曲面恒力机构的设计-刘洋(修改10).docx

曲面恒力机构的设计刘洋 李德军 姚进（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）摘要：设计了一种曲面恒力机构，该机构主要由一个圆柱面和一个曲面组成。圆柱面与曲面之间接触点法向力的大小和方向满足一定的关系，使法向力在竖直方向的分力保持恒定。建立了法向力大小与方向之间的关系，并确定了圆柱面圆心运动轨迹为抛物线，通过包络加工可得到实际曲面。最后，分别讨论了由摩擦力引起的误差、机构安装误差和加工误差对该机构恒力输出的影响。结果表明，摩擦力对机构恒力输出的影响很小，验证了忽略摩擦力的合理性，简化了运动轨迹方程的求解过程，从而使得该机构的数学模型简单，且获取实际曲面轮廓的加工方法简单，能够实现较为精确的恒力输出。关键词：曲面；恒力；轨迹方程；误差分析Design of curved surface constant force mechanismLiu YangYao Jin(College of Manufacturing Sci.and Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China)Abstract: A kind of curved surface constant force mechanism has been designed. The principle of this mechanism is that the contour of parts to produce constant force meets certain requirements, so that the direction of the normal force of the components’contact point has certain function relationship to do with horizontal force. Through reasonable design the theoretical calculation（未完）.Key words：curved surface；constant force；trajectory equations；error analysis 0 引言恒力机构能在牵引物体运动过程中保持恒定的作用力，它不同于传统的圆柱弹簧与其他弹性体，恒力机构不满足胡克定理[1]。恒力机构对设备的安全性和可靠性有重要影响，恒力机构现已在诸多领域和场合得到了广泛应用，如物体夹持[2]、管道清洗[3]、热力发电[4]、机器人末端机构[5,6]等。目前，获取恒力的方法主要包括通过重力获取和通过弹性体变形获取。文献[7,8]介绍的线切割机恒力张紧机构通过重物受到的重力作为恒力的输出，使得零件加工精度提高，这种方式对使用条件有一定的要求，只能在竖直方向产生恒力，使用范围窄，因此，在实际应用，通过弹性体的变形获取恒力方式得到了广泛更加的应用。文献[9,10]设计了一种恒力机构作为电子连接器，该机构简单，通过建立优化数学模型，研究了它的恒力特性。文献[11]设计了一种基于弹簧-凸轮-转轮的恒力机构，通过弹簧-凸轮生成恒定力矩，恒定力矩通过转轮输出恒定力。通过数值求解的方法，求解出了凸轮的轮廓。文献[12]设计了一种恒力弹性机构，其原理是通过设计传力构件廓形，控制构件接触点法向，使机构内部力的传递方向与位移之间呈一定的函数关系，从而达到机构的输出力与位移之间呈所需函数关系的目的。在设计构件时首先假设两接触构件轮廓相同，然后建立数学模型，求出轮廓方程，由于轮廓方程过于复杂，采用数值求解方法获得曲面轮廓。在上述研究中，机构的数学模型要么较为复杂，要么难以建立。针对以上不足，本文设计了一种曲面恒力机构。该方案主要由一个圆柱面和一个曲面组成，曲面轮廓满足一定的要求，使得圆柱面与曲面之间接触点法向力的方向与水平力呈一定的函数关系。基于此原理，设计了该机构的结构方案。求解出了的圆柱面圆心运动轨迹方程，并计算了实际曲面轮廓。讨论了由摩擦力引起的误差、机构安装误差和加工误差对该机构恒力输出的影响。该恒力机构的数学模型简单，获取实际曲面轮廓的加工方法简单，能够实现较为精确的恒力输出。1曲面恒力机构的结构设计图1 曲面恒力机构结构图Fig1. The structure of the curved surface constant force mechanism如图1所示，整个结构关于曲面推杆1呈对称布置，其中垂直滑块4和垂直滑块5上都安装有多个轴承，主要是为了减小摩擦，且轴承之间错开安装可使体积减小，结构紧凑。初始状态时，两个垂直滑块5接触，且曲面推杆1的曲面部分与两个垂直滑块同时接触。两个弹簧3有一定的预压，预压长度与轴承6半径相等，为了使弹簧3的预压长度较为精确，可通过调节螺钉2进行微调。