氣動定心夾緊機構的設計

曹繼昌

（艾默生過程管理（天津）閥門有限公司，天津301700）

0 引言

機械零件的裝配中會有一些軸、桿類圓形截面的零件，它們與螺栓、螺母或其他零件用較大的扭矩緊固安裝時，在圓形截面的零件表面會發生旋轉、打滑的問題，造成安裝緊固的扭矩不能達到設計要求。且圓型截面零件的表面不能加工定位平面，因此在裝配時，為工件的定位夾裝帶來不少麻煩。本文根據以上問題介紹一種出力較大的氣動定心夾具的設計方法，現作如下簡介。

1 組成結構

圖1 結構組裝圖

氣動定心夾具的機械結構部分如圖1所示，主要由正切機構、固定夾塊、活動夾塊、氣動執行器等組成。其中氣動執行器主要作用是將氣源的壓力轉化為直線運動的機械能；固定夾塊、活動夾塊是為圓柱工件定心而設計的V型塊或圓柱凹槽固塊；正切機構是平面四連桿機構演化型式的一種[1]，主要完成將導桿的直線運動轉化為活動夾塊的轉動，與杠桿的作用相同，會使氣動執行器的推力增大，通過活動夾塊施加到圓形截面的工件上。

2 工作原理

工作原理如圖2所示。來自氣源的壓縮空氣通過二位五通換向閥輸送到一側的氣動執行器中，驅動導桿直線運動，根據正切機構的傳動特點，通過滑塊E2使連桿帶動活動夾塊圍繞固定鉸軸E1擺動，過程中活動夾塊與固定夾塊共同作用將工件夾緊。夾塊的幾何尺寸可按照工件的直徑設計，使工件夾緊后與夾塊中心重合。在固定鉸鏈E1的兩側各有一組夾塊，其一端完成作業后，打開換向閥，使氣源的壓縮空氣向另一端執行器輸送。當前的執行器則與大氣接通，從而驅動正切機構的導桿反方向運動，使當前夾塊松開，可取出工件。同時另一端夾塊將工件夾緊，準備下一個作業。依次循環進行，可以縮減等待時間，提高生產效率。

圖2 工作原理圖

3 正切機構的受力分析

正切機構是該設計中主要完成夾緊動作的模塊，利用其連桿圍繞固定鉸軸旋轉的特點，使連桿在擺動過程中活動夾塊將工件夾緊，若使工件與夾塊間不產生旋轉、打滑問題，必須使工件與夾塊間靜摩擦力的力偶矩大于工件上被施加的安裝扭矩。

式中Fmax是最大靜摩擦力，d為圓形截面工件的直徑，M為工件安裝的扭矩。根據庫侖定律最大靜摩擦力Fmax的計算公式[2]為：

式中fs是靜摩擦因數，FN是夾塊與工件間的正壓力。摩擦因數fs的大小需通過實驗測定，它與接觸材料的表面的粗糙度、溫度、濕度等因素有關。夾塊正壓力FN可通過機械能守恒計算得到。

根據平面運動剛體力系上功的表達式[2]，計算正切機構的輸入力F對連桿做功為：

計算活動夾塊輸出力FN的做功為：

忽略質量與摩擦力的影響，機械能守恒W1與W2相等，正切機構輸入F與輸出FN的關系為：

聯立式（1）、（2）、（3），得到正切機構輸入力 F 與工件安裝扭矩M的關系式為：

以上分析可知，應用正切機構與杠桿原理相同，可以將執行器的推力F增大r1/r2倍。根據材料的幾何尺寸和摩擦因數fs，選定適當的執行器出力值F，就可使圓型截面工件在用M扭矩安裝時避免發生旋轉、打滑的問題。

4 應用與改進

通過上述分析，設計制作的氣動定心夾緊機構具有結構簡單，成本低，使用壽命長，無污染，免維護等優點，可用于大扭矩緊固螺栓的要求。如圖3所示使用氣動執行器驅動的氣動夾緊機構，螺栓的安裝扭矩達到200 N·m。為避免夾塊將工件表面劃傷，可使用相對硬度較低的材料制作夾塊，如AL6063、H96、硬橡膠、夾布膠木等。利用壓縮空氣作為能源操作方便，大大提高工作效率。在實際制造使用中，還需要考慮被夾工件的強度，對表面粗糙度的要求等各種因素。

圖3 氣動定心夾緊機構的應用