林 杰，鐘康民

（1.亞智科技系統(tǒng)（蘇州），江蘇 蘇州 215153；2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

在汽車零部件的生產(chǎn)制造中，生產(chǎn)制造設備是其中十分重要的一環(huán)。而在設備的設計制造過程中，與其產(chǎn)品直接接觸的夾具又是重中之重。產(chǎn)品夾具設計的優(yōu)劣是評價一臺設備優(yōu)劣的重要指標，而且直接決定了產(chǎn)品生產(chǎn)的質量、效率和穩(wěn)定性。同時根據(jù)不同客戶的產(chǎn)品型號需求，生產(chǎn)制造設備要不斷的適應客戶產(chǎn)品型號的差別，就需要與之相應的配套夾具。另外從成本出發(fā)，一般產(chǎn)品的工藝加工模塊價格昂貴，為了充分利用這些模塊，往往需要多個工位夾具與之配合使用。因此設計一種可靠高效的多工位產(chǎn)品夾具是批量生產(chǎn)過程中重要設計工作之一。

根據(jù)驅動方式的種類，工裝夾具可以分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具和電動夾具。各種驅動都有其優(yōu)點和缺點，其中氣動夾具以其夾緊動作迅速、能源清潔、便于自動化控制、系統(tǒng)故障少以及成本適中等優(yōu)點而使用十分廣泛。

此外，在大批量生產(chǎn)中，為了縮短裝夾工件的輔助時間，往往采用裝夾時間與產(chǎn)品加工時間重合的雙工位高效夾具[1～4]。因此，如何設計出一種氣壓傳動的雙工位高效夾具，是許多夾具設計人員經(jīng)常面臨的問題。下面，介紹本文設計的一種雙工位氣動夾具。

1 工作原理

圖1 是夾具的工作原理圖，其設計創(chuàng)意在于氣缸活塞桿輸出兩端的滾柱鉸鏈的對稱設計，以及鉸鏈連接L形杠桿的設計實現(xiàn)夾緊力的放大。當雙作用三位五通閥的電磁鐵14 得電而電磁鐵12 失電時，閥芯處于圖1（a）所示左位狀態(tài)，壓縮空氣進入氣缸左氣腔，推動氣缸活塞向右運動；右工位活塞桿則通過右邊的滾柱鉸鏈杠桿增力機構，由右夾緊元件對右工位的工件進行夾緊。此時，左工位活塞桿拉動左邊的滾柱鉸鏈杠桿增力機構，使得左夾緊元件向上運動，從而松開左工位的工件以進行裝卸。

當右邊工件的加工過程完成后，控制系統(tǒng)使得雙作用三位五通閥的電磁鐵14 失電而電磁鐵12 得電，其閥芯切換至圖1（b）所示右位工作狀態(tài)，壓縮空氣進入右氣腔，推動氣缸活塞向左運動。該狀態(tài)下，左工位的工件被夾緊，而右工位的工件被松開。

左右兩個工位如此循環(huán)交替工作，巧妙使用了空行程，由于工件的加工時間與裝卸時間部分重合，節(jié)約了裝卸時間，因而大幅度提高了生產(chǎn)效率；另外當出現(xiàn)緊急情況時，按下緊急制動按鈕使得雙作用三位五通閥的電磁鐵14 和電磁鐵12 同時失電，由于彈簧力的作用閥芯處于中間位置，阻止了壓縮空氣的流動，使得該夾具的所有動作單元都停止在當前位置，提高了安全性。

圖1 夾具工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of jig work pricinple

2 力學計算與運動特性分析

2.1 力學計算

圖1 所示夾具中，氣缸所提供的推力FP的計算公式為[5，6]：

而夾緊元件作用于工件的夾緊力FC，由下式進行計算：

式中： D、d—氣缸活塞、活塞桿的直徑；p—壓縮空氣壓力；ηP—氣缸的力傳遞效率，一般可取ηP≈0.85；ηT—滾柱鉸鏈杠桿增力機構的力傳遞效率，一般可取ηT≈0.90。

顯然，F(xiàn)C與FP的比值i，就是該氣動鉸桿增力機構串聯(lián)作用的增力系數(shù)，即：

在進行具體的夾具設計與力學計算時，本文取l1=100mm，l2=20mm，選擇100mm 缸徑的雙作用氣缸，壓縮空氣氣壓p 設定0.6MPa, 夾緊狀態(tài)時FP=5000N，同時取ηT≈0.90，代入式（2）計算得FC=27000N。這一計算結果充分說明，夾緊力可以達到較為理想的設計需求，另外利用該滾柱鉸鏈杠桿機構，使得在整個氣缸的運動過程中氣缸也只有軸向力，待加工工件也僅承受豎直方向的夾緊力，結構穩(wěn)定可靠性較高。

2.2 運動特性分析

由圖1 中可以看出，隨著氣缸的左右往返運動，α角也在正角度和負角度之間變化，當α 角為0 度時，該夾具呈現(xiàn)左右對稱，當α 角為最大設計正角度時，該夾具右工位夾緊工件，左工位釋放工件；當角α 為最大設計負角度時，該夾具左工位夾緊工件，右工位釋放工件，巧妙的利用了氣缸的返回空行程；但其α角的最大設計角度與活塞桿的直徑和氣缸的行程有制約關系，α 角取值不宜過大，建議-20°≤α≤20°，而氣缸的運動行程與輸出端夾緊行程之比為is=l1/l2，因此在夾緊力要求較高時，可取較大值l1/l2，但夾緊的行程應設計盡量小，否則可能帶來氣缸行程過大和缸徑過大的要求，不僅要求更大的空間，而且也造成能源的不必要浪費。

3 結論

本文介紹的雙工位夾具，具有以下顯著優(yōu)點：

（1）僅采用一個驅動氣缸，能實現(xiàn)兩個工位工件的順序夾緊，工件的切削加工時間與裝卸時間重合，節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高。

（2）夾緊單元平穩(wěn)運動，最終得到最大的夾緊力，符合一般夾具對夾緊元件運動速度特性與夾緊力特性的要求，另外通過改變直角杠桿的角度，可以演繹派生出更多的創(chuàng)新方案，從而具有更廣泛的適用性。

[1] 馮金云，顧錦華，史旭東.空調壓縮機連桿雙工位精鏜夾具[J].組合機床與自動化加工技術，2008，12.

[2] SI Guangju, ZHONG Kangmin, JIA Junpeng. Two-point floating clamping device based on fixed cylinder with double-piston and toggle lever force amplifier[J].Advanced Materials Research, 2011.

[3] 申在福，賈軍朋，鐘康民.基于氣動肌腱與杠桿-雙面斜楔增力機構的高效夾具[J].機械制造,2010，3.

[4] 竇云霞，鐘康民.無液壓泵式氣液增壓雙工位液深機[J].制造技術與機床，2010，11.

[5] 王金娥，竇云霞，鐘康民.基于力放大機構toggle 及無桿活塞缸的可重構氣動壓力機[J].工程設計學報，2009，4.

[6] 吳凡，鐘康民.基于三次正交鉸桿增力機構的綠色氣動夾具設計[J].機床與液壓，2011，14.