一種導向浮動結構裝配夾具設計

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，產品開發已多樣化，同樣也伴隨著形形色色制造系統出現，在制造系統中，夾具是不可或缺的一種輔助裝置，根據產品生產規模大小，結合夾具結構特點的不同，一般又將夾具分為專用夾具、組合夾具及可調整夾具等[1]。其中專用夾具主要適用于產品生產數量大，產品互換性要求高的行業，在眾多生產制造行業中，汽車中零部件的制造正好滿足生產量大及互換性要求高的條件，即一般都需要配有相應專用夾具的生產。雖然各夾具的結構，會根據產品的區別而不同，但其設計思路有共通之處，下文以一種汽車油箱開啟裝置的裝配夾具設計為例，完整介紹夾具設計的思路，并設計出一種具有導向浮動功能的裝配夾具，本文介紹的結構為手動裝配結構。

1 設計要求分析

1.1 產品圖紙及數據要求

根據產品工程師提供工程圖（圖 1）可知，該產品由支架、手柄、扭簧及銷軸四部分構成，其連接方式如圖1所示，為保證產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，結合產品零件圖紙得知，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，產品配合間隙不便做出調整，需在裝配中借助一些工具來克服小間隙裝配的困難。

1.2 裝配工藝及夾具設計要求

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

圖1 產品數據

圖2 彈簧自由狀態形式裝配

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

根據產品零件的相關要求，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，即不能實現產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，所以采用第二種裝分方案進行產品裝配，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。基于產品的特殊性，需要借助一定的專用工裝，以減輕操作者的勞動強度。設計的工裝應能使產品迅速找正定位、提高生產率，降低操作者勞動強度，在有需要時，可將其結構用于自動化設備上，以滿足更大批量的生產需求。

2 夾具設計

2.1 裝夾定位

2.1.1 支架定位

根據產品特性，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為產品在夾具上的定位基準，先使支架完成定位，其結構如圖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軸轉動自由度），基準C限制繞Z軸旋轉自由度，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系及裝配要求，其定位結構如圖4。定位原理為：利用手柄伸出支架外端的四個面定位，為保證產品能順利抓取和定位進行裝配，對零件進行計量統計分析，設計出產品放置所需的空間（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，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備的氣缸連接，又可實現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 裝配機構設計

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，所以需設計一端先行導向，另一端跟隨導向端將銷軸裝入產品的結構，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 所示的彈性導向結構即可滿足上述要求。其工作原理為：先將推桿11和導向桿4退至左右末端（導向桿和推桿在同一直線導軌上移動，導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10中，然后將導向桿4從右側穿過各零件同心孔，與左側的銷軸中心孔接觸，隨后在外作用力作用下，推桿11向右側移動（推桿11末端設計有浮動機構壓頭，可在運動過程中，使浮動機構向下運動，保證銷軸能與支架、手柄及扭簧配合孔同軸），推動銷軸及導向桿4同步向右端運動，進而使得銷軸在導向桿4、彈性浮動機構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及導向桿4分別退至左右末端準備下一次裝配。

圖6 彈性導向機構

上文所述彈性浮動機構為該夾具實現的關鍵部件之一，其結構（圖 7）與工作原理如下：為保證銷軸軸心一直處于水平狀態，特根據其形狀設計出一種有斜度的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。根據產品的定位夾具結構等邊界條件，設計其結構如圖7所示。

圖7 斜V形槽浮動結構

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，需對彈簧進行設計計算，選擇合適的彈簧元件。經測得斜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作用在斜V形槽上，故銷軸重力也需考慮）共計質量m=0.137kg，其重心位于圖7右側直線軸承組件上，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，將彈簧初始狀態作用力設計為

經對周邊數據分析，彈簧小徑需大于直線軸承中導向軸的軸徑 5mm，其初始工作狀態的高度為 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形槽等與產品直接接觸的裝夾定位零件，選擇常見的夾具用 45#調質為原材料，夾具基座等不和產品直接接觸部分選用鋁材等質輕的材料，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向部件。其他零件如直線導軌、導向桿等，選用米思米等標準件外購，以保證制造精度。

通過上述選材及數據分析，結合《機械設計手冊》[3]，選定彈簧參數如表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

經以上幾步分析設計，設計出夾具整體結構如圖 8 裝配夾具示意圖所示。

圖8 裝配夾具示意圖

其對產品的裝配過程為：導向桿及推桿移動至兩端的導向桿末端限位塊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）→將產品放置夾具體④上，肘夾置于開啟狀態→將產品之間放至產品放置夾具體④上定位→放置手柄至產品放置夾具體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，鎖緊產品支架、手柄及扭簧→放置銷軸與斜V形槽上→向產品側移動導向桿安裝座，帶動導向桿穿過產品支架等零件裝配軸心，是導向桿與銷軸接觸→向導向桿末端限位塊方向同時推動推桿安裝座⑦及導向桿安裝座②，完成產品裝配→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→取出產品至下一工序。

經使用專用夾具及通用工具對產品裝配分析對比，其結論為：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，零件的質量和一致性同時也得到了保證。

3 總結

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量，并在縮短輔助時間基礎上提高生產率，降低加工成本，減輕工人勞動強度，改善工人勞動條件[4]。另，通過上述設計結構的說明，結合相關設計資料及實際使用效果，可將其整體或部分結構形式用于其它較長的軸孔配合產品（如汽車散熱器等）裝配，上述夾具設計思路及過程也可供產品夾具設計人員的參考。