基于Inventor双工位高效气动夹具的三维设计

任芸丹，夏祖祥，杜安国，殷 卉

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

对于精密制造者，在制造工艺分析中，选择合适的装夹机构和装夹方式显得尤为重要[1-2].相对于污染较为严重的液压夹具、能耗较大的机动夹具以及初始作用力较小的手动夹具，气动夹具因其具有夹紧动作迅速、能源清洁、便于自动化控制、系统故障少以及成本适中等优点而广泛使用.本研究结合采用洁净的压缩空气作为传动介质的技术，基于Inventor三维软件对所设计的双工位高效气动夹具进行了数字化设计，并对其进行虚拟装配及机构动画仿真[3].

1 夹具的总体结构组成及特点

该夹具设计创新点在于气缸活塞杆输出两端的对称设计，以及通过L形杠杆的设计实现夹紧力的放大.夹具工作原理图如图1所示.

当压缩空气进入气缸左气腔，推动气缸活塞向右运动，右工位活塞杆则通过右边的杠杆增力机构，由右夹紧元件对右工位的工件进行夹紧.此时，左工位活塞杆拉动左边的杠杆增力机构，使得左夹紧元件向上运动，从而松开左工位的工件以进行装卸.

图1 夹具工作原理图

当右边工件的加工过程完成后，在控制系统作用下，压缩空气进入右气腔，推动气缸活塞向左运动.该状态下，左工位的工件被夹紧，而右工位的工件被松开.

左右两个工位如此循环交替工作，巧妙使用了空行程，由于工件的加工时间与装卸时间部分重合，节约了装卸时间，因而大幅度提高了生产效率.另外当出现紧急状况时，按下紧急制动按钮可阻止压缩空气的流动，使得该夹具的所有动作单元都停止在当前位置，提高了安全性.此夹具机动灵活、调节方便，为实验教学、科研创新提供必要的保证.

2 夹具主要零部件的设计及选择

通过采用Inventor三维软件，该夹具的设计分为主体部件、附属部件两部分进行.主体部件包括双作用气缸、活塞杆、L形增力杆、夹紧元件、移动架等；附属部件包括工作台板、支撑板、支撑脚以及轴承、铰链、螺钉等.

其中双作用气缸、活塞杆、轴承、铰链、螺钉属于外购件，其他的零部件均为自己设计及加工的零件.

2.1 双作用气缸的选择

本研究所设计的夹具，其施加于待加工工件上的夹紧力约需5 kN，由于基本结构设计的限制，合理的增力系数需设定在5左右，因此，可选择活塞直径为100 mm的双作用气缸，其提供的工作推力可达到4 kN[4].气缸通过螺钉安装在与工作台板垂直的支撑板上.为实现双工位循环交替工作，气缸两端的活塞杆输出作对称设计，其活塞杆的直径为85 mm.双作用气缸及活塞杆实体建模如图2 所示.

图2 双作用气缸及活塞杆三维设计

2.2 L形增力杆及夹紧元件的设计

图2所示的双作用气缸所提供的工作推力Fp的计算公式为[5-6]

而夹紧元件作用于工件的夹紧力FC，可计算为

式中：l1、l2分别为增力杆两端长度；D、d分别为气缸活塞、活塞杆的直径；p为压缩空气压力；ηp为气缸的力传递效率；ηT为杠杆增力机构力传递效率.

气动增力机构串联作用的增力系数为FC与Fp的比值i，即

图3 L形增力杆及夹紧元件的三维设计

式中：D=100 mm，d=85 mm，l1=20 mm，p=0.6 MPa，ηp≈0.85，ηT≈0.90，分别代入式(1)、式(2)中，得Fp=1 110 N，FC=4 999 N.

由计算结果可知，所设计的夹具的夹紧力可以达到较为理想的设计需求.利用该杠杆增力机构，整个气缸的运动过程中气缸只有轴向力，待加工工件也仅能承受竖直方向的夹紧力，结构稳定且可靠性较高.L形增力杆及夹紧元件的设计如图3所示.

2.3 移动架的设计

L形增力杆通过移动架安装在支撑板上.为了适应不同加工环境下不同高度待加工工件装夹的需要，在支撑板上开设了移动滑槽，通过调整移动架的位置，从而改变夹紧元件的高度，如图4所示.

2.4 轴承的选择

为了保证L形增力杆的回转精度，减少摩擦和磨损，在L形增力杆的支点位置选择轴承作为支撑.轴承分为滑动轴承和滚动轴承两种，考虑到待加工工件在加工时会受到轴向力，选择滚动轴承，较常用的618-4GB/7276-94深沟球轴承[7]，将轴承安装在轴承支座内，轴承支座通过螺纹孔与支撑板固定在一起.

3 夹具的虚拟装配及机构动画仿真

根据上述对双作用气缸、活塞杆、L形增力杆、夹紧元件、移动架、轴承等三维设计，用Inventor软件做出双工位气动夹具的虚拟装配及机构动画仿真，如图 5所示.

图4 移动架的三维设计

4 结论

采用Inventor三维软件对所设计的双工位高效气动夹具进行了数字化设计，并对其进行虚拟装配及机构动画仿真.该夹具仅采用一个驱动气缸，就能够实现两个工位的顺序夹紧，生产效率高，同时利用杠杆作用，增大了夹紧力，巧妙使用了空行程，使得该夹具设计简洁、节能且环保.在此夹具的基础上，还可以通过调节其装夹装置以适应不同高度零件装夹的需要，拓展了此夹具的应用范围.

图5 气动夹具虚拟装配及机构动画仿真

[1]刘守勇. 机械制造工艺与机床夹具［M］. 北京：机械工业出版社，2000.

[2]杨黎明. 机床夹具设计手册［M］. 北京：国防工业出版社，2004.

[3]ACAA教育，胡仁喜，刘昌丽. Autodesk Inventor2013中文版标准培训教程［M］. 北京：电子工业出版社，2013.

[4]谢亚青.郝春玲. 液压与气动技术［M］. 上海：复旦大学出版社，2011.

[5]窦云霞，钟康民. 无液压泵式气液增压双工位液深机[J]. 制造技术与机床，2010(11)：58-59.

[6]王金娥，窦云霞，钟康民. 基于力放大机构toggle及无杆活塞缸的可重构气动压力机[J]. 工程设计学报，2009，16(4)：242-246.

[7]王玲，彭东林，陈熙侯，等. 基于 UG 的仿三坐标新型夹具设计[J]. 机械设计与制造，2013(3)：181-183.