气动定位锁紧销钩机构的优化分析

气动定位锁紧销钩机构的优化分析

翟秀军

（工作单位：清华大学天津高端装备研究院 天津 300304）

翟秀军（1982.6），男，汉族，河北省沧州市，本科，工程师，从事自动化设备技术研发、产品设计等工作

摘要：随着加工制造业的发展高速切削的结果,机动工时已大大缩减,劳动生产率有了一定程度的提高:与此同时,改装工艺装备,压缩辅助工时又成为提高劳动生产率的一项关键性任务。因此气动夹具推广非常必要,操作方便,能大大地减轻劳动强度:气动反应速度快,因而在生产过程中能缩短辅助时间提高劳动生产率。采用气动夹具便于实现自动化控制。但传统的气动夹具不具有自锁功能,在加工过程中存在安全隐患,为了提高气动夹具的安全性,本文主要提出一种气动定位锁紧销钩机构，能够有效解决这样的问题，希望对相关的从业人员有一定的参考。

关键词：气动定位锁；紧销钩机构；优化分析

引言：气动定位锁紧销钩机构是机械系统中用来固定、传递运动和力矩的一种机械机构。它是一种依靠压缩空气作动力的机械装置，通过压缩空气对活动销杆施加压力，使销头紧紧咬住定位销，并通过弹簧力、摩擦力矩将连杆驱动到需要的位置。在实际生产过程中，往往存在很多的不确定因素，比如设备故障、工件质量、加工环境等。而对于气动定位锁紧销钩机构来说，影响其工作性能的因素有很多。比如气动定位锁销钩机构中各零件的受力情况就是一个很重要的因素；而在实际工作条件下，对所加工工件精度、尺寸以及产品质量就会产生一定影响。

一、气动定位锁紧销钩机构的优化概述

气动定位锁紧销钩机构主要由销头、连杆、空气压缩机和气缸等组成。销杆的一端通过连杆与销头连接，另一端与定位销相连，在气缸作用下，连杆带动定位销移动。销头为圆柱形，圆柱面为平面度标准圆柱面，该平面度可以通过调整销头直径来控制；为了保证销杆的可靠性，还需要对其进行精加工和表面处理。由于在安装调试时销头需要进行一定角度的转动以便锁紧定位销。销头一般采用内螺纹结构方式连接到气缸中，但由于该密封装置在结构上比较复杂，通常不会用在液压式的液压缸中。该气动定位锁紧销钩机构通常用于汽车发动机零部件、机械加工零件等方面。由于设计人员在设计时缺乏足够的理论知识并进行相关模拟分析。所以通常会把气动定位锁紧销钩机构设计成一个几何模型或者简化为一个二维模型来研究其力学性能并进行仿真分析。通过对气动定位锁紧销钩机构进行有限元优化的方法研究能够提高相关机构的精度和可靠性。

二、该气动定位锁紧销钩机构内容分析

在自动化制造领域，尤其是应用于汽车、电子、灯具等行业的塑料件、钣金结构件的涂胶、焊接等加工过程中，一般都需要专门的胎具。目前使用的胎具，其定位销不能伸缩，同工位胎具上仅能满足单一零部件的定位。为了切换待加工零部件，大多数做法是，更换零部件定位胎具。更换过程中需要进行机械安装、电气接线、气管安装等，效率较低，调试困难，胎具精度恢复困难，不同批次工件存在差异，质量不易控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种便于实现多种零件加紧、定位的装置。该装置易于实现自动化控制，方便进行多种待加工零部件间的快速切换和定位锁紧。可以提高生产效率，提高产品质量，此机构具有操作简单、维护方便、生产安全等优点，应用前景广阔。

该机构包括：销1、支撑环2、钩3、销体4、弹簧5、弹簧预紧螺母7、顶丝8、销体锁紧螺栓9、胎具安装板10、气缸11、气缸杆12、销锁紧螺母13、销体固定板14、销体固定板螺栓15、圆柱销16、支撑环压盖17、连接杆18。如图所示：

锁紧功能是指将机构内部的零件与外界进行连接，实现其功能。销钩机构的基本结构包括销体、锁具和套筒，销体为空心圆柱体套筒式结构，包括定位销以及销体和套筒。在销杆前端和端部各有一个内齿轮，的内齿与销体端面形成啮合。定位销与锁具端面接触实现锁紧。套筒式结构的套筒可以直接放置在销柱上，或者通过套筒上标注的位置来定位套筒式结构的套筒底部直径大小来进行定位套筒式结构的安装。对于外齿轮和内齿啮合时，套筒内齿槽可以带动套筒上标注区域进行旋转，使套筒和螺栓对销产生作用力进而实现了锁紧功能。

由三个连杆、一个转臂和两个小连杆组成，当销钩机构工作时，转臂转动的同时，转臂上有偏心套旋转。偏心套带动转臂上槽、槽内锥体一起旋转，从而带动销钩机构的锁紧机构转动。当销钩机构的锁紧机构锁住转臂时，两个小连杆和定位销相互连接在一起，将销钩机构固定为一个整体状态。当转臂的锁紧销钩机构时，转臂上的偏心套受到一定阻力使其向外推出并锁定在销钩槽内；当偏心套离开销钩结构时，转动臂和转臂槽一起向外移动并锁定销钩机构。如图3所示，在转动过程中，转臂上有一个小连杆带动偏心套向外推出锁紧结构，从而达到使销钩机构锁住销勾结构的目的；当转臂锁住转臂后不松手时，偏心套不会移动而无法将销勾锁定。根据上面分析可知：当偏心套不松开时是锁住销钩结构的前提条件；如果偏心套松脱就会失去锁住结构的条件。

为了验证理论计算，对设计的销钩机构进行了结构分析与验证。通过查阅相关文献得知，当锁具内压强小于其最大解锁压力时，销钩会因承受巨大的压力而被压坏。通过计算得知当销钩内部存在残余应力和不能完全打开时，最大开合压力就会超过销钩所承受的最大解锁压力。在该销钩受力情况下，可以认为存在一个最优解：销钩内无残余应力时，由于不能完全打开销钩会导致销钩受力增大；当销钩内有残余应力时则是由于销钩夹持力增大而引起的，此时需要减小销钩处的残余应力或增加夹持力；若夹持力过弱时则无法保证锁具的安全性和稳定性。

气动定位锁紧销钩机构是利用两个销头与活动销的相对位置关系来实现销钩的锁定和释放功能的一种装置。销头与连杆、气缸构成气动定位锁紧销钩机构，活动销通过连杆带动销头转动。在气缸的作用下，气路中压缩空气沿连杆方向通过连杆带动气缸内活塞上下运动并与活动销相互啮合，使气路中气压增大并作用于活动销上，从而使气路中气压升高，当气室气体达到一定压力时，气室内空气通过两个气缸之间的间隙进入到活塞两侧间隙腔内，同时随着活塞前后位置变化而改变。当活塞向前移动并到达气室边缘时，活塞前角与气室下端的锥体相连；当活塞继续向前移动时则与其上半部连接起来并通过连杆带动上腔中空气排出；在活塞向后移动时则与其下半部连接起来。当两个气缸压力差为零时，气室内的空气通过两个气缸之间接触点处而进入到气缸腔中被压缩；同时随着两个气缸中气体压力的增加，气室底部会产生负压，导致气压上升从而使得空气排出。

该方法主要的优势有以下的几个方面：1、便于实现加工设备中，同工位零部件定位胎具上，布置多类零部件，并且，精准定位与夹紧，优适用于涂胶，焊接等生产工序。

2、易于实现自动化控制，待加工零部件种类间快速切换。

3、定位精度高、锁紧稳定、占用空间小、结构简单、制造成本低、维修调试方便等优点。

三、结束语

综上所述，本结构根据实际加工需要，通过对比不同结构的优化方案，确定了气动定位锁紧销钩机构的最佳结构设计方案。 在整个气动定位锁紧销钩机构中，销头位置变化时，可以调节到最合适的位置。在设计时，需要根据实际情况来确定销头的最大行程。在优化过程中需要考虑到销头的运动轨迹来确定其结构长度与厚度；所设计结构中各个零件的受力情况都比较复杂。优化过程中考虑到销杆与销头之间会产生摩擦、摩擦力等；需要考虑到不同材质对于销杆、销身造成的影响。因此本文提到的气动定位锁紧销钩机构易于实现自动化控制，方便进行多种待加工零部件间的快速切换和定位锁紧。可以提高生产效率，提高产品质量，此机构具有操作简单、维护方便、生产安全等优点，因此可以大力的推广。

参考文献：

[1]李斌斌,王晓龙.13系列车钩钩尾销螺栓运用故障分析及改进措施[J].铁道车辆,2018,56(01):33-35+5.

[2]高正红, 一种伸缩式旋翼旋转定位锁放装置. 陕西省,西北工业大学,2016-11-01.