CN104308209B - 磁流变柔性夹具系统及夹紧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁流变柔性夹具系统及夹紧方法，属定位装夹领域。它由外部转盘、螺纹转盘、移动卡爪、锥齿轮、多个磁流变夹具构成。磁流变夹具固定连接在可移动卡爪内部。多个移动卡爪在各自槽型导轨内可同时、同速向中心靠近。设置两级励磁线圈中电流，在夹具内部产生磁场，磁流变材料性质发生变化。缓慢驱动锥齿轮，直到限位开关触发，发出已夹紧信号。通过磁路设计，将受挤压的磁流变材料磁场强度的控制转换为励磁线圈电流大小的控制，并利用磁流变材料在磁场作用下固化的特性，进而控制磁流变材料的屈服力，实现控制夹紧力。本发明能够调整夹具完成零构件的定位、定心任务，可以无级调节夹紧力大小，吸收工件加工过程中振动能量，改善工件的受力。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁流变柔性夹具系统及夹紧方法，属于定位装夹技术领域。
背景技术
在制造领域，薄壁、柔软件加工是很常见的被加工件。这些构件在工业生产中，常用机床夹具对工件的夹紧力难以把握，夹紧力过小，会导致加工过程中工件移动从而加工失败；夹紧力过大，会导致工件自身变形，对工件加工后的形状位置公差产生较大影响。另外，加工过程工件产生的振动也可能使工件达不到尺寸精度要求而导致返工或报废。大多数夹具仅用于刚性零件的加工和装配，对于较易变形的零件需要专门设计相应夹具，这极大的限制了生产加工的灵活性。随着越来越多的企业追求高效快速的制造目标,在机械行业中具有更高灵活性的夹具系统应运而生。发明目的：发明一种柔性的夹具系统，解决现有的传统夹具存在的对工件的夹紧力难以把握的问题。
发明内容
针对专用普通夹具夹紧力难以把握的缺点，本发明提供了一种磁流变柔性夹具系统，能够完成零构件的夹紧任务和连续可控地调整夹紧力。
本发明具有以下特征：磁流变柔性夹具系统包括外部转盘、螺纹转盘、移动卡爪、锥齿轮、磁流变夹具；所述螺纹转盘安装于外部转盘内部，且可相对于外部转盘旋转；其中螺纹转盘一侧为锥齿轮结构，另一侧为面螺纹结构；所述锥齿轮安装于外部转盘上并且与所述螺纹转盘的锥齿轮结构啮合；所述移动卡爪安装于外部转盘的槽型导轨中；移动卡爪具有与所述螺纹转盘的面螺纹结构配合的螺纹结构；所述磁流变夹具安装于移动卡爪上。
上述磁流变夹具包括缸体、端盖、第一级铁芯、第二级铁芯、第三级铁芯、第一级励磁线圈、第二级励磁线圈、推力杆、夹头；第一级铁芯为纵截面是U字形的筒形结构；第一级励磁线圈安装于第一级铁芯内壁；第二级铁芯由两个直径大小不一样的筒型段组成，每个筒型段纵截面均为U字形；第二级励磁线圈安装于第二级铁芯大直径筒形段内壁；第三级铁芯为纵截面是U字形的筒形结构；第二级铁芯和第三级铁芯具有中心通孔；上述第一级、第二级、第三级铁芯均安装于缸体中；其中第一级铁芯位于缸体底部；第二级铁芯的小直径筒形段套于第一级励磁线圈内部，且第二级铁芯大小直径外分界面紧靠在第一级铁芯顶部上，第二级铁芯的小直径筒形段端部、第一级铁芯内底面和第一级励磁线圈之间形成第一级腔；第三级铁芯底部套于第二级励磁线圈内部，且第三级铁芯顶部边沿紧靠在第二级铁芯的大直径筒形段顶部上，第三级铁芯小直径端面与第二级铁芯大直径内底面、第二级励磁线圈之间形成第二级腔；推力杆末端具有第一级推力盘, 推力杆中部具有第二级推力盘；推力杆安装于缸体中，贯穿第二级铁芯和第三级铁芯的中心通孔；推力杆的第一级推力盘位于第一级腔中，且第一级推力盘和第一级铁芯内底面之间充有磁流变材料；第二级推力盘位于第二级腔中，且第二级推力盘和第二级铁芯大直径内底面之间充有磁流变材料；端盖安装于缸体端部，推力杆头部穿过端盖，夹头安装于推力杆头部，夹头与端盖之间安装有复位弹簧，夹头安装有限位开关。上述端盖、第三级铁芯筒段内、推力杆之间形成磁流变材料补偿腔，其内充有磁流变材料；磁流变材料补偿腔与第二级腔、第一级腔通过补充通道依次相连。
装夹准备阶段，根据被夹工件的尺寸大小调节磁流变夹具在移动卡爪内部通孔中的位置，并用调整螺钉将两者固连成一体。开始装夹工件前，在处于压缩状态的复位弹簧的作用下，第一级推力盘和第二级推力盘分别紧靠第二级铁芯的小直径端面和第三级铁芯的小直径端面，为磁流变材料的屈服变形预留一定行程。将工件放置在三个磁流变夹具形成的中间孔内，驱动锥齿轮带动螺纹转盘作旋转运动，螺纹转盘的旋转运动带动移动卡爪在外部转盘的槽型导轨中作直线运动。当安装在移动卡爪内部的磁流变夹具接触到工件时，实现工件的定位并完成初步夹紧即工件的定位。设置磁流变夹具中第一级励磁线圈的电流大小，在磁流变夹具内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第一级铁芯筒形壁、第二级铁芯大小直径端分界处、第二级铁芯小直径筒形壁、第一级推力盘、第一级推力盘底部与第一级铁芯底部之间的磁流变材料、第一级铁芯的底部，最后回到第一级铁芯的筒形壁，形成封闭的磁回路；设置磁流变夹具中第二级励磁线圈的电流大小，在磁流变夹具内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第二级铁芯大直径段筒形壁、第三级铁芯、第二级推力盘、第二级推力盘底部与第二级铁芯大直径内底面之间的磁流变材料、第二级铁芯的大小直径段分界处，最后回到第二级铁芯的大直径段筒形壁，形成封闭的磁回路。由于第一级推力盘（第二级推力盘）到第一级腔（第二级腔）两个端面的距离之和不变，其间的磁流变材料所在磁场强度不随推力盘的位置而改变，方便了磁路设计。磁流变材料在一定磁场作用下力学性质会发生变化：在一定范围内，其屈服应力δ会随着磁场强度的增加而增加。而磁场强度由励磁线圈电流决定，因此可以通过调节第一级励磁线圈和第二级励磁线圈的电流大小i，来调节磁流变材料的屈服应力δ (i)。屈服应力δ乘以推力盘受力面积即是屈服力f(i)。缓慢增加施加在锥齿轮上的驱动力，处于第一级腔内的磁流变材料受到第一级铁芯内底面和第一级推力盘的挤压，第二级腔内的磁流变材料受到第二级铁芯的大直径内底面与第二级推力盘的挤压。当两处的挤压力之和F小于这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)时，受挤压的磁流变材料变形量微小，端盖与夹头之间的距离较大，限位开关未触发。当施加在锥齿轮上的驱动力增加到一定值时，两级推力盘所受挤压力之和F与这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)相等，受挤压的磁流变材料变形量迅速增大，端盖与夹头之间的距离迅速减小，在运动过程中夹紧力保持不变，限位开关触发，发出夹紧信号表明工件已在预设夹紧力作用下夹紧，夹紧力等于两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)。外部转盘可以带动整个夹具系统作旋转运动，进而对工件进行旋转切削加工。由于磁流变材料的阻尼作用，能够吸收加工过程中的振动能量，改善工件的受力。切断外部转盘的旋转驱动电源，待其停止转动后，切断第一级励磁线圈和第二级励磁线圈的线圈电流，两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)几乎为零，夹紧力也几乎为零，即可取出工件。
有益效果：本发明能够柔性调整夹具完成零构件的定位、夹紧任务，可以在夹紧前通过调节励磁线圈电流大小无级调节夹紧力大小，吸收加工过程中振动能量，改善工件的受力。同时，具有夹紧通报作用，夹紧方便，维修、更换方便。本发明能够根据需要调节夹紧力，并可在达到预定夹紧力时发出夹紧信号；对于圆柱形被夹紧工件亦可实现自定心装夹。工件的形状和尺寸有一定变化后，该具还能适应这种变化并继续使用。磁流变柔性夹具系统最大装夹尺寸可调，夹紧力无级可调，且具有阻尼防振作用，改善了被夹紧件的受力。
附图说明
图1为磁流变夹具系统外部传动原理图，图中最粗的箭头表示动力源；
图2为磁流变柔性夹具系统示意图，图中最粗的箭头表示动力源；
图3为单个磁流变夹具结构图；
图中标号名称: 1.磁流变材料，2.螺纹转盘，3.锥齿轮，4.移动卡爪,
5.磁流变夹具，6.螺钉，7.外部转盘，8.夹头，9.限位开关，10.端盖，11.补偿腔，12.缸体，13.推力杆，13a.第一级推力盘，13b.第二级推力盘，14.第一级励磁线圈，15.第二级励磁线圈，16.第二级铁芯，17.第一级铁芯，18.第三级铁芯，19.复位弹簧，20.第二级腔，21.补偿通道，22.第一级腔，A.第三级铁芯小直径端面，B.第二级铁芯大直径内底面，C.第二级铁芯小直径端面，D.第一级铁芯内底面。
具体实施方式
参照附图1和图2，装夹准备阶段，根据被夹工件的尺寸大小调节磁流变夹具5在移动卡爪4内部通孔中的位置，并用调整螺钉6将两者固连成一体。开始装夹工件前，在处于压缩状态的复位弹簧19的作用下，第一级推力盘13a和第二级推力盘13b分别紧靠第二级铁芯16的小直径端面C和第三级铁芯18的小直径端面A，为磁流变材料的屈服变形预留一定行程。将工件放置在三个磁流变夹具形成的中间孔内，驱动锥齿轮3带动螺纹转盘2作旋转运动，螺纹转盘2的旋转运动带动移动卡爪4在外部转盘7的槽型导轨中作直线运动。当安装在移动卡爪4内部的磁流变夹具5接触到工件时，实现工件的定位并完成初步夹紧。
参照附图3，设置磁流变夹具5中第一级励磁线圈14的电流大小，在磁流变夹具5内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第一级铁芯17筒形壁、第二级铁芯16大小直径端分界处、第二级铁芯16小直径筒形壁、第二级铁芯16小直径端面C与第一级推力盘13a之间的缝隙、第一级推力盘13a、第一级推力盘13a底部与第一级铁芯17底部之间的磁流变材料、第一级铁芯17的底部，最后回到第一级铁芯17的筒形壁，形成封闭的磁回路；设置磁流变夹具5中第二级励磁线圈15的电流大小，在磁流变夹具5内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第二级铁芯16大直径段筒形壁、第三级铁芯18、第二级推力盘13b、第二级推力盘13b底部与第二级铁芯16大直径内底面B之间的磁流变材料、第二级铁芯16的大小直径段分界处，最后回到第二级铁芯16的大直径段筒形壁，形成封闭的磁回路。由于第一级推力盘13a第二级推力盘13b到第一级腔22第二级腔20两个端面的距离之和不变，其间的磁流变材料所在磁场强度不随推力盘的位置而改变，方便了磁路设计。磁流变材料在一定磁场作用下力学性质会发生变化：在一定范围内，其屈服应力δ会随着磁场强度的增加而增加。而磁场强度由励磁线圈电流决定，因此可以通过调节第一级励磁线圈14和第二级励磁线圈15的电流大小i，来调节磁流变材料的屈服应力δ(i)。屈服应力δ乘以推力盘受力面积即是屈服力f(i)。
参照附图2和图3，缓慢增加施加在锥齿轮3上的驱动力，处于第一级腔22内的磁流变材料受到第一级铁芯17内底面D和第一级推力盘13a的挤压，第二级腔20内的磁流变材料受到第二级铁芯16的大直径内底面B与第二级推力盘13b的挤压。当两处的挤压力之和F小于这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)时，受挤压的磁流变材料变形量微小，端盖10与夹头8之间的距离较大，限位开关(9)未触发。当施加在锥齿轮3上的驱动力增加到一定值时，两级推力盘所受挤压力之和F与这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)相等，受挤压的磁流变材料变形量迅速增大，端盖10与夹头8之间的距离迅速减小，限位开关(9)触发，发出夹紧信号表明工件已在预设夹紧力作用下夹紧，夹紧力等于两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)。外部转盘7可以带动整个夹具系统作旋转运动，进而对工件进行旋转切削加工。切断外部转盘7的旋转驱动电源，待其停止转动后，切断第一级励磁线圈14和第二级励磁线圈15的线圈电流，两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)几乎为零，夹紧力也几乎为零，即可轻松取出工件。
Claims (3)
1.一种磁流变柔性夹具系统，其特征在于：
包括外部转盘(7)、螺纹转盘(2)、移动卡爪(4)、锥齿轮(3)、磁流变夹具(5)；
所述螺纹转盘(2)安装于外部转盘(7)内部，且可相对于外部转盘(7)旋转；其中螺纹转盘(2)一侧为锥齿轮结构，另一侧为面螺纹结构；所述锥齿轮(3)安装于外部转盘(7)上并且与所述螺纹转盘(2)的锥齿轮结构啮合；
所述移动卡爪(4)安装于外部转盘(7)的槽型导轨中；移动卡爪(4)具有与所述螺纹转盘(2)的面螺纹结构配合的螺纹结构；
所述磁流变夹具(5)安装于移动卡爪(4)上；
上述磁流变夹具(5)包括缸体(12)、端盖(10)、第一级铁芯(17)、第二级铁芯(16)、第三级铁芯(18)、第一级励磁线圈(14)、第二级励磁线圈(15)、推力杆(13)、夹头(8)；
第一级铁芯(17)为纵截面是U字形的筒形结构；第一级励磁线圈(14)安装于第一级铁芯(17)内壁；
第二级铁芯(16)由两个直径大小不一样的筒型段组成，每个筒型段纵截面均为U字形；第二级励磁线圈(15)安装于第二级铁芯(16)大直径筒形段内壁；
第三级铁芯(18)为纵截面是U字形的筒形结构；
第二级铁芯(16)和第三级铁芯(18)具有中心通孔；
上述第一级、第二级、第三级铁芯均安装于缸体(12)中；
其中第一级铁芯(17)位于缸体(12)底部；
第二级铁芯(16)的小直径筒形段套于第一级励磁线圈(14)内部，且第二级铁芯(16)大小直径外分界面紧靠在第一级铁芯(17)顶部上，第二级铁芯(16)的小直径端面(C)、第一级铁芯(17)的内底面(D)和第一级励磁线圈(14)之间形成第一级腔(22)；
第三级铁芯(18)底部套于第二级励磁线圈(15)内部，且第三级铁芯(18)顶部边沿紧靠在第二级铁芯(16)的大直径筒形段顶部上，第三级铁芯(18)的小直径端面(A)与第二级铁芯(16)的大直径内底面(B)、第二级励磁线圈(15)之间形成第二级腔(20)；
推力杆(13)末端具有第一级推力盘(13a)，推力杆(13)中部具有第二级推力盘(13b)；推力杆(13)安装于缸体(12)中，贯穿第二级铁芯(16)和第三级铁芯(18)的中心通孔；
推力杆(13)的第一级推力盘(13a)位于第一级腔(22)中，且第一级推力盘(13a)和第一级铁芯(17)的内底面(D)之间充有磁流变材料；
第二级推力盘(13b)位于第二级腔(20)中，且第二级推力盘(13b)和第二级铁芯(16)的大直径内底面(B)之间充有磁流变材料；
端盖(10)安装于缸体(12)端部，推力杆(13)头部穿过端盖，夹头(8)安装于推力杆(13)头部，夹头(8)与端盖(10)之间安装有复位弹簧(19)，夹头(8)安装有限位开关(9)。
2.根据权利要求1所述的磁流变柔性夹具系统，其特征在于：上述端盖(10)、第三级铁芯(18)的筒段内壁、推力杆(13)之间形成磁流变材料补偿腔(11)，其内充有磁流变材料；磁流变材料补偿腔(11)与第二级腔(20)、第一级腔(22)通过补充通道(21)依次相连。
3.利用权利要求1所述的磁流变柔性夹具系统的夹紧方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、装夹准备阶段，根据被夹工件的尺寸大小调节磁流变夹具(5)在移动卡爪(4)内部通孔中的位置，并用调整螺钉(6)将两者固连成一体；
步骤2、开始装夹工件前，在处于压缩状态的复位弹簧(19)的作用下，第一级推力盘(13a)和第二级推力盘(13b)分别紧靠第二级铁芯(16)的小直径端面(C)和第三级铁芯(18)的小直径端面(A)，为磁流变材料的屈服变形预留一定行程；将工件放置在几个磁流变夹具之间，驱动锥齿轮(3)带动螺纹转盘(2)作旋转运动，螺纹转盘(2)的旋转运动带动移动卡爪(4)在外部转盘(7)的槽型导轨中作直线运动；当安装在移动卡爪(4)内部的磁流变夹具(5)接触到工件时，实现工件的定位并完成初步夹紧；
步骤3、设置磁流变夹具(5)中第一级励磁线圈(14)的电流大小，在磁流变夹具(5)内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第一级铁芯(17)筒形壁、第二级铁芯(16)大小直径段分界处、第二级铁芯(16)小直径段、第二级铁芯(16)小直径端面(C)与第一级推力盘(13a)之间的缝隙、第一级推力盘(13a)、第一级推力盘(13a)底部与第一级铁芯(17)之间的缝隙、第一级铁芯(17)的底部，最后回到第一级铁芯(17)的筒形壁，形成封闭的磁回路；设置磁流变夹具(5)中第二级励磁线圈(15)的电流大小，在磁流变夹具(5)内部会形成磁场回路：磁感线依次通过第二级铁芯(16)大直径段筒形壁、第三级铁芯(18)、第三级铁芯(18)与第二级推力盘(13b)之间的缝隙，第二级推力盘(13b)、第二级推力盘(13b)与第二级铁芯(16)的大直径内底面(B)之间的缝隙、第二级铁芯(16)的大小直径段分界段，最后回到第二级铁芯(16)的大直径段筒形壁，形成封闭的磁回路；磁流变材料在一定磁场作用下力学性质会发生变化：在一定范围内，其屈服应力δ会随着磁场强度的增加而增加；而磁场强度由励磁线圈电流决定，因此可以通过调节第一级励磁线圈(14)和第二级励磁线圈(15)的电流大小i，来调节磁流变材料的屈服应力δ(i)；屈服应力δ乘以推力盘受力面积即是屈服力f(i)；
步骤4、缓慢增加施加在锥齿轮(3)上的驱动力，移动卡爪(4)和缸体(12)向工件移动，使得处于第一级腔(22)内的磁流变材料受到第一级铁芯(17)内底面(D)和第一级推力盘(13a)的挤压，第二级腔(20)内的磁流变材料受到第二级铁芯(16)的大直径内底面(B)与第二级推力盘(13b)的挤压；当两处的挤压力之和F小于这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)时，受挤压的磁流变材料变形量微小，端盖(10)与夹头(8)之间的距离较大，限位开关(9)未触发；当施加在锥齿轮(3)上的驱动力增加到一定值时，两级推力盘所受挤压力之和F与这两处的磁流变材料屈服力之和Q(i)相等，受挤压的磁流变材料变形量迅速增大，端盖(10)与夹头(8)之间的距离迅速减小，限位开关(9)触发，发出夹紧信号表明工件已在预设夹紧力作用下夹紧，夹紧力等于两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)；外部转盘(7)可以带动整个夹具系统作旋转运动，进而对工件进行旋转切削加工；
步骤5、切断外部转盘(7)的旋转驱动电源，待其停止转动后，切断第一级励磁线圈(14)和第二级励磁线圈(15)的线圈电流，两级腔中受挤压的磁流变材料的屈服力之和Q(i)几乎为零，夹紧力消失，即可取出工件。
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