聯動凸輪雙向快速裝夾裝置設計*

周渝明，林光明

(1.廣東工貿職業技術學院 機電工程學院，廣東 廣州 510510；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

0 引 言

凸輪與連桿組合聯動可以實現對兩個凸輪推桿的同時控制，通過改變凸輪搖臂與連桿鉸接的位置，可實現同時同方向控制和同時相對方向控制[1-2]。

巧妙地搭建其尺寸可以實現：連桿運動，凸輪推桿靜止或做等加速、等減速運動；連桿運動，凸輪推桿做余弦加速度運動、正弦加速度運動[3-4]；連桿運動，凸輪推桿做拋物線—直線—拋物線、簡諧—直線—簡諧等運動；連桿運動，凸輪推桿做改進正弦加速度、3、4、5次多項式、4、5、6、7次多項式等運動[5-6]；此外，凸輪周期運轉并滿足推程、遠休止、回程、近休止的運動規律[7]。推桿從形式上分有尖頂推桿、滾動推桿、平底推桿等；連桿常規為四連桿機構、可組合有曲柄搖桿、曲柄滑塊等[8]。凸輪機構與四連桿機構的組合靈活多變、穩定性強、精度高。

傳統虎鉗使用的是硬性燕尾槽滑軌，其利用絲杠和絲杠螺母來傳遞夾緊力，存在配合間隙高、運動阻力大、工件夾緊力不統一等問題。虎鉗通常安裝在設有T型槽滑道的工作臺上，常常需要高強度螺栓配合T型軌道螺帽來進行安裝定位，T型槽的標準有50、150、200、250間距等規格的。

本文設計一種聯動凸輪雙向快速裝夾裝置，安裝虎鉗定位滿足50階差，同時設有定位鍵，鍵的尺寸符合T型槽尺寸。

1 凸輪設計

1.1 凸輪結構設計

根據設計需求，凸輪的最大行程為60 mm，所以凸輪轉動最高點與最低點間距為60 mm，為保證其轉動具有應有的精度，應設有遠休止區域與近休止區域，保證在推程起始和終止前后階段有等半徑的休止區。為保證推程起始前有近休止區，在遠休止區結束時應設有回程。由于虎鉗使用雙凸輪連桿機構聯動，凸輪形狀設置成對稱結構。

聯動凸輪雙向快速裝夾裝置如圖1所示。

圖1 聯動凸輪雙向快速裝夾裝置

連桿2傳動中，凸輪的搖臂1充當的是搖桿作用，由于連桿傳動在死點附近容易發生自鎖的因素，其搖臂作為搖桿無法進行180°半圓周運動，而進行驅動的部件為直線往復運動，而非360°整圓周運動，所以凸輪實際有效工作角度小于180°，凸輪正轉即推程時推動凸輪推桿，當凸輪反轉時執行回程。

若推程角度過大，連桿傳動的壓力角將過大，傳動阻力大，當主動桿與連桿共線時,即傳動角為0，易發生自鎖。若推程角度過小，想滿足一定的行程，凸輪基圓勢必過大，不利于緊湊化設計，結合實際經驗取值，推程角度選取120°，秉持對稱設計原則，回程角也為120°，剩余120°均分為遠休止角和近休止角。

凸輪角度如圖2所示。

圖2 凸輪角度表

凸輪角度和聯動凸輪雙向快速裝夾裝置凸輪工作角度如表1所示。

表1 凸輪工作角度

根據設計需求，設計最大行程為60 mm的等加速等減速凸輪，故推程階段為拋物線，分為60°加速拋物曲線及60°減速拋物曲線，其中加速度在全程相同，速度均由0起始，由0結束，加速度在兩側起始和終止時有突變，其突變的原因是由動力元件動力消失與釋放導致，由于根據需求動力元件為液壓缸，具有緩沖，不會產生大負荷的剛性沖擊，故方案可行。根據對稱原則，回程結構也設為等加速等減速曲線。

設計虎鉗的鉗口尺寸為200 mm寬，故凸輪的直徑不宜超過200 mm，其中行程為60 mm，即基圓直徑不宜超過80 mm，凸輪推桿分為尖頂推桿、平底推桿、滾子推桿。

其中，尖頂推桿作用力持續為同一根線，屬于高副配合，極易磨損，從而影響傳動精度，而平底推桿要求凸輪外輪廓全凸，有任何凹陷即會發生運動失真，部分運動規律丟失，且平底推桿作用力不在虎鉗中心，阻力大，效率低。故采用滾子推桿，適用于中高速大載荷，由于凸輪左右對稱，緊湊排布，選擇對心式滾子推桿能夠提升緊湊度。

但滾子推桿要求外輪廓線最小曲率半徑不得小于滾子半徑，所以應適當加大基圓半徑，減小滾子半徑，滾子半徑過小影響剛度，基圓半徑過小，影響凸輪軸剛度。綜合分析下，即取凸輪基圓直徑為50 mm。

1.2 凸輪軌跡建模

根據上述已知條件采用滾子對心推桿、基圓半徑為25 mm，推程和回程角均為120°，遠近休止角均為60°，推程和回程行程為60 mm，可按照尖頂中心推桿設計理論輪廓線，即理論輪廓線為滾子中心輪廓線。

根據二項式運動規律，其表達式為：

S=C0+C1δ1+C2δ2

(1)

(2)

(3)

式中：變量S—位移；C0—常數項；C1—一次項系數；C2—二次項系數；δ—旋轉角度；V—類速度；ω—角速度；a—類加速度。

代入起始點和終止點，根據方程組解得：

C0=25；

C1=0；

得推程加速階段的公式為：

(4)

轉化為直角坐標為：

(5)

(6)

根據二項式運動規律，由公式(1～3)可解出：

C0=35；

可得推程減速階段的公式為：

(7)

轉化為直角坐標為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

X=85×Cos(δ)

(14)

Y=85×Sin(δ)

(15)

X=25×Cos(δ)

(16)

Y=25×Sin(δ)

(17)

實際工作模式為推程往復工作，而外輪廓的曲率半徑大小影響著滾子半徑大小，而基圓半徑為25 mm，若將理論輪廓線整體向內偏移滾子半徑的距離作為實際輪廓線會導致基圓半徑變小，所相連接的凸輪軸尺寸也會相應變小。綜合考慮，采取理論輪廓線為滾子推桿與凸輪接觸的實際輪廓線。

若要選取滾子半徑，須知曉實際輪廓線的最小曲率半徑，應使最小曲率半徑大于滾子半徑。利用Solidworks顯示最小曲率半徑，得知凸輪外輪廓的最小曲率半徑為19.54 mm，即滾子半徑不得大于19.54 mm，為滿足強度要求，令滾子半徑為18 mm。

1.3 凸輪軸結構

凸輪及凸輪軸如圖3所示。

圖3 凸輪及凸輪軸結構

由于凸輪基圓的直徑為50 mm，凸輪軸的直徑應小于50 mm，凸輪軸轉動時，僅僅承受徑向力，有微弱安裝的軸向力，故應選用能夠承受更強徑向力的圓柱滾子軸承。為了縮小軸承的外圈尺寸，筆者選擇NU206E-GB283-94圓柱滾子軸承，其外徑尺寸為62 mm，內徑尺寸為30 mm。而凸輪軸另一端需連接搖臂，選擇矩形花鍵傳動，開口擋圈軸向定位，花鍵尺寸選擇輕型6-30×26×6。

2 連桿設計

2.1 總體方案

通過液壓缸與連桿鉸接從而控制凸輪軸上的搖臂進行120°的左右擺動，要求左右擺動對稱，主要設計為選擇合適的液壓缸，行程、缸徑、活塞桿兩段鉸接距離。活塞桿和凸輪搖臂之間的連桿距離，凸輪搖臂，整個機構組成滑塊搖桿機構，其中液壓缸作為動力源，作為四桿機構中的滑塊。凸輪軸上的搖臂作為搖桿，搖臂與活塞桿之間的傳動件為連桿。

兩面滑動鉗口皆通過凸輪與彈簧實現力學封閉，實現雙活塞桿液壓缸同時控制兩個凸輪，其中兩個凸輪所控制的鉗口可以同時開啟和關閉，且具有較高的位置精度。

2.2 液壓缸選擇

選擇缸徑30，固定螺絲M6。活塞桿兩端焊接鉸接套管，內徑10 mm，活塞桿直徑10 mm，中心距235 mm。即使配備0.3 MPa小型液壓泵輸出壓力約為：F=0.3×(0.152-0.052)×3.14×106=18.8 kN。

可見其滿足夾緊需要。

2.3 機構原理性設計

若想同時控制兩個凸輪使兩個活動鉗口同時相向或相離運動，由于凸輪的結構對稱性，機構實際連接圖如圖4所示。

圖4 機構實際連接圖

兩個凸輪工作時旋轉方向相反，則需要兩個凸輪搖臂間與凸輪的連接互成180°。

單個凸輪行程60 mm，雙凸輪實現虎鉗0～120 mm之間張合，滿足日常需要。其中連桿長度為85 mm，孔徑10 mm。凸輪搖臂孔距22.5 mm，與凸輪矩形花鍵連接，花鍵尺寸輕型6-30×26×6，與凸輪軸之間過盈配合，過盈量0.02 mm。

2.4 鉸接設計

整套機構主要在低速傳動使用，采用滾動軸承尺寸過于擁堵，故采用銅套注油，滑動軸承，可滿足日常需求。

筆者采用8 mm的40Cr車削如上銷軸，調質處理，中間套1 mm壁厚的階梯銅套，將凸輪軸與連桿間鉸接，通過底部的8 mm開口擋圈GB/T896-1986實現軸向定位。

3 虎鉗整體結構設計

3.1 臺鉗軌道設計

軌道安裝三維圖如圖5所示，滑軌設有注油口自動潤滑。

圖5 軌道安裝三維圖

臺鉗鉗口坐落于軌道滑塊上，線性滑塊滑軌型號為HGH 25CA，滑軌總長為350 mm，具體參數如表2所示。

表2 HGH 25CA線性滑軌參數表

3.2 整體結構總成

臺鉗總體結構剖視圖如圖6所示。

圖6 整體結構剖視圖

圖中分為動力部分(液壓缸)、傳動部分(連桿、銷軸、凸輪、凸輪搖臂)、主要工作部分(活動臺鉗)、一系列輔助部件(滑軌輔助支撐、彈簧力學封閉提供回程動力、防塵蓋防止雜志碎屑等污染凸輪箱體、螺絲負責連接，上下底座承上啟下起到連接作用)。

經過Solidworks運動算例，該機構機械原理符合設計需求，無失真、無干涉，配套零部件齊全。

4 薄弱結構件強度校核

整套系統薄弱件為連桿及搖臂和活塞桿之間的銷軸，主要受剪切力，根據安裝空間選取直徑φ8，限于市面已有產品現狀，若提高強度，可選用優質材料。現筆者以40 Cr材質調質處理的強度進行校核，根據手冊，調質后的40 Cr的許用剪切應力為211.1 MPa，假設材質均勻，切應力均布，則最大切應力為：

而配備0.1 MPa小型液壓泵輸出壓力為：

F=0.1×(0.152-0.052)×3.14×106=6.28

其中，安全系數為1.69，其動力系統在常規工廠達不到，從而使鉸接銷軸破壞，更大壓力的液壓泵也可使用。

5 結束語

針對傳統虎鉗存在配合間隙高、運動阻力大、工件夾緊力不統一等問題，本文設計了一種聯動凸輪雙向快速裝夾裝置；凸輪機構利用滾動推桿，能夠有效降低推桿磨損，聯動精確可靠。

此類虎鉗在諸如加工中心等數控機床，鉗口定位一次，便可使用同樣XY坐標系補償值，加工不同棒料工件。此聯動凸輪雙向快速裝夾虎鉗能夠快速定位夾緊或放松零件，定位精準，結構緊湊。