多点夹持机构在非标自动化设备中的应用

杨耀臣，朱 园，张波利，曾招斌

(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

设计非标自动化设备，其主要目的是提高非标自动化设备产品质量及生产效率，确保应用非标自动化设备时的生产安全[1]。

非标自动化设备只有通过夹持机构，才能将零件从一个位置运送到另一个位置，或者执行某些特定的装配动作。故夹持机构是非标自动化设备中的一个重要组成部件。

凡属于用来对零件施加外力，使零件获得正确定位的全部机构，称为夹持机构。夹持机构施加给零件的作用力有四种方式：夹紧、压紧、拉紧和顶紧。

非标自动化设备就是用户定制的、用户唯一的、非市场流通的自动化系统集成设备，是采用按照国家颁布的统一的行业标准和规格制造的单元设备组装而成，是根据客户的用途需要，开发设计制造的设备。

因此，常用的标准夹持机构在某些场合往往不能满足使用要求，小则需要对这些标准夹持机构进行改进，大则需要重新设计夹持机构。例如于传浩等人通过对某一由四个气缸组成的机械手机构进行改进，减少了一个气缸使夹持机构的长度大大缩短，并且还能提供较大的夹持力[2]。邱吟华通过采用采用夹紧套箍紧外圆，使工件不变形，同时使用莫氏锥度与主轴内孔配合定位，重新设计夹持机构，解决了壁厚较薄的小齿轮偏心套加工时夹持问题[3]。沈健等人设计了静压膨胀夹持机构。此机构为两个同心圆筒套(其中一个为薄壁)在一起并将两端封住，将空腔内充满液压油施加一定压力，根据静压传递原理，某一薄壁圆筒就会向内或向外膨胀，这样就可以把工件夹紧[4]，从而改进了机床上常用卡盘，满足薄壁件或者对夹持精度要求较高或者对夹持位置有特殊要求时。

现有空心薄壁开口类零件，需要将其夹紧之后扭制一定角度。该产品在扭制时需要较大的夹持力，而且夹持点不能有明显压痕。同时该产品直径和长度尺寸跨度都比较大。

基于以上产品自身特点及加工工艺要求，并考虑尽量减小设备体积与重量，所以不能使用传统的两点或三点夹持机构，需重新设计夹持机构。

3.1 多点夹持机构原理浅析

多点夹持机构由压杆、压点、芯轴、转轴、推力杆及拉簧组成。经多次试验证明多点机械夹持机构能够提供其扭制所需要的夹持力，同时零件表面也不会有明显压痕。

图1 多点夹持机构

其工作原理为推力杆先前移动，带动压杆绕转轴转动，由于压杆转动带动压点向芯轴处移动，实现零件的夹紧功能。推力杆向后移动，拉簧拉动压杆绕转轴转动，压杆转动带动压点远离芯轴。

多点夹持机构中采用杠杆原理和斜面。它将较小的水平推力经杠杆和斜面两次放大并转化为竖直夹持力。

3.2 多点夹持机构的力学分析

例如斜面为α度，压杆与水平面夹角为β度。杠杆为2:1，斜面处结构简化图如图2所示。

图2 斜面处简化受力

斜面受力分析如图3所示，压杆受力分析如图4所示[5]。

图3 斜面受力分析图 图4 杠受力分析图

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为水平推力，F4为向上推压杆的力。

同时杠杆还具有二次力放大作用，最终的压力为F。

F= 2F1cos(α+β)/sinα

(4)

由4式可知：当F1为定值时，

(1) 当α→0，β→90°，F→∞；

(2) 当α≤45°，β≤90°，F4≥F1；

(3) 当α≥45°，F4≤F1。

在以后的非标自动化设备中可以根据能提供的水平推力F1及所需的压力F，结合上面几种情况，同时考虑杠杆放大作用。这样不仅可以将水平推力放大转化为夹持力，也可以将水平推力减小转化为夹持力。然后设计出不同的斜面和压杆倾斜角，即可设计出所需要的多点夹持机构。

为实现某空心薄壁开口类零件的自动化生产，考虑传统夹持机构无法满足其要求，本文设计一套多点夹持机构。通过与传统夹持机构的对比，可看出该夹持机构具有体积小，夹持力大等一些列优点，同时给出今后在非标自动化设备中使用的设计步骤。综上所述，该夹持机构在非标自动化设备中具有一定的应用前景。

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