平行四連桿側面定位裝置的設計與應用

蔡中義，鄭利銘，胡建峰，馬華棟

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.71566部隊56分隊，河南洛陽471800）

平行四連桿側面定位裝置的設計與應用

蔡中義1，鄭利銘2，胡建峰1，馬華棟1

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.71566部隊56分隊，河南洛陽471800）

針對焊接工裝中側面定位裝置存在的工件起吊不方便問題，設計了一種平行四連桿側面定位裝置。該裝置基于模塊化設計，利用平行四連桿機構，能夠實現定位裝置和工件隨動。結果表明此裝置具有工件起吊方便、通用性強等優點，可廣泛應用于工程機械、礦山機械等結構件焊接制造。

焊接工裝；側面定位裝置；平行四連桿；模塊化

0　前言

焊接工裝在產品制造過程中應用十分普遍，其結構形式多樣，使用場合廣泛。根據夾緊方式的不同，有手動夾緊和機動夾緊兩種，機動夾緊又包括液壓夾緊、氣動夾緊和電動夾緊和磁力夾緊等[1]。

對于大型焊接結構件的制造無論采用哪種夾緊方式，若操作人員在完成工作后有任何一個夾緊忘記或無法松開就進行起吊，就可能引發安全事故。本研究針對常用側面定位裝置進行了分析和優化，設計出具有防錯功能的平行四連桿定位裝置，消除了安全隱患的存在。該側面定位裝置支座設計巧妙，模塊化設計，減少了手動松開夾緊機構等人工操作步驟，實現了工裝夾緊面隨工件起吊而分離工作面，避免了在工件起吊過程中和工件出現卡死、干涉等現象。

1　平行四連桿側面定位裝置的設計構想

一個完整的焊接工裝夾具由定位器、夾緊機構和夾具體三部分組成。在裝焊作業中，多使用在夾具體上裝有多個不同的夾緊機構和定位器的復雜夾具，又稱為胎具或專用夾具。其中，夾具體會根據焊接結構形式進行專門設計，形成獨特的夾緊方式。側面定位夾具體在工裝設計中比較常見。

1.1常見的側面定位方式

側面定位裝置常見的有門式定位和插銷式定位。

1.1.1門式定位裝置

門式定位裝置就是將支座形式像門一樣打開或關閉，夾緊夾具繞軸旋轉，使用時關上，工件起吊前打開，門式定位裝置示意如圖1所示。

圖1　門式定位裝置示意

門式定位裝置定位比較準確，打開、關閉快捷，但是由于經常開、關，容易與工件發生摩擦，其接觸部位磨損較快，需要經常更換墊塊，否則會造成定位尺寸偏差。另外，受工件焊接變形等影響，在打開過程中會出現墊塊和工件卡滯現象，使得工裝上其他部件承受沖擊力，影響精度。在支座結構中，常用到折彎件以提高支座強度。考慮到折彎時搭邊量，支座不能太窄[2]。

1.1.2插銷式定位裝置

插銷式定位裝置就是定位板安裝形式是通過插銷和支座進行組裝的。工件完成拼點任務后，要首先拔下插銷，將定位板拿下或者后移，方便工件吊下工裝。如果是定位板裝置較大、較重時，采用將定位板后移的方式，留出工件起吊空間即可。這樣可節省人力，操作簡單。插銷式定位裝置示意如圖2所示。

上述兩種定位裝置較常見，優點明顯。但都存在共同的缺點，就是在工件吊下工裝時要人工或機械松開，會占用一部分時間。操作工忘記松開任何一個定位板，在起吊工件時都會造成工裝或工件的損傷，存在安全隱患，從防錯設計理論來說，要盡量減少人為因素或者通過設計避免操作出錯的可能性。

1.2平行四連桿定位裝置工裝設計

定位裝置如何才能不需要人工松開、不需要按按鈕機械松開呢？只有通過外力使機構在一定狀態下失穩，給工件留出一定的移動空間，而后再復位，這樣問題就會迎刃而解。

平行四連桿機構正常狀態下靠自身重力作用是穩定的，當工件在工裝上完成任務起吊時，其中外側桿會受到向上的力，平行四連桿機構失穩，整體會向上移動，留出了工件起吊空間，當平行四連桿和工件側面不接觸時，會因其自身重力自行復位。整個過程中無需人力操作。

圖2　插銷式定位裝置示意

2　平行四連桿定位裝置結構原理分析

平行四連桿定位裝置各部件不會相互干涉，能滿足上升、復位的要求且具有很好的柔順性。

連桿運動形式上開合裝置由平行四連桿機構驅動的運動可分解為豎直運動和水平運動，定位塊的上升運動是沿豎直方向的直線移動。

2.1位置分析

建立如圖3所示的直角坐標系，其中l1為桿BC的長度，l2為桿CD的長度。當側支座繞固定原點O旋轉一定角度θ時：

上升距離為

水平距離為

又因為BG=BC=l1，故

若θ=30°，l1=100mm時，則上升距離為50mm，水平移動距離為14 mm。在上升角度一定時，如果需要水平移動距離增大，則需要增大l1尺寸。

2.2受力分析

工件在向上移動時，側面定位裝置能夠因夾緊力和摩擦力作用而吸附在其表面，便于側面定位裝置隨之向上移動。結構示意如圖4所示。

圖3　平行四連桿連桿機構分析

圖4　結構示意

工件對側面定位裝置有垂直于側面的正壓力，側面定位裝置有平行于側面的重力，側面定位裝置還受工件對其向上的拉力P。工件和側面定位裝置接觸面存在滑動摩擦力。摩擦力的方向與工件的運動方向相反，即工件向上運動，則摩擦力是向下的[3]。摩擦力的大小與垂直正壓力成正比，也與工件與側面定位裝置的材料、接觸面單位面積上的壓力和相對運動速度有關。通常，接觸物體的材料硬度大，表面光滑，摩擦系數小，接觸面單位面積上壓力小和相對運動速度大時，滑動摩擦力減小；反之則增大。摩擦力為

式中F為滑動摩擦力（單位：N）；μ為滑動摩擦系數，查表可得；N為接觸面上垂直正壓力，即夾緊力N。

夾緊方式為側夾夾緊，其夾緊力（見圖5）為[1]

式中G為重力（單位：N）；Q為焊接變形拘束力（單位：N）；f1為夾緊元件與工件之間的摩擦系數；f2為工件與支承件之間的摩擦系數。

圖5　側夾夾緊示意

圖4中，P≥F，即

3　平行四連桿側面定位裝置的實現

從定位基準選擇、定位位置、定位板側面移動空間等方面入手設計側面定位裝置。該設計方案根據定位工件外形尺寸及結構形式，可靈活設計。

3.1低矮型平行四連桿定位裝置

該形式定位裝置適用于定位高度較低的情況。定位裝置在建模時要考慮定位選取高度適合，定位夾緊力的作用點應盡量靠近焊縫區，這樣會使零件受夾緊力和焊接熱應力等作用所產生的變形最小。工件起吊過程中要合理控制橫向擺動距離，所以側面定位裝置隨著工件向上移動時，橫向移動距離設計經過計算，一般要控制在15 mm以上。

側面定位裝置由定位塊、銷軸、連接板等組成，如圖6所示。

3.2高窄型平行四連桿定位裝置

該形式定位裝置（見圖7）適用于定位工件高度較高的情況，定位裝置要上下布置，定位尺寸準確，對工件夾持的剛度也有保障，夾緊力較大，防止工件在夾緊過程中局部變形。

3.3模塊化設計

目前，柔性夾具正在越來越受到重視和推廣。如果能在通用夾具設計中考慮柔性夾具，即發展模塊化組合夾具，會有助于減少生產制造時間和成本，做到快速響應、省時、節材[4]。

該平行四連桿側面定位裝置可以實現模塊化設計，與夾具體組合使用，根據定位形式靈活使用。

圖6　低矮型側面定位裝置示意

圖7　高窄型側面定位裝置示意

4　平行四連桿側面定位裝置的應用

平行四連桿側面定位裝置應用范圍廣泛，定位高效、方便。在工程機械、礦山機械等產品焊接結構制造過程中，焊接作業約占全部作業的30％。采用焊接工裝，對提高焊接生產率，確保焊接質量，改善工人的勞動條件，實現焊接過程的機械化、自動化等方面都有重要的作用[5]。

在地下鏟運機舉升臂、前、后車架等總成焊接拼點工裝中，用于舉升臂左、右梁側面定位，在前、后車架總成焊接拼點工裝中，用于左、右側板等的側面定位。再比如，在大型礦用自卸車車架等總成焊接拼點工裝中用于左、右梁側面定位。工件定位、拆卸方便和高效。

5　結論

針對常見的門式定位裝置和插銷式定位裝置存在的問題和不足，設計了平行四連桿側面定位裝置。該平行四連桿側面定位裝置與其他常見的側面定位裝置相比，具有裝夾快速高效、具備防錯設計功能，能夠有效保護工裝和工件、避免安全事故發生等優點。該裝置應用場合廣泛，在縮短工裝設計周期、制造周期、節約成本等方面有顯著的效果。

[1]王建勛.焊接結構生產[M].長沙：中南大學出版社，2010：176，182-183.

[2]蔡中義，李軍，吳成玉，等.數控板料折彎工藝[J].煤礦機械，2013，34（9）：134-136.

[3]吳洪生.起重工工藝學[M].北京：科學普及出版社，1985：25-27.

[4]余建軍，任治軍，王輝，等.先進焊接工裝夾具及其在機械裝備制造業中的應用[J].機床與液壓，2011，39（12）：115-121.

[5]張春燕，喬印虎，馬云飛，等.轎車（兩驅）后地板前段總成焊接夾具設計[J].電焊機，2012，42（7）：40-42.

Design and application of parallel four-bar linkage side positioning equipment

CAI Zhongyi1，ZHENG Liming2，HU Jianfeng1，MA Huadong1
（1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.Unit 56，75166 PLA Troops，Luoyang 471800，China）

Welding fixtures are very important and widely used in mechanical manufacturing.In order to hoist the structural parts efficiently，a side positioning equipment of parallel four-bar linkage is proposed.This modular equipment is capable of following motion with the structural parts by parallel four-bar linkage mechanism.The results show that this equipment is of high efficiency in hoisting the structural parts and has good universality，which can be widely used in structure welding of engineering machinery and mining machinery.

welding fixtures；side positioning equipment；parallel four-bar linkage；modularization

TG431

B

1001－2303（2016）02－0058-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.12

2015－07－08；

2015－10－12

蔡中義（1973—），男，甘肅武威人，高級工程師，學士，主要從事礦山機械及煤礦機械制造工藝研究工作。