多點夾持機構(gòu)在非標(biāo)自動化設(shè)備中的應(yīng)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(shè)計非標(biāo)自動化設(shè)備，其主要目的是提高非標(biāo)自動化設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，確保應(yīng)用非標(biāo)自動化設(shè)備時的生產(chǎn)安全[1]。

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

2 非標(biāo)設(shè)備常用夾持機構(gòu)

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(gòu)，稱為夾持機構(gòu)。夾持機構(gòu)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(biāo)自動化設(shè)備就是用戶定制的、用戶唯一的、非市場流通的自動化系統(tǒng)集成設(shè)備，是采用按照國家頒布的統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格制造的單元設(shè)備組裝而成，是根據(jù)客戶的用途需要，開發(fā)設(shè)計制造的設(shè)備。

因此，常用的標(biāo)準(zhǔn)夾持機構(gòu)在某些場合往往不能滿足使用要求，小則需要對這些標(biāo)準(zhǔn)夾持機構(gòu)進行改進，大則需要重新設(shè)計夾持機構(gòu)。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(gòu)進行改進，減少了一個氣缸使夾持機構(gòu)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(nèi)孔配合定位，重新設(shè)計夾持機構(gòu)，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(shè)計了靜壓膨脹夾持機構(gòu)。此機構(gòu)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(nèi)充滿液壓油施加一定壓力，根據(jù)靜壓傳遞原理，某一薄壁圓筒就會向內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品直徑和長度尺寸跨度都比較大。

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

3 多點夾持機構(gòu)

3.1 多點夾持機構(gòu)原理淺析

多點夾持機構(gòu)由壓桿、壓點、芯軸、轉(zhuǎn)軸、推力桿及拉簧組成。經(jīng)多次試驗證明多點機械夾持機構(gòu)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(gòu)

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

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

3.2 多點夾持機構(gòu)的力學(xué)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(jié)構(gòu)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，F(xiàn)1為水平推力，F(xiàn)4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(dāng)F1為定值時，

(1) 當(dāng)α→0，β→90°，F(xiàn)→∞；

(2) 當(dāng)α≤45°，β≤90°，F(xiàn)4≥F1；

(3) 當(dāng)α≥45°，F(xiàn)4≤F1。

在以后的非標(biāo)自動化設(shè)備中可以根據(jù)能提供的水平推力F1及所需的壓力F，結(jié)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(zhuǎn)化為夾持力，也可以將水平推力減小轉(zhuǎn)化為夾持力。然后設(shè)計出不同的斜面和壓桿傾斜角，即可設(shè)計出所需要的多點夾持機構(gòu)。

4 結(jié)論

為實現(xiàn)某空心薄壁開口類零件的自動化生產(chǎn)，考慮傳統(tǒng)夾持機構(gòu)無法滿足其要求，本文設(shè)計一套多點夾持機構(gòu)。通過與傳統(tǒng)夾持機構(gòu)的對比，可看出該夾持機構(gòu)具有體積小，夾持力大等一些列優(yōu)點，同時給出今后在非標(biāo)自動化設(shè)備中使用的設(shè)計步驟。綜上所述，該夾持機構(gòu)在非標(biāo)自動化設(shè)備中具有一定的應(yīng)用前景。