多點夾持機構在非標自動化設備中的應用

楊耀臣，朱 園，張波利，曾招斌

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

設計非標自動化設備，其主要目的是提高非標自動化設備產品質量及生產效率，確保應用非標自動化設備時的生產安全[1]。

非標自動化設備只有通過夾持機構，才能將零件從一個位置運送到另一個位置，或者執行某些特定的裝配動作。故夾持機構是非標自動化設備中的一個重要組成部件。

2 非標設備常用夾持機構

凡屬于用來對零件施加外力，使零件獲得正確定位的全部機構，稱為夾持機構。夾持機構施加給零件的作用力有四種方式：夾緊、壓緊、拉緊和頂緊。

非標自動化設備就是用戶定制的、用戶唯一的、非市場流通的自動化系統集成設備，是采用按照國家頒布的統一的行業標準和規格制造的單元設備組裝而成，是根據客戶的用途需要，開發設計制造的設備。

因此，常用的標準夾持機構在某些場合往往不能滿足使用要求，小則需要對這些標準夾持機構進行改進，大則需要重新設計夾持機構。例如于傳浩等人通過對某一由四個氣缸組成的機械手機構進行改進，減少了一個氣缸使夾持機構的長度大大縮短，并且還能提供較大的夾持力[2]。邱吟華通過采用采用夾緊套箍緊外圓，使工件不變形，同時使用莫氏錐度與主軸內孔配合定位，重新設計夾持機構，解決了壁厚較薄的小齒輪偏心套加工時夾持問題[3]。沈健等人設計了靜壓膨脹夾持機構。此機構為兩個同心圓筒套(其中一個為薄壁)在一起并將兩端封住，將空腔內充滿液壓油施加一定壓力，根據靜壓傳遞原理，某一薄壁圓筒就會向內或向外膨脹，這樣就可以把工件夾緊[4]，從而改進了機床上常用卡盤，滿足薄壁件或者對夾持精度要求較高或者對夾持位置有特殊要求時。

現有空心薄壁開口類零件，需要將其夾緊之后扭制一定角度。該產品在扭制時需要較大的夾持力，而且夾持點不能有明顯壓痕。同時該產品直徑和長度尺寸跨度都比較大。

基于以上產品自身特點及加工工藝要求，并考慮盡量減小設備體積與重量，所以不能使用傳統的兩點或三點夾持機構，需重新設計夾持機構。

3 多點夾持機構

3.1 多點夾持機構原理淺析

多點夾持機構由壓桿、壓點、芯軸、轉軸、推力桿及拉簧組成。經多次試驗證明多點機械夾持機構能夠提供其扭制所需要的夾持力，同時零件表面也不會有明顯壓痕。

圖1 多點夾持機構

其工作原理為推力桿先前移動，帶動壓桿繞轉軸轉動，由于壓桿轉動帶動壓點向芯軸處移動，實現零件的夾緊功能。推力桿向后移動，拉簧拉動壓桿繞轉軸轉動，壓桿轉動帶動壓點遠離芯軸。

多點夾持機構中采用杠桿原理和斜面。它將較小的水平推力經杠桿和斜面兩次放大并轉化為豎直夾持力。

3.2 多點夾持機構的力學分析

例如斜面為α度，壓桿與水平面夾角為β度。杠桿為2:1，斜面處結構簡化圖如圖2所示。

圖2 斜面處簡化受力

斜面受力分析如圖3所示，壓桿受力分析如圖4所示[5]。

圖3 斜面受力分析圖 圖4 杠受力分析圖

F3=F1/sinα

(1)

F4=F3sin(90°-α-β)

(2)

由1式和2式可得：

F4= F1cos(α+β)/sinα

(3)

其中，F1為水平推力，F4為向上推壓桿的力。

同時杠桿還具有二次力放大作用，最終的壓力為F。

F= 2F1cos(α+β)/sinα

(4)

由4式可知：當F1為定值時，

(1) 當α→0，β→90°，F→∞；

(2) 當α≤45°，β≤90°，F4≥F1；

(3) 當α≥45°，F4≤F1。

在以后的非標自動化設備中可以根據能提供的水平推力F1及所需的壓力F，結合上面幾種情況，同時考慮杠桿放大作用。這樣不僅可以將水平推力放大轉化為夾持力，也可以將水平推力減小轉化為夾持力。然后設計出不同的斜面和壓桿傾斜角，即可設計出所需要的多點夾持機構。

4 結論

為實現某空心薄壁開口類零件的自動化生產，考慮傳統夾持機構無法滿足其要求，本文設計一套多點夾持機構。通過與傳統夾持機構的對比，可看出該夾持機構具有體積小，夾持力大等一些列優點，同時給出今后在非標自動化設備中使用的設計步驟。綜上所述，該夾持機構在非標自動化設備中具有一定的應用前景。