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(jī)械零件的裝配中會(huì)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(shí)，在圓形截面的零件表面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、打滑的問題，造成安裝緊固的扭矩不能達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)，為工件的定位夾裝帶來不少麻煩。本文根據(jù)以上問題介紹一種出力較大的氣動(dòng)定心夾具的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)作如下簡介。

1 組成結(jié)構(gòu)

圖1 結(jié)構(gòu)組裝圖

氣動(dòng)定心夾具的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如圖1所示，主要由正切機(jī)構(gòu)、固定夾塊、活動(dòng)夾塊、氣動(dòng)執(zhí)行器等組成。其中氣動(dòng)執(zhí)行器主要作用是將氣源的壓力轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能；固定夾塊、活動(dòng)夾塊是為圓柱工件定心而設(shè)計(jì)的V型塊或圓柱凹槽固塊；正切機(jī)構(gòu)是平面四連桿機(jī)構(gòu)演化型式的一種[1]，主要完成將導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活動(dòng)夾塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，與杠桿的作用相同，會(huì)使氣動(dòng)執(zhí)行器的推力增大，通過活動(dòng)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(cè)的氣動(dòng)執(zhí)行器中，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)正切機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)，通過滑塊E2使連桿帶動(dòng)活動(dòng)夾塊圍繞固定鉸軸E1擺動(dòng)，過程中活動(dòng)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(shè)計(jì)，使工件夾緊后與夾塊中心重合。在固定鉸鏈E1的兩側(cè)各有一組夾塊，其一端完成作業(yè)后，打開換向閥，使氣源的壓縮空氣向另一端執(zhí)行器輸送。當(dāng)前的執(zhí)行器則與大氣接通，從而驅(qū)動(dòng)正切機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿反方向運(yùn)動(dòng)，使當(dāng)前夾塊松開，可取出工件。同時(shí)另一端夾塊將工件夾緊，準(zhǔn)備下一個(gè)作業(yè)。依次循環(huán)進(jìn)行，可以縮減等待時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

圖2 工作原理圖

3 正切機(jī)構(gòu)的受力分析

正切機(jī)構(gòu)是該設(shè)計(jì)中主要完成夾緊動(dòng)作的模塊，利用其連桿圍繞固定鉸軸旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，使連桿在擺動(dòng)過程中活動(dòng)夾塊將工件夾緊，若使工件與夾塊間不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、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(jù)庫侖定律最大靜摩擦力Fmax的計(jì)算公式[2]為：

式中fs是靜摩擦因數(shù)，F(xiàn)N是夾塊與工件間的正壓力。摩擦因數(shù)fs的大小需通過實(shí)驗(yàn)測定，它與接觸材料的表面的粗糙度、溫度、濕度等因素有關(guān)。夾塊正壓力FN可通過機(jī)械能守恒計(jì)算得到。

根據(jù)平面運(yùn)動(dòng)剛體力系上功的表達(dá)式[2]，計(jì)算正切機(jī)構(gòu)的輸入力F對連桿做功為：

計(jì)算活動(dòng)夾塊輸出力FN的做功為：

忽略質(zhì)量與摩擦力的影響，機(jī)械能守恒W1與W2相等，正切機(jī)構(gòu)輸入F與輸出FN的關(guān)系為：

聯(lián)立式（1）、（2）、（3），得到正切機(jī)構(gòu)輸入力 F 與工件安裝扭矩M的關(guān)系式為：

以上分析可知，應(yīng)用正切機(jī)構(gòu)與杠桿原理相同，可以將執(zhí)行器的推力F增大r1/r2倍。根據(jù)材料的幾何尺寸和摩擦因數(shù)fs，選定適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器出力值F，就可使圓型截面工件在用M扭矩安裝時(shí)避免發(fā)生旋轉(zhuǎn)、打滑的問題。

4 應(yīng)用與改進(jìn)

通過上述分析，設(shè)計(jì)制作的氣動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用壽命長，無污染，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可用于大扭矩緊固螺栓的要求。如圖3所示使用氣動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，螺栓的安裝扭矩達(dá)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(shí)際制造使用中，還需要考慮被夾工件的強(qiáng)度，對表面粗糙度的要求等各種因素。

圖3 氣動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用