一種導(dǎo)向浮動結(jié)構(gòu)裝配夾具設(shè)計

王 俊

（貴州長江汽車有限公司，貴州 貴陽 550009）

前言

隨著人民需求的增加，產(chǎn)品開發(fā)已多樣化，同樣也伴隨著形形色色制造系統(tǒng)出現(xiàn)，在制造系統(tǒng)中，夾具是不可或缺的一種輔助裝置，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模大小，結(jié)合夾具結(jié)構(gòu)特點的不同，一般又將夾具分為專用夾具、組合夾具及可調(diào)整夾具等[1]。其中專用夾具主要適用于產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量大，產(chǎn)品互換性要求高的行業(yè)，在眾多生產(chǎn)制造行業(yè)中，汽車中零部件的制造正好滿足生產(chǎn)量大及互換性要求高的條件，即一般都需要配有相應(yīng)專用夾具的生產(chǎn)。雖然各夾具的結(jié)構(gòu)，會根據(jù)產(chǎn)品的區(qū)別而不同，但其設(shè)計思路有共通之處，下文以一種汽車油箱開啟裝置的裝配夾具設(shè)計為例，完整介紹夾具設(shè)計的思路，并設(shè)計出一種具有導(dǎo)向浮動功能的裝配夾具，本文介紹的結(jié)構(gòu)為手動裝配結(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計要求分析

1.1 產(chǎn)品圖紙及數(shù)據(jù)要求

根據(jù)產(chǎn)品工程師提供工程圖（圖 1）可知，該產(chǎn)品由支架、手柄、扭簧及銷軸四部分構(gòu)成，其連接方式如圖1所示，為保證產(chǎn)品在使用過程中不會因配合間隙的過大或過小而引起噪音，結(jié)合產(chǎn)品零件圖紙得知，銷軸與支架、手柄的配合間隙為 δ=0.08～0.15mm。為滿足舒適性及功能性要求，產(chǎn)品配合間隙不便做出調(diào)整，需在裝配中借助一些工具來克服小間隙裝配的困難。

1.2 裝配工藝及夾具設(shè)計要求

經(jīng)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)及圖紙分析，實現(xiàn)該產(chǎn)品的裝配，有兩種裝配順序可供選擇。第一種是扭簧先置于自由狀態(tài)，同時將件支架、手柄、扭簧置于產(chǎn)品裝配位置，然后使用銷軸穿過配合孔位實現(xiàn)裝配，最后再將扭簧的掛鉤放置到裝配位置，即可實現(xiàn)該產(chǎn)品裝配進入下一工序。（如圖2）

圖1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)

圖2 彈簧自由狀態(tài)形式裝配

另一種裝配方案為：先使用工裝將件支架、手柄及扭簧置于裝配位置并鎖定，然后將銷軸插入相應(yīng)的裝配孔中，從而完成裝配進入下一工序。（如圖3 ）

圖3 后裝銷軸形式裝配

根據(jù)產(chǎn)品零件的相關(guān)要求，分別使用兩種方案進行試裝，由于扭簧有掛鉤端懸臂較短（扭簧為其他產(chǎn)品共用件），使用第一種裝配方案時，不能順利將扭簧裝配至所需位置，即不能實現(xiàn)產(chǎn)品的快速裝配或者不能直接裝配，采用第二種方案時相對第一種容易實現(xiàn)，所以采用第二種裝分方案進行產(chǎn)品裝配，但由于使用通用工具組合裝配，單件裝配時間較長，且勞動強度較大?；诋a(chǎn)品的特殊性，需要借助一定的專用工裝，以減輕操作者的勞動強度。設(shè)計的工裝應(yīng)能使產(chǎn)品迅速找正定位、提高生產(chǎn)率，降低操作者勞動強度，在有需要時，可將其結(jié)構(gòu)用于自動化設(shè)備上，以滿足更大批量的生產(chǎn)需求。

2 夾具設(shè)計

2.1 裝夾定位

2.1.1 支架定位

根據(jù)產(chǎn)品特性，參照圖 1，為保證裝配孔（基準 A）位置不變，擬以基準B、C及輔助基準D為產(chǎn)品在夾具上的定位基準，先使支架完成定位，其結(jié)構(gòu)如圖4 。其定位原理為：基準B限制工件4個移動自由度（X、Y向移動及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動自由度），基準C限制繞Z軸旋轉(zhuǎn)自由度，基準D限制Z向移動自由度。

2.1.2 手柄定位

圖4 手柄定位示意圖

按手柄與支架的相對位置關(guān)系及裝配要求，其定位結(jié)構(gòu)如圖4。定位原理為：利用手柄伸出支架外端的四個面定位，為保證產(chǎn)品能順利抓取和定位進行裝配，對零件進行計量統(tǒng)計分析，設(shè)計出產(chǎn)品放置所需的空間（手柄X、Y向限位塊空間），并使用 Z向限位擋片防止產(chǎn)品在裝配過程中向上脫出，同時也限制了支架在Z向另一方向移動。

2.1.3 扭簧裝配定位

因扭簧尺寸較小，裝配時徒手抓取控制不便，所以在將其自由掛置在手柄上及之后動作，需有輔助夾緊裝置（圖 5所示）控制扭簧旋轉(zhuǎn)中心與支架、手柄配合孔同心。該夾緊裝置中，彈簧壓頭末端運動軌跡在扭簧中心外側(cè)，能順利將扭簧壓緊定位至裝配所需位置，圖5所示彈簧壓頭與肘夾連接，通過肘夾運動位置的控制，保證彈簧壓頭及扭簧的位置（若將肘夾操作端與自動化設(shè)備的氣缸連接，又可實現(xiàn)扭簧位置的自動控制）。即通過上述裝置的作用，使支架、手柄及扭簧同心，以保證下一步銷軸的裝配。

圖5 扭簧裝配定位

2.2 裝配機構(gòu)設(shè)計

由于銷軸需要與支架、手柄及扭簧的同心孔配合，且其配合間隙較小，雖然前面設(shè)計的夾具已保證支架、手柄及扭簧已基本同心，但由于制造誤差的影響，其同心度仍有偏差，又因該銷軸為多級臺階形式，所以需設(shè)計一端先行導(dǎo)向，另一端跟隨導(dǎo)向端將銷軸裝入產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，保證銷軸在裝配過程中一直與已夾緊定位的各零件同心，圖6 所示的彈性導(dǎo)向結(jié)構(gòu)即可滿足上述要求。其工作原理為：先將推桿11和導(dǎo)向桿4退至左右末端（導(dǎo)向桿和推桿在同一直線導(dǎo)軌上移動，導(dǎo)向桿和推桿由不同的操作手柄進行控制，以滿足同步運動和異步運動要求），并將支架、手柄及扭簧夾緊定位后，再將銷軸放入彈性浮動機構(gòu)10中，然后將導(dǎo)向桿4從右側(cè)穿過各零件同心孔，與左側(cè)的銷軸中心孔接觸，隨后在外作用力作用下，推桿11向右側(cè)移動（推桿11末端設(shè)計有浮動機構(gòu)壓頭，可在運動過程中，使浮動機構(gòu)向下運動，保證銷軸能與支架、手柄及扭簧配合孔同軸），推動銷軸及導(dǎo)向桿4同步向右端運動，進而使得銷軸在導(dǎo)向桿4、彈性浮動機構(gòu)10及推桿11的共同作用下，順利完成與其他3個零件配合，從而完成裝配過程。在進行下一次裝配之前需先將推桿11及導(dǎo)向桿4分別退至左右末端準備下一次裝配。

圖6 彈性導(dǎo)向機構(gòu)

上文所述彈性浮動機構(gòu)為該夾具實現(xiàn)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)（圖 7）與工作原理如下：為保證銷軸軸心一直處于水平狀態(tài)，特根據(jù)其形狀設(shè)計出一種有斜度的V形槽，又因要保證在裝配時各零件同心，故在推桿上設(shè)計一壓頭（推桿壓頭作用于斜V形槽的斜度與斜V形槽支撐銷軸的槽的斜度一致），推桿在將銷軸向左方推動時同步對斜 V形槽作用，以保證其在運動過程中軸心位置不變（斜V形槽、推桿壓頭及銷軸關(guān)系如圖7所示）。

由于斜V形槽在推桿壓頭的作用下，會向下或向上運動，故需要有一彈性元件將其保持在一相對固定的位置，以滿足在推桿向右方運動時，斜V形槽向下運動，保證銷軸軸心位置不變。同理，推桿11向左方運動放入銷軸時，為保證銷軸的軸心位置，此時需要斜V形槽向上運動。根據(jù)產(chǎn)品的定位夾具結(jié)構(gòu)等邊界條件，設(shè)計其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 斜V形槽浮動結(jié)構(gòu)

為保證操作舒適性及夾具使用可靠性，圖7 中彈簧力不能過大過小，需對彈簧進行設(shè)計計算，選擇合適的彈簧元件。經(jīng)測得斜V形槽與嵌入其中的直線軸承及銷軸（推桿壓頭在放置銷軸時并已經(jīng)作用在斜V形槽上，故銷軸重力也需考慮）共計質(zhì)量m=0.137kg，其重心位于圖7右側(cè)直線軸承組件上，為盡量減輕操作者勞動強度，壓縮彈簧在最大行程處（即銷軸放入后的初始位置）的彈簧力需與重力平衡，即

式中F為彈簧產(chǎn)生的力

為消除彈簧制造誤差（一般為10%）的影響，將彈簧初始狀態(tài)作用力設(shè)計為

經(jīng)對周邊數(shù)據(jù)分析，彈簧小徑需大于直線軸承中導(dǎo)向軸的軸徑 5mm，其初始工作狀態(tài)的高度為 h1=21mm，彈簧壓縮后最大力工作高度h2=14mm。

2.3 夾具選材

各種零件材料的適用性取決于零件的最終功能，并由強度、耐磨性、外觀、耐腐蝕性等特性決定。[2]由于此次需裝配的產(chǎn)品全為合金鋼制件，考慮夾具的使用壽命等要求，對于斜V形槽等與產(chǎn)品直接接觸的裝夾定位零件，選擇常見的夾具用 45#調(diào)質(zhì)為原材料，夾具基座等不和產(chǎn)品直接接觸部分選用鋁材等質(zhì)輕的材料，以保證夾具便于搬運，彈性元件選擇常見的壓縮彈簧（其材料選常用的琴鋼絲，以方便制作）。同時為保證斜V形槽上下運動順暢，選用直線軸承作為其上下導(dǎo)向部件。其他零件如直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向桿等，選用米思米等標準件外購，以保證制造精度。

通過上述選材及數(shù)據(jù)分析，結(jié)合《機械設(shè)計手冊》[3]，選定彈簧參數(shù)如表1所示，其中彈簧材料選擇常用的琴鋼絲。

2.4 夾具使用說明

經(jīng)以上幾步分析設(shè)計，設(shè)計出夾具整體結(jié)構(gòu)如圖 8 裝配夾具示意圖所示。

圖8 裝配夾具示意圖

其對產(chǎn)品的裝配過程為：導(dǎo)向桿及推桿移動至兩端的導(dǎo)向桿末端限位塊①及推桿末端限位塊⑧處（推桿置于末端時，推桿壓頭置于斜V形槽上，使斜V形槽處于初始工作狀態(tài)）→將產(chǎn)品放置夾具體④上，肘夾置于開啟狀態(tài)→將產(chǎn)品之間放至產(chǎn)品放置夾具體④上定位→放置手柄至產(chǎn)品放置夾具體④上，并使用Z向限位塊限位→將扭簧掛入手柄上→將肘夾下壓置于工作位置，鎖緊產(chǎn)品支架、手柄及扭簧→放置銷軸與斜V形槽上→向產(chǎn)品側(cè)移動導(dǎo)向桿安裝座，帶動導(dǎo)向桿穿過產(chǎn)品支架等零件裝配軸心，是導(dǎo)向桿與銷軸接觸→向?qū)驐U末端限位塊方向同時推動推桿安裝座⑦及導(dǎo)向桿安裝座②，完成產(chǎn)品裝配→推桿向推桿末端限位塊⑧方向移動，為下次裝配準備→放開肘夾至開啟狀態(tài)→取出產(chǎn)品至下一工序。

經(jīng)使用專用夾具及通用工具對產(chǎn)品裝配分析對比，其結(jié)論為：使用專用夾具裝配（每件裝配時間約為 10s）比使用通用工具裝配（每件裝配時間約為50s）效率提高5倍，操作者的勞動強度得到很大改善，零件的質(zhì)量和一致性同時也得到了保證。

3 總結(jié)

本文所介紹的夾具，通過實物制造并在工廠裝配驗證，該夾具可保證工件在裝配時的精度要求和質(zhì)量，并在縮短輔助時間基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)率，降低加工成本，減輕工人勞動強度，改善工人勞動條件[4]。另，通過上述設(shè)計結(jié)構(gòu)的說明，結(jié)合相關(guān)設(shè)計資料及實際使用效果，可將其整體或部分結(jié)構(gòu)形式用于其它較長的軸孔配合產(chǎn)品（如汽車散熱器等）裝配，上述夾具設(shè)計思路及過程也可供產(chǎn)品夾具設(shè)計人員的參考。