一種雙工位高效氣動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)

林 杰，鐘康民

（1.亞智科技系統(tǒng)（蘇州），江蘇 蘇州 215153；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

在汽車(chē)零部件的生產(chǎn)制造中，生產(chǎn)制造設(shè)備是其中十分重要的一環(huán)。而在設(shè)備的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，與其產(chǎn)品直接接觸的夾具又是重中之重。產(chǎn)品夾具設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)一臺(tái)設(shè)備優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而且直接決定了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性。同時(shí)根據(jù)不同客戶的產(chǎn)品型號(hào)需求，生產(chǎn)制造設(shè)備要不斷的適應(yīng)客戶產(chǎn)品型號(hào)的差別，就需要與之相應(yīng)的配套夾具。另外從成本出發(fā)，一般產(chǎn)品的工藝加工模塊價(jià)格昂貴，為了充分利用這些模塊，往往需要多個(gè)工位夾具與之配合使用。因此設(shè)計(jì)一種可靠高效的多工位產(chǎn)品夾具是批量生產(chǎn)過(guò)程中重要設(shè)計(jì)工作之一。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的種類，工裝夾具可以分為手動(dòng)夾具、氣動(dòng)夾具、液壓夾具和電動(dòng)夾具。各種驅(qū)動(dòng)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其中氣動(dòng)夾具以其夾緊動(dòng)作迅速、能源清潔、便于自動(dòng)化控制、系統(tǒng)故障少以及成本適中等優(yōu)點(diǎn)而使用十分廣泛。

此外，在大批量生產(chǎn)中，為了縮短裝夾工件的輔助時(shí)間，往往采用裝夾時(shí)間與產(chǎn)品加工時(shí)間重合的雙工位高效夾具[1～4]。因此，如何設(shè)計(jì)出一種氣壓傳動(dòng)的雙工位高效夾具，是許多夾具設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨的問(wèn)題。下面，介紹本文設(shè)計(jì)的一種雙工位氣動(dòng)夾具。

1 工作原理

圖1 是夾具的工作原理圖，其設(shè)計(jì)創(chuàng)意在于氣缸活塞桿輸出兩端的滾柱鉸鏈的對(duì)稱設(shè)計(jì)，以及鉸鏈連接L形杠桿的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)夾緊力的放大。當(dāng)雙作用三位五通閥的電磁鐵14 得電而電磁鐵12 失電時(shí)，閥芯處于圖1（a）所示左位狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸左氣腔，推動(dòng)氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng)；右工位活塞桿則通過(guò)右邊的滾柱鉸鏈杠桿增力機(jī)構(gòu)，由右?jiàn)A緊元件對(duì)右工位的工件進(jìn)行夾緊。此時(shí)，左工位活塞桿拉動(dòng)左邊的滾柱鉸鏈杠桿增力機(jī)構(gòu)，使得左夾緊元件向上運(yùn)動(dòng)，從而松開(kāi)左工位的工件以進(jìn)行裝卸。

當(dāng)右邊工件的加工過(guò)程完成后，控制系統(tǒng)使得雙作用三位五通閥的電磁鐵14 失電而電磁鐵12 得電，其閥芯切換至圖1（b）所示右位工作狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入右氣腔，推動(dòng)氣缸活塞向左運(yùn)動(dòng)。該狀態(tài)下，左工位的工件被夾緊，而右工位的工件被松開(kāi)。

左右兩個(gè)工位如此循環(huán)交替工作，巧妙使用了空行程，由于工件的加工時(shí)間與裝卸時(shí)間部分重合，節(jié)約了裝卸時(shí)間，因而大幅度提高了生產(chǎn)效率；另外當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下緊急制動(dòng)按鈕使得雙作用三位五通閥的電磁鐵14 和電磁鐵12 同時(shí)失電，由于彈簧力的作用閥芯處于中間位置，阻止了壓縮空氣的流動(dòng)，使得該夾具的所有動(dòng)作單元都停止在當(dāng)前位置，提高了安全性。

圖1 夾具工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of jig work pricinple

2 力學(xué)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 力學(xué)計(jì)算

圖1 所示夾具中，氣缸所提供的推力FP的計(jì)算公式為[5，6]：

而夾緊元件作用于工件的夾緊力FC，由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中： D、d—?dú)飧谆钊⒒钊麠U的直徑；p—壓縮空氣壓力；ηP—?dú)飧椎牧鬟f效率，一般可取ηP≈0.85；ηT—滾柱鉸鏈杠桿增力機(jī)構(gòu)的力傳遞效率，一般可取ηT≈0.90。

顯然，F(xiàn)C與FP的比值i，就是該氣動(dòng)鉸桿增力機(jī)構(gòu)串聯(lián)作用的增力系數(shù)，即：

在進(jìn)行具體的夾具設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算時(shí)，本文取l1=100mm，l2=20mm，選擇100mm 缸徑的雙作用氣缸，壓縮空氣氣壓p 設(shè)定0.6MPa, 夾緊狀態(tài)時(shí)FP=5000N，同時(shí)取ηT≈0.90，代入式（2）計(jì)算得FC=27000N。這一計(jì)算結(jié)果充分說(shuō)明，夾緊力可以達(dá)到較為理想的設(shè)計(jì)需求，另外利用該滾柱鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)，使得在整個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣缸也只有軸向力，待加工工件也僅承受豎直方向的夾緊力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性較高。

2.2 運(yùn)動(dòng)特性分析

由圖1 中可以看出，隨著氣缸的左右往返運(yùn)動(dòng)，α角也在正角度和負(fù)角度之間變化，當(dāng)α 角為0 度時(shí)，該夾具呈現(xiàn)左右對(duì)稱，當(dāng)α 角為最大設(shè)計(jì)正角度時(shí)，該夾具右工位夾緊工件，左工位釋放工件；當(dāng)角α 為最大設(shè)計(jì)負(fù)角度時(shí)，該夾具左工位夾緊工件，右工位釋放工件，巧妙的利用了氣缸的返回空行程；但其α角的最大設(shè)計(jì)角度與活塞桿的直徑和氣缸的行程有制約關(guān)系，α 角取值不宜過(guò)大，建議-20°≤α≤20°，而氣缸的運(yùn)動(dòng)行程與輸出端夾緊行程之比為is=l1/l2，因此在夾緊力要求較高時(shí)，可取較大值l1/l2，但夾緊的行程應(yīng)設(shè)計(jì)盡量小，否則可能帶來(lái)氣缸行程過(guò)大和缸徑過(guò)大的要求，不僅要求更大的空間，而且也造成能源的不必要浪費(fèi)。

3 結(jié)論

本文介紹的雙工位夾具，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）僅采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸，能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位工件的順序夾緊，工件的切削加工時(shí)間與裝卸時(shí)間重合，節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高。

（2）夾緊單元平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，最終得到最大的夾緊力，符合一般夾具對(duì)夾緊元件運(yùn)動(dòng)速度特性與夾緊力特性的要求，另外通過(guò)改變直角杠桿的角度，可以演繹派生出更多的創(chuàng)新方案，從而具有更廣泛的適用性。

[1] 馮金云，顧錦華，史旭東.空調(diào)壓縮機(jī)連桿雙工位精鏜夾具[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008，12.

[2] SI Guangju, ZHONG Kangmin, JIA Junpeng. Two-point floating clamping device based on fixed cylinder with double-piston and toggle lever force amplifier[J].Advanced Materials Research, 2011.

[3] 申在福，賈軍朋，鐘康民.基于氣動(dòng)肌腱與杠桿-雙面斜楔增力機(jī)構(gòu)的高效夾具[J].機(jī)械制造,2010，3.

[4] 竇云霞，鐘康民.無(wú)液壓泵式氣液增壓雙工位液深機(jī)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010，11.

[5] 王金娥，竇云霞，鐘康民.基于力放大機(jī)構(gòu)toggle 及無(wú)桿活塞缸的可重構(gòu)氣動(dòng)壓力機(jī)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2009，4.

[6] 吳凡，鐘康民.基于三次正交鉸桿增力機(jī)構(gòu)的綠色氣動(dòng)夾具設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011，14.