夾緊機構

  (1) 夾緊方案的確定

  從夾具的角度來看，常用的夾緊機構有螺紋夾緊、斜楔夾緊、偏心輪夾緊、氣動夾緊等幾種。由于氮氣彈簧的充氣壓力將達到2～5MPa，屬于高壓工況的范疇，對操作人員存在一定的安全風險，因此夾緊機構的安全性與穩(wěn)定性就顯得尤為重要。螺紋夾緊自鎖性好，但工作效率較低;斜楔夾緊在確保自鎖的前提下，摩擦角較小，因此工作行程較長，從而影響了夾緊的效率;氣動夾緊和聯動夾緊的反作用力直接作用于氣缸，自鎖性無法得到保證。

  鑒于此，螺紋夾緊成為夾緊方案的首要選擇，考慮到其工作效率較低，采用氣缸驅動的螺紋夾緊方案，以便在自鎖性能和工作效率上達到完美的結合。

  在氣缸的作用下，齒條帶動齒輪旋轉，齒輪又帶動壓緊螺桿2 旋轉，從而實現對氮氣彈簧的夾緊與松開。

  (2) 密封方案的確定

  在氮氣彈簧的充氣過程中，必須在氮氣彈簧底部(氮氣彈簧充氣口所在部位)和定位密封體定位孔之間形成一個密閉的空間，以便氮氣能夠充進彈簧。O形圈密封是一種典型的擠壓型密封，鑒于其通用性及成熟度，采用O形圈進行密封。O形圈一般安裝在密封溝槽內，但是O形密封圈的密封效果在很大程度上取決于O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。如果O形圈壓縮量過小，就會引起泄漏;反之，如果壓縮量過大，則會導致O形密封圈橡膠應力松弛，引起泄漏。

  (3) 夾緊力的確定

  根據生產實際， 工廠能夠提供的工作氣源氣壓一般大于0.3MPa，因此，以0.3MPa 作為夾緊氣缸的工作壓力，氣缸所需截面積為：S=5.14/0.3=17.143 cm2=1 714.3 mm2參考AirTac 氣動元件樣本手冊，選取氣缸缸徑50mm，桿徑為20mm。

  設計壓緊螺桿上下行程為12mm，根據螺桿螺距，則每次壓緊過程，螺桿要轉12/5=2.2圈，由于齒輪節(jié)圓直徑為32mm，因此氣缸所需行程為：L=32×2.2×π=221.168 mm所以，氣缸行程取為250 mm。

  (4) 夾緊過程氣動回路的設計夾緊機構及氣缸選定后，即可設計該氣動控制回路

  需要特別強調的是，由于摩擦力的存在，氣動螺紋自鎖夾緊機構在松開時，要抵消一部分摩擦力，即松開瞬間的力要大于夾緊力，因此，在設計過程中，要確保氣動螺紋自鎖夾緊機構在常態(tài)下(即電磁閥斷電時)氣缸處于伸出狀態(tài)，此時自鎖夾緊機構處于松開狀態(tài)，當給電磁閥通電時，氣缸收回，此時自動夾緊機構處于夾緊狀態(tài)。

  高壓充氣回路

  (1) 穩(wěn)壓的實現

  一方面，在對氮氣彈簧進行充氣時，壓力的穩(wěn)定性十分重要;另一方面，由于氮氣彈簧氣腔較小，充氣時間極短，容易造成沖擊，因此如何保證充氣過程中充氣壓力的穩(wěn)定是高壓充氣回路設計的難點。該充氣機通過在充氣回路中加入一個容積遠大于氮氣彈簧氣腔的穩(wěn)壓蓄能器來解決這個問題。通過壓力繼電器的控制，可以確保穩(wěn)壓蓄能器中的壓力一直處于設計的壓力范圍， 然后通過穩(wěn)壓蓄能器中穩(wěn)定的高壓氮氣給彈簧充氣，而不是直接由高壓氮氣瓶向彈簧充氣。該方法不僅在理論上可行，同時也能夠較大地改善氮氣彈簧的充氣精度。

  (2) 充氣結束后高壓氣體的處理

  氮氣彈簧的充氣壓力需達到2～5 MPa，相當于高時要達到50 個標準大氣壓，因此，在充氣結束，夾緊機構松開時，由于定位密封體內存在殘余的高壓氣體，沖擊和噪聲非常大，容易引起安全隱患，必須在夾緊機構松開前，先把定位密封體內的殘余高壓氣體排出， 這也是在進行高壓氣路設計時必須考慮的問題。

  (3) 高壓氣路圖的設計

  穩(wěn)壓蓄能器由壓力繼電器控制，壓力繼電器的控制精度可達到±0.1MPa。

  檢測穩(wěn)壓蓄能器中的氮氣壓力是否達到充氣要求，如果達到充氣要求，則電磁閥通電，系統開始充氣;如果壓力低于設定的低值時，則電磁閥斷電，然后通過壓力繼電器打開電磁閥，高壓氮氣瓶向穩(wěn)壓蓄能器補充高壓氮氣;當壓力達到預先設定時，通過壓力繼電器斷開電磁閥。這一過程可以始終確保穩(wěn)壓蓄能器中壓力的穩(wěn)定。

  充氣時，首先判斷電磁閥是否斷開，如果斷開，則可以開始充氣。此時，電磁閥通電，穩(wěn)壓蓄能器與氮氣彈簧接通，其提供的壓力穩(wěn)定的高壓氮氣充進彈簧。

  充氣結束后，電磁閥斷開，然后電磁閥通電，將定位密封體內的殘余高壓氣體排出。

  實現過程

  自動充氣機的結構設計：

  高壓氣路中，電磁閥是由壓力繼電器控制的。當穩(wěn)壓蓄能器中的壓力低于預先設定的值，則電磁閥通電;當穩(wěn)壓蓄能器中的壓力高于預先設定的值，則電磁閥斷開。

  氮氣彈簧的自動充氣過程如下：

  充氣前：當傳感器和檢測到氮氣彈簧裝入定位密封體內后，同時按下聯動開關，電磁閥通電，從而氣缸收回，氮氣彈簧被夾緊，完成充氣前的準備工作。

  補氣時：上述準備結束后，高壓充氣回路接到開始充氣的信號。此時，由壓力繼電器判斷穩(wěn)壓蓄能器中的氮氣壓力是否達到充氣要求，如果達到充氣要求，則開始充氣;如果壓力低于設定值時，電磁閥首先斷電， 然后壓力繼電器打開電磁閥， 高壓氮氣瓶向穩(wěn)壓蓄能器補充高壓氮氣;當壓力達到預先設定值時，壓力繼電器斷開電磁閥。這一過程可以始終確保穩(wěn)壓蓄能器中壓力的穩(wěn)定。

  充氣時：首先判斷電磁閥是否斷開，如果斷開，則可以開始充氣。此時，電磁閥通電，穩(wěn)壓蓄能器提供的壓力穩(wěn)定的高壓氮氣充進彈簧。

  充氣后：電磁閥斷開，并接通電磁閥，將定位密封體內的高壓殘余氣體排出;然后給氣動自鎖夾緊機構發(fā)出信號，使電磁閥反向接通，夾緊機構松開。單個彈簧充氣過程結束。