联动凸轮双向快速装夹装置设计*

2020-07-23周渝明林光明

机电工程 2020年7期

周渝明，林光明

(1.广东工贸职业技术学院机电工程学院，广东广州 510510；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

0 引言

凸轮与连杆组合联动可以实现对两个凸轮推杆的同时控制，通过改变凸轮摇臂与连杆铰接的位置，可实现同时同方向控制和同时相对方向控制[1-2]。

巧妙地搭建其尺寸可以实现：连杆运动，凸轮推杆静止或做等加速、等减速运动；连杆运动，凸轮推杆做余弦加速度运动、正弦加速度运动[3-4]；连杆运动，凸轮推杆做抛物线—直线—抛物线、简谐—直线—简谐等运动；连杆运动，凸轮推杆做改进正弦加速度、3、4、5次多项式、4、5、6、7次多项式等运动[5-6]；此外，凸轮周期运转并满足推程、远休止、回程、近休止的运动规律[7]。推杆从形式上分有尖顶推杆、滚动推杆、平底推杆等；连杆常规为四连杆机构、可组合有曲柄摇杆、曲柄滑块等[8]。凸轮机构与四连杆机构的组合灵活多变、稳定性强、精度高。

传统虎钳使用的是硬性燕尾槽滑轨，其利用丝杠和丝杠螺母来传递夹紧力，存在配合间隙高、运动阻力大、工件夹紧力不统一等问题。虎钳通常安装在设有T型槽滑道的工作台上，常常需要高强度螺栓配合T型轨道螺帽来进行安装定位，T型槽的标准有50、150、200、250间距等规格的。

本文设计一种联动凸轮双向快速装夹装置，安装虎钳定位满足50阶差，同时设有定位键，键的尺寸符合T型槽尺寸。

1 凸轮设计

1.1 凸轮结构设计

根据设计需求，凸轮的最大行程为60 mm，所以凸轮转动最高点与最低点间距为60 mm，为保证其转动具有应有的精度，应设有远休止区域与近休止区域，保证在推程起始和终止前后阶段有等半径的休止区。为保证推程起始前有近休止区，在远休止区结束时应设有回程。由于虎钳使用双凸轮连杆机构联动，凸轮形状设置成对称结构。

联动凸轮双向快速装夹装置如图1所示。

图1 联动凸轮双向快速装夹装置

连杆2传动中，凸轮的摇臂1充当的是摇杆作用，由于连杆传动在死点附近容易发生自锁的因素，其摇臂作为摇杆无法进行180°半圆周运动，而进行驱动的部件为直线往复运动，而非360°整圆周运动，所以凸轮实际有效工作角度小于180°，凸轮正转即推程时推动凸轮推杆，当凸轮反转时执行回程。

若推程角度过大，连杆传动的压力角将过大，传动阻力大，当主动杆与连杆共线时,即传动角为0，易发生自锁。若推程角度过小，想满足一定的行程，凸轮基圆势必过大，不利于紧凑化设计，结合实际经验取值，推程角度选取120°，秉持对称设计原则，回程角也为120°，剩余120°均分为远休止角和近休止角。

凸轮角度如图2所示。

图2 凸轮角度表

凸轮角度和联动凸轮双向快速装夹装置凸轮工作角度如表1所示。

表1 凸轮工作角度

根据设计需求，设计最大行程为60 mm的等加速等减速凸轮，故推程阶段为抛物线，分为60°加速抛物曲线及60°减速抛物曲线，其中加速度在全程相同，速度均由0起始，由0结束，加速度在两侧起始和终止时有突变，其突变的原因是由动力元件动力消失与释放导致，由于根据需求动力元件为液压缸，具有缓冲，不会产生大负荷的刚性冲击，故方案可行。根据对称原则，回程结构也设为等加速等减速曲线。

设计虎钳的钳口尺寸为200 mm宽，故凸轮的直径不宜超过200 mm，其中行程为60 mm，即基圆直径不宜超过80 mm，凸轮推杆分为尖顶推杆、平底推杆、滚子推杆。

其中，尖顶推杆作用力持续为同一根线，属于高副配合，极易磨损，从而影响传动精度，而平底推杆要求凸轮外轮廓全凸，有任何凹陷即会发生运动失真，部分运动规律丢失，且平底推杆作用力不在虎钳中心，阻力大，效率低。故采用滚子推杆，适用于中高速大载荷，由于凸轮左右对称，紧凑排布，选择对心式滚子推杆能够提升紧凑度。

但滚子推杆要求外轮廓线最小曲率半径不得小于滚子半径，所以应适当加大基圆半径，减小滚子半径，滚子半径过小影响刚度，基圆半径过小，影响凸轮轴刚度。综合分析下，即取凸轮基圆直径为50 mm。

1.2 凸轮轨迹建模

根据上述已知条件采用滚子对心推杆、基圆半径为25 mm，推程和回程角均为120°，远近休止角均为60°，推程和回程行程为60 mm，可按照尖顶中心推杆设计理论轮廓线，即理论轮廓线为滚子中心轮廓线。

根据二项式运动规律，其表达式为：

S=C0+C1δ1+C2δ2

(1)

(2)

(3)

式中：变量S—位移；C0—常数项；C1—一次项系数；C2—二次项系数；δ—旋转角度；V—类速度；ω—角速度；a—类加速度。

代入起始点和终止点，根据方程组解得：

C0=25；

C1=0；

得推程加速阶段的公式为：

(4)

转化为直角坐标为：

(5)

(6)

根据二项式运动规律，由公式(1～3)可解出：

C0=35；

可得推程减速阶段的公式为：

(7)

转化为直角坐标为：

(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)

实际工作模式为推程往复工作，而外轮廓的曲率半径大小影响着滚子半径大小，而基圆半径为25 mm，若将理论轮廓线整体向内偏移滚子半径的距离作为实际轮廓线会导致基圆半径变小，所相连接的凸轮轴尺寸也会相应变小。综合考虑，采取理论轮廓线为滚子推杆与凸轮接触的实际轮廓线。

若要选取滚子半径，须知晓实际轮廓线的最小曲率半径，应使最小曲率半径大于滚子半径。利用Solidworks显示最小曲率半径，得知凸轮外轮廓的最小曲率半径为19.54 mm，即滚子半径不得大于19.54 mm，为满足强度要求，令滚子半径为18 mm。

1.3 凸轮轴结构

凸轮及凸轮轴如图3所示。

图3 凸轮及凸轮轴结构

由于凸轮基圆的直径为50 mm，凸轮轴的直径应小于50 mm，凸轮轴转动时，仅仅承受径向力，有微弱安装的轴向力，故应选用能够承受更强径向力的圆柱滚子轴承。为了缩小轴承的外圈尺寸，笔者选择NU206E-GB283-94圆柱滚子轴承，其外径尺寸为62 mm，内径尺寸为30 mm。而凸轮轴另一端需连接摇臂，选择矩形花键传动，开口挡圈轴向定位，花键尺寸选择轻型6-30×26×6。

2 连杆设计

2.1 总体方案

通过液压缸与连杆铰接从而控制凸轮轴上的摇臂进行120°的左右摆动，要求左右摆动对称，主要设计为选择合适的液压缸，行程、缸径、活塞杆两段铰接距离。活塞杆和凸轮摇臂之间的连杆距离，凸轮摇臂，整个机构组成滑块摇杆机构，其中液压缸作为动力源，作为四杆机构中的滑块。凸轮轴上的摇臂作为摇杆，摇臂与活塞杆之间的传动件为连杆。

两面滑动钳口皆通过凸轮与弹簧实现力学封闭，实现双活塞杆液压缸同时控制两个凸轮，其中两个凸轮所控制的钳口可以同时开启和关闭，且具有较高的位置精度。