機(jī)構(gòu)。當(dāng)輸入水平向上的作用力時(shí)，首先通過(guò)杠桿原理，進(jìn)行了一次力放大，并同時(shí)帶動(dòng)連桿、鉸桿運(yùn)動(dòng)，鉸桿將力傳遞到力輸出件時(shí)，利用角度效應(yīng)進(jìn)行第二次力放大。經(jīng)過(guò)兩次增力之后，由力輸出件輸出作用力fo，當(dāng)撤銷外力之后，輸出件在重力或彈簧力(圖中未示出)的作用下，返回到初始位置。如圖2-17、2-18所示。圖2-17 杠桿-單邊裝置單向輸入鉸桿增力機(jī)構(gòu)不難得出，圖2-17所示二次增力機(jī)構(gòu)

47、的理論增力系數(shù)是杠桿和鉸桿的理論增力系數(shù)乘積： it=it1it1=l1l2tan (2-18) 圖 2-18 杠桿-雙邊裝置單向輸入鉸桿增力機(jī)構(gòu)通過(guò)前面的分析，圖2-18所示機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù)為： it=it1it1=l1+l22ltan (2-19) 2.2.3 基于角度-角度效應(yīng)的二次增力機(jī)構(gòu)利用鉸桿增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，得到系統(tǒng)的力放大效果顯著，力傳遞效率也比較高，因此在實(shí)際使用過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)輸入力方向進(jìn)行二次正交變向的鉸桿機(jī)構(gòu)，我們稱之為二次正交串聯(lián)鉸桿機(jī)構(gòu)。二次正交串聯(lián)鉸桿機(jī)構(gòu)，從數(shù)量上比一次機(jī)構(gòu)要龐大得多。從空間布置上，一次機(jī)構(gòu)置于對(duì)稱式二次機(jī)構(gòu)外側(cè)的，我們稱之為二次正交

48、外置式串聯(lián)鉸桿機(jī)構(gòu)；一次機(jī)構(gòu)置于對(duì)稱式二次機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)的，我們稱之為二次正交內(nèi)置式串聯(lián)鉸桿機(jī)構(gòu)。而二次機(jī)構(gòu)僅有一副等長(zhǎng)雙桿的非對(duì)稱機(jī)構(gòu)，如圖2-8、2-10所示機(jī)構(gòu)，則不存在一次機(jī)構(gòu)外置與內(nèi)置的問(wèn)題。二次正交單鉸桿雙鉸桿串聯(lián)的組合機(jī)構(gòu)，及其外置式單鉸桿 雙鉸桿串聯(lián)組合的對(duì)稱演繹機(jī)構(gòu)，分別如圖2-19、2-20 所示。 圖 2-19 二次正交單鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖 2-20 二次正交外置式單鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)二次正交單鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)和二次正交外置式單鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it均為：it=121tantan+1 (2-20)二次正交雙鉸桿雙鉸桿串聯(lián)的組合機(jī)構(gòu)，及其外置

49、式雙鉸桿雙鉸桿串聯(lián)組合的對(duì)稱演繹機(jī)構(gòu)，分別如圖 2-21、圖 2-22 所示。二次正交雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)和外置式二次正交雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it均為： it=141tantan+1 (2-21) 圖2-21 二次正交雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖2-22 外置式二次正交雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)內(nèi)置式二次正交雙鉸桿雙鉸桿串聯(lián)的對(duì)稱型組合機(jī)構(gòu)，及對(duì)稱雙鉸桿雙鉸桿串聯(lián)的對(duì)稱型組合機(jī)構(gòu)，分別如圖2-23、圖2-24 所示。 圖2-23 內(nèi)置式二次正交雙鉸桿-雙鉸桿 圖2-24 內(nèi)置式二次正交對(duì)稱雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)圖 串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)內(nèi)置式二次正交雙鉸桿-雙鉸桿串聯(lián)對(duì)稱機(jī)構(gòu)的

50、理論力放大系數(shù)it為： it=12tantan (2-23)1力放大系數(shù)i當(dāng)鉸桿機(jī)構(gòu)的壓力角， 較小時(shí)，便具有明顯的力放大功能。輸出力fo與fi輸入力的比值，我們稱之為力放大系數(shù)，常用i表示。即i=fofi不計(jì)摩擦損失條件下的力放大系數(shù)，我們稱之為理論力放大系數(shù)，用it表示。即it=fotfq一般說(shuō)來(lái)，可以比較的類似型機(jī)構(gòu)，單鉸桿機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)，是雙鉸桿機(jī)構(gòu)的2倍。而對(duì)于二次正交串聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，理論力放大系數(shù)it的計(jì)算公式，一般則表現(xiàn)為，有某一部分是壓力角， 的正切函數(shù)乘積的倒數(shù)。根據(jù)正切函數(shù)的特性，可以極為容易地判斷出，二次正交串聯(lián)機(jī)構(gòu)的力放大效果，要顯著優(yōu)于一次正交機(jī)構(gòu)。例如，在圖 2

51、-13、2-6 兩種機(jī)構(gòu)中，我們?nèi)? =6o，則二者理論力放大系數(shù)的比值。ft13ft6=1tan60100這說(shuō)明當(dāng)壓力角，的值較小時(shí)，二次正交串聯(lián)機(jī)構(gòu)的力放大系數(shù)，相對(duì)于一次正交機(jī)構(gòu)，有可能高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。2 輸出位移so當(dāng)給機(jī)構(gòu)的力輸入元件施加一個(gè)作用力，并使其產(chǎn)生一定的輸入位移si后，便將使力輸出元件產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出位移so。盡管鉸桿機(jī)構(gòu)具有顯著的力放大功能，但任何力放大機(jī)構(gòu)都不可能做到既放大力，又放大位移，而是要以輸出位移so相對(duì)于輸入位移si的相應(yīng)縮小為代價(jià)。也就是說(shuō)，機(jī)構(gòu)的理論力放大系數(shù)it的值越大，比值sosi越小。當(dāng)機(jī)構(gòu)輸出位移so與輸入位移si，是線性函數(shù)關(guān)系時(shí)（例如等壓力

52、角斜楔機(jī)構(gòu)），一般有sosi=1it。但鉸桿機(jī)構(gòu)的so與si之間，并不是線性函數(shù)關(guān)系。因此，只有在微觀尺度上，即瞬時(shí)輸入位移si0的條件下，上述關(guān)系式才能成立。在宏觀尺度上，鉸桿機(jī)構(gòu)的位移比值sosi，要顯著大于1it即sosi1it這是機(jī)構(gòu)的一個(gè)極為突出的優(yōu)點(diǎn)。即當(dāng)機(jī)構(gòu)的壓力角，較大時(shí)，可使力輸出元件快速趨近作用對(duì)象；而當(dāng)力輸出元件接觸到其作用對(duì)象的表面時(shí)，便停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)機(jī)構(gòu)的壓力角， 已經(jīng)變得很小，就能夠得到相對(duì)于輸入力fi大得多的輸出力fo。2.3 三次增力機(jī)構(gòu)2.3.1 基于角度長(zhǎng)度角度效應(yīng)的三次串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)圖2-25所示的是等長(zhǎng)雙臂鉸桿杠桿等長(zhǎng)雙臂鉸桿串聯(lián)組合的三次增力機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)相對(duì)較大。圖 2-25 等長(zhǎng)雙臂鉸桿杠桿等長(zhǎng)雙臂鉸桿串聯(lián)組合的三次增力機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，據(jù)靜力