自定心中心架的研究現狀與發展趨勢

杜海霞，王長乾，常向龍

（陜西理工大學機械工程學院，陜西 漢中 723000）

前言

隨著現代工業水平的提高，零件加工質量及加工精度的要求被不斷提高。而加工滾珠絲杠、發動機曲軸等細長軸類零件時，因其剛性差、長徑比大，在加工過程中易發生彎曲、振動，且回轉運動時產生的離心力也會使工件發生變形，嚴重影響零件的表面粗糙度、圓柱度和加工精度[1]。

使用輔助支撐裝置可有效降低工件在加工過程中的彎曲變形和振動，自定心中心架是目前使用較多、效果較好的細長軸類加工的輔助支撐裝置，它是通過提高加工過程中零件的剛度減少軸類零件回轉運動時產生的振動和變形，從而提高其加工精度。例如磨削、車削細長軸時，通常在其兩端裝夾之后，再使用中心架于細長軸中間支撐，防止工件彎曲變形、振動，若軸類零件過長時，在制造過程中必須由多個中心架同時輔助支撐，以提高系統的剛度[2-3]。

1 自定心中心架的工作原理

自定心中心架的動力驅動元件通常為電機或、液壓缸或者液壓缸，驅動力作用于平動凸輪，基于凸輪副的無窮多精確點的約束直動臂和擺動夾臂相對于被夾持零件的中心做徑向同步運動，從而實現擺動夾臂和直動臂的自動定心。由于引入凸輪作為驅動部件，使自定心中心架的設計具有更多的自由度，大幅提升其定位精度與穩定性，從而使自定心中心架成為生產實踐中最主要的定心產品。

凸輪結構的自定心中心架的結構如圖1所示，作左右平移運動的平動凸輪的工作曲線具有對稱性，滾輪1、滾輪2和滾輪3的幾何尺寸與結構相同，其中滾輪3與平動凸輪最右端固連，工件的中心為O3，即為自定心中心架的夾持中心。凸輪自定心中心架的工作過程如下：驅動力F0作用于平動凸輪的最左端，使其向右移動；滾輪4、滾輪5與平動凸輪的工作曲線接觸，受平動凸輪運動影響，驅動擺桿1和擺桿2分別繞鉸接點O1、O2轉動，從而帶動滾輪1、滾輪2運動到確定位置，與滾輪3同時夾緊工件，實現工件的夾緊與定心。在自定心中心架的工作過程中，滾輪1、滾輪2和滾輪3始終相對于夾持中心O3作完全同步運動，從而在夾緊或松開工件時，使夾持中心始終保持在工件的軸心，進而實現工件的自動定心和夾緊[4]。

圖1 凸輪自定心中心架的結構

2 自定心中心架的研究現狀

普通中心架的定位點通常有兩個、三個或者四個，其中三點式結構的中心架最為常見，如圖2所示。普通中心架對工件進行定心夾緊時，需要手動調節各定位點與工件表面之間的接觸，很難保證定位精度與夾持穩定性的統一，而且手動調整定位點的操作時間長，對工人的技術要求高，難以應用到自動化組合機床中[5]。

圖2 普通中心架

自定心中心架與普通中心架相比具有更廣泛的應用范圍，不論軸類工件的長短及其截面直徑的大小，自定心中心架夾持臂的夾頭與工件表面接觸點所形成圓的圓心（夾持中心）都能與軸類工件的軸心重合，而且自定心中心架只需驅動一個關鍵運動傳遞構件，通過內部的擺臂和鉸接機構將約束運動傳遞至夾持滾輪，便可實現工件的夾緊與自動定心。自定心中心架的操作簡單，具有定心精度高、夾持穩定等優點，在CNC機床中得到了廣泛應用[5]。

按自定心中心架中傳動機構的類型可分為純連桿結構、凸輪連桿結構、齒輪連桿結構等，在對自定心中心架的研究中發現，目前只有凸輪連桿結構的自定心中心架得到了廣泛應用，純連桿結構與齒輪連桿結構的自定心中心架因為剛度低、夾持精度低、夾持穩定性較差而在生產實踐中較少甚至沒有應用，但是基于研究目的，對二者的結構和原理進行了解很有必要[6-10]。純連桿結構自定心中心架的結構如圖3所示，驅動某一根傳動連桿，通過鉸接點將運動傳遞至其他連桿，實現自動定心的目的，圖中箭頭為驅動力的作用方向。

圖3 純連桿自定心中心架簡圖

純連桿結構的自定心中心架所需要的構件數量較多，而且定位精度較低，其設計計算量非常大，設計步驟繁多，所以有學者提出基于純連桿結構的自定心中心架，將所有連桿的接觸方式改為直線滑動，利用直線運動達到自動定心與夾持的目的，如圖4所示。

圖4 純滑動連桿類型自定心中心架

凸輪連桿結構的自定心中心架目前應用最為廣泛、定位精度最高、夾持最穩定。凸輪連桿結構自定心中心架如圖5所示，利用平動凸輪上的工作曲線與鉸接機構約束夾持臂作精確地擺動，與平動凸輪相互配合精確定位夾持中心。雖然凸輪連桿結構的自定心中心架制造成本高，但是因為其具有高精度、小體積、高穩定性的優點，依然被使用者青睞，成為市面上的主流產品。

圖5 凸輪連桿類型自定心中心架

齒輪連桿結構的自定心中心架內部通過齒輪副驅動，利用齒輪副之間具有固定的傳動比，將運動傳遞給夾持桿件，從而實現自定心夾持，如圖6所示。與凸輪連桿結構的自定心中心架對比，齒輪連桿結構自定心中心架中齒輪副的安裝所需空間大，直接導致了整體架構的體積大，并且齒輪副之間存在背隙問題，原理上無法實現高精度夾持[11-12]。

圖6 齒輪連桿自定心中心架

常見的自定心中心架的夾頭有平面類和滾子類兩種，如圖7所示。使用平面類夾頭夾持工件時，與工件的接觸類型是凸面—平面接觸，工件表面在夾持力作用下產生的接觸應力較小，其通常用于在磨床上以低轉速高切削力加工場合。滾子類夾頭夾持軸類工件時的接觸類型是凸面—凸面接觸，工件表面在夾持力作用下會產生較大的接觸壓應力，限制了工件切向的承受能力，通常用于車床上以高轉速低切削力加工軸類零件。

圖7 自定心中心架的夾頭種類

上世紀60年代末，德國的夾具廠商率先研發出了車床用自定心中心架，此后不久，瑞典、美國、法國等國家也相繼推出各自的自定心中心架。目前，自定心中心架的著名制造商包括德國的SCHUNK公司、SMW Autoblok公司，印度的Fenwick and Ravi公司以及瑞典的Atling公司等[13-16]，各公司生產的中心架樣品如圖8所示。

圖8 不同廠家的自定心中心架

國內研究人員徐旭東等[17-18]在上世紀90年代研究了一種可以在普通車床上的手動開啟式自定心中心架，提高了細長軸零件的定位精度，但由于是手動定位，依舊存在較大的定位誤差，且耗時費力的缺點；欒芝、何榮開等[19-20]定性分析了液壓缸作為動力源的凸輪結構自定心中心架，研究了工作原理、凸輪材料的選擇與加工工藝，對凸輪結構自定心中心架的設計、制造奠定了一定的理論基礎；王洪、黃標以及盧學玉等[21-23]推導了自定心中心架中平動凸輪的輪廓曲線，給出了曲線方程，建立了凸輪型線的數學模型，并對曲線方程進行了簡化，為凸輪的設計提供了理論依據；涂庭波[24]在對液壓自定心中心架凸輪機構進行了研究，針對凸輪型線的設計方法分別給出了基于瞬心法和包絡法的兩種凸輪輪廓建模方法，并對凸輪的壓力角、不同工況下凸輪機構的受力情況進行了分析，最終選定了較優的設計方案，使夾持臂的運動更穩定，精度更高；趙永強、李京魯[25-26]對平移凸輪曲線推導及凸輪機構的受力進行了研究，建立了參數化設計模型，并基于虛擬樣機技術進行了仿真分析，仿真結果與計算結果基本吻合，為磨床用自定心中心架的結構設計與拓撲優化提供了一種新的方法。

圖9 一種自定心中心架的參數化模型

目前，國內學者對于自定心中心架的研究大多集中在平動凸輪輪廓曲線的推導上，雖然對提高自定心中心架的定位精度與夾持穩定性的提高有一定的推進作用，但是仍然缺少對其從設計、材料選用、參數優化、加工以及應用的系統性研究，且由于國際先進的中心架制造廠商對中國實行技術封鎖，導致國內高端產品研究遲緩，市場長期處于被歐美廠商壟斷狀態。綜上，目前國內對于自定心中心架的研究進展緩慢，短期內難以在高端自定心中心架產品上實現突破，技術上被國外廠商限制的格局長期存在，所以高端自定心中心架的完全自主化研究生產進程任重道遠。

3 自定心中心架的發展趨勢

隨著我國制造業朝著高精度邁進，細長軸類零件的加工精度越來越被重視，從而使自定心中心架的應用范圍逐漸擴大，商業市場也越來越大。由于工廠對于自動化、高精度的要求逐步提高，將會有更多的研發機構與公司投入到自定心中心架的研究開發中。未來自定心中心架的發展趨勢將主要集中在以下幾點：

（1）高精度。普通閉式結構的中心架通常采用三點夾緊或四點夾緊，夾緊精度及重復性精度普遍大于0.01 mm；一些廠家推出的液壓驅動自定心中心架的定位精度可達0.005 mm。自定心中心架的實質是一種夾具，而夾具本身的制造精度與裝配誤差會對工件的定位精度與機構特性造成影響[27]。如果可以對自定心中心架的各個設計參數對定心精度以及夾持穩定性的影響進行研究，并得到優化結果，提高自定心中心架的加工精度與定位精度，則可以在降低制造成本的前提下，推進高端自定心中心架的發展。

（2）新的傳動機構。加工大尺寸軸類零件時，對于自定心中心架的要求也較高，例如為了在高承載能力的前提下提高定位精度，則需要更長的平動凸輪和連桿、尺寸結構更合適的滾輪等，大幅提升加工制造難度，因此需要對一些特殊應用場合專門設計新的傳動機構以滿足使用要求。

（3）高負載。鍛壓設備和大型軍事設備上需要更大尺寸的軸類零件，但是目前大型軸類毛坯加工困難，普通中心架無法滿足此類工件的支撐條件。連桿支撐臂機構是自定心中心架的主要承力機構，隨著連桿支撐臂機構制作技術和材料的發展，自定心中心架的承載能力將得到很大提高[28]。

（4）小型化和一體化。隨著數控機床的一體化發展，自定心中心架作為其附屬構件，必定要實現小體積、一體化結構，減少安裝占用空間與質量。如德國的 SCHUNK公司將某型號的自定心中心架中的實現直線運動的所有關聯部件都集中在一個小型封閉單元中，大幅降低了直線運動機構的體積，從而使此型號的自定心中心架整體體積降低，且實現了一體化設計[29]。

4 結語

隨著軸類零件加工精度的要求越來越高，自定心中心架將得到更加廣泛的應用。與普通三點或四點支撐的閉式中心架相比，自定心中心架的定位精度高、夾持穩定性高且自動化程度高，裝夾工件的操作簡單。由于自定心中心架的高精度、快速響應、夾持部件運動的同步性好和夾持穩定性能優異等優點，所以能夠勝任大多數生產實踐場合工件的自動定心與夾持。

國外很多企業在自定心中心架生產制造技術上積累了大量的經驗，生產的自定心中心架產品占據了大部分的國際市場。國內的自定心中心架生產廠家起步晚，研究不具有系統性，技術水平總體落后于國外，所以國內相關研究機構與企業需要繼續加大研發力度與研究的系統性，爭取將國產高端自定心中心架產品推向國際市場。

由于自定心中心架在眾多細長軸類零件加工場合應用廣泛，會有越來越多的企業與研究機構投入到自定心中心架的研究開發中。自定心中心架將朝向高精度、高負載、一體化的方向發展。