張俊華，曲春旭，楊金秋

（煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺 264005）

1 引言

汽車白車身焊裝生產(chǎn)線由大約（55～75）個裝配站組成。其中裝夾定位點數(shù)量達（1700～2500）個，焊點多達（4000～5000）個。在裝焊過程中必須使用多點定位夾緊的專用焊裝夾具，以保證各零件或組件在焊接處準確定位并且緊密貼合，保證整個車身的裝配精度和焊接質(zhì)量[1]。從汽車焊裝夾具的動力源來看，一般有無動力源夾具、手動夾具、氣動夾具及電控夾具四種基本類型。其中氣動夾具是利用工業(yè)壓縮空氣為動力來夾緊工件，這種方式易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和流水線作業(yè)，因而在汽車焊裝生產(chǎn)線中應(yīng)用較為廣泛[2-3]。夾緊所用的氣缸經(jīng)歷了的拉桿式氣缸，如圖1所示。到肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的一個發(fā)展過程，如圖2 所示。由于拉桿式夾緊氣缸的最初運動形式以活塞桿的伸縮為主要的運動形式，輸入力與輸出力大小一樣，會造成壓力不夠，耗氣量比較大，為了彌補輸出力不足這一缺點，考慮將活塞的滑動與運動機構(gòu)組合設(shè)計，而設(shè)計出肘桿機構(gòu)夾緊氣缸。在氣缸內(nèi)部引入肘桿機構(gòu)[4-6]，與拉桿式夾緊氣缸相比肘桿機構(gòu)夾緊氣缸具有以下特點[7]：（1）內(nèi)部應(yīng)用肘桿機構(gòu)，即在缸筒內(nèi)輸入較小的工作氣壓，在輸出端可獲得較大的夾緊力；在消耗同等的壓縮空氣情況下，肘桿機構(gòu)夾緊氣缸比拉桿式夾緊氣缸的夾緊力大（8～10）倍；（2）在夾緊位置自動鎖死，即使在斷氣情況下依然有夾緊力，工件不會自動脫落[8]，而拉桿式夾緊機構(gòu)本身不具備自鎖功能，需要一直充氣夾緊工件，若要自鎖，需要增加自鎖裝置；（3）肘桿機構(gòu)夾緊氣缸采用全封閉一體式，可防止焊渣飛濺到氣缸內(nèi)部運動構(gòu)件，而拉桿式夾緊氣缸沒有保護殼，焊渣會濺傷活塞桿需要經(jīng)常維修；（4）肘桿機構(gòu)夾緊氣缸夾臂的打開角度無級可調(diào)，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，并通過氣缸底部的調(diào)節(jié)螺栓來調(diào)節(jié)夾臂的打開角度，而拉桿式夾緊氣缸需要另行設(shè)計計算，費時又費力。（5）肘桿機構(gòu)夾緊氣缸可內(nèi)置電感式傳感器，以實現(xiàn)自動化控制；而拉桿式氣缸只能外置傳感器，占用額外的夾具空間。

圖1 拉桿式夾緊氣缸驅(qū)動的夾具示例Fig.1 Example of Fixture Driven by Clamp Cylinder with Pull Rod

圖2 肘桿機構(gòu)夾緊氣缸驅(qū)動的夾具示例Fig.2 Example of Fixture Driven by Clamp Cylinder with Toggle Mechanism

綜上所述，肘桿機構(gòu)夾緊氣缸無論是在功能性、維護性還是在夾具的設(shè)計制造性上都優(yōu)越于比拉桿式夾緊氣缸，這就是國內(nèi)汽車廠引用國外肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的原因。在一些歐美國家所使用的肘桿機構(gòu)夾緊氣缸來產(chǎn)自于德國；日韓系汽車廠所使用的肘桿機構(gòu)夾緊氣缸來產(chǎn)自于日本，而中國汽車制造業(yè)中焊裝夾具以拉桿式夾緊氣缸為主。國內(nèi)目前還沒有實現(xiàn)肘桿機構(gòu)夾緊氣缸自主生產(chǎn)。為實現(xiàn)肘桿機構(gòu)夾緊氣缸國產(chǎn)化，在此討論氣缸的機構(gòu)設(shè)計。下面從機構(gòu)學(xué)的角度介紹肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的結(jié)構(gòu)原理，建立其機構(gòu)的參數(shù)化模型，利用此模型進行機構(gòu)分析，從而討論肘桿機構(gòu)的設(shè)計變量的計算方法。在此基礎(chǔ)上通過算例給出了此氣缸機構(gòu)尺度綜合的設(shè)計流程。需要說明的是，這僅涉及到機構(gòu)設(shè)計，此氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計將另外介紹。

2 結(jié)構(gòu)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成及特點

肘桿機構(gòu)夾緊氣缸由夾臂、氣缸蓋總成、運動機構(gòu)總成、氣缸體總成和傳感器總成等組成，如圖3所示。金屬外殼被設(shè)計成四面可安裝的形式。此類型肘桿機構(gòu)夾緊氣缸結(jié)構(gòu)具有以下特點：

圖3 肘桿機構(gòu)夾緊氣缸結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.3 Exploded Views of the Structure of Clamp Cylinder with Toggle Mechanism

（1）夾臂在終端夾緊產(chǎn)生的作用力是氣缸推力的（8～10）倍，且夾臂的運動速度會遞減，減少對工件的損傷；

（2）可選夾臂上有定位銷孔和螺紋過孔；

（3）轉(zhuǎn)動軸端面是方型，便于夾臂終端位置角度調(diào)整及識別；

（4）氣缸夾臂打開位置可通過活塞桿尾部的螺母調(diào)節(jié)，且在氣缸角度范圍內(nèi)無級可調(diào)；

（5）鋁合金殼體，防焊渣飛濺，損傷氣缸內(nèi)部運動構(gòu)件。

2.2 工作原理

根據(jù)圖4肘桿機構(gòu)夾緊氣缸總圖可出現(xiàn)兩種狀態(tài)：

（1）夾緊狀態(tài)：從肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的下端進氣孔輸入氣壓，同時關(guān)閉上端進氣孔，則氣壓推動活塞沿著缸體帶動活塞桿沿著導(dǎo)向套向上運動，活塞桿運動的同時帶動里面的運動機構(gòu)部分，由移動變?yōu)檗D(zhuǎn)動讓外部的夾臂做逆時針轉(zhuǎn)動，從而夾緊工件，當(dāng)連桿與夾臂共線時，此時達到死點位置，工件處于夾緊狀態(tài)，到此時為夾緊過程。從傳感器的LED顯示可知當(dāng)前夾臂運動的角度。

（2）打開狀態(tài)：從肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的上端進氣孔輸入氣壓，同時關(guān)閉下端進氣孔，則氣壓推動活塞沿著缸體帶動活塞桿沿著導(dǎo)向套向下運動，活塞桿運動帶動機構(gòu)，由移動變?yōu)檗D(zhuǎn)動讓外部的夾臂做順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)活塞接觸到底端進氣孔時，此時處于打開狀態(tài)。

3 機構(gòu)分析

3.1 機構(gòu)模型

肘桿機構(gòu)夾緊氣缸的核心部件肘桿機構(gòu)，如圖4所示。它是一個多桿機構(gòu)，其構(gòu)件包括：構(gòu)件1由夾臂1和旋轉(zhuǎn)軸2組成，構(gòu)件2為圓柱銷3和連桿4；構(gòu)件3為滑塊，由圓柱銷、活塞桿6、活塞7、調(diào)節(jié)螺絲8組成；其中，構(gòu)件1為固定轉(zhuǎn)動副；構(gòu)件1與構(gòu)件2之間為轉(zhuǎn)動副；構(gòu)件2與構(gòu)件3之間為轉(zhuǎn)動副；構(gòu)件3與機架之間為相對移動副。對應(yīng)機構(gòu)運動簡圖，如圖5所示。

圖4 肘桿機構(gòu)Fig.4 Toggle Mechanism

圖5 機構(gòu)運動簡圖Fig.5 Kinematics Graph of Toggle Mechanism

此機構(gòu)的自由度：

式中：n—機構(gòu)中活動構(gòu)件的個數(shù)；Pl—機構(gòu)中低副的個數(shù)；Ph—機構(gòu)中高副的個數(shù)。

所以該自由度滿足機構(gòu)運動的數(shù)目。即氣缸活塞桿移動再提供一個動力F可以使該機構(gòu)運動確定并且將機構(gòu)的運動方式由移動轉(zhuǎn)換成了轉(zhuǎn)動。

3.2 位置分析

桿1的長度為l1，連桿2的長度為l2連接B、C點設(shè)為機架，長度用l3表示，如圖6所示?？紤]肘桿機構(gòu)氣缸的結(jié)構(gòu)，引入設(shè)計變量x1，決定了整體水平尺寸；設(shè)計變量y1，為活塞桿的初始位置，設(shè)計變量?0，為桿1執(zhí)行構(gòu)件的位置角度；設(shè)計變量l1，決定連桿2的大小，Δ?為夾臂的打開角度，s為活塞桿的運動行程。圖6中其它的參數(shù)：角度α，角度β，角度γ為計算時的中間變量。

圖6 機構(gòu)參數(shù)化模型Fig.6 Kinematic Parametric Model of Toggle Mechanism

將肘桿機構(gòu)看作一個封閉矢量多邊形[9-10]，其封閉矢量方程式可表示為：

將式（2）改寫并表示為復(fù)數(shù)矢量形式：

應(yīng)用歐拉公式將上式的實部和虛部分離，得：

式中：l1—桿1 的長度；l2—桿2 的長度；?0—桿1 的初始角度；Δ?—夾臂的打開角度；x1—旋轉(zhuǎn)中心到活塞桿之間的距離；y1—活塞桿的初始位置；s—活塞桿運動行程。

將式（4）左右分別平方再相加消除中間變量γ，可計算出：

其中，

將l2用設(shè)計變量x1、y1、l1和初始角度?0表示：

將式（6）左右分別平方再相加消除中間變量α，可計算出：

將式（7）代入式（5）中可計算出：

根據(jù)機構(gòu)初始安裝情況和機構(gòu)運動的連續(xù)性來確定式中“±”號的選取。這里根據(jù)y1在x軸下方位置和s的變化情況確定為“－”。其中，

3.3 靜力分析

肘桿機構(gòu)靜力學(xué)分析簡圖，如圖7所示?？紤]作用在活塞上壓力Q和構(gòu)件1上的輸出扭矩M，當(dāng)桿1打開Δ?角度，此時B點運動到B′位置，令?0+Δ?=ψ，s-y1=y，由虛功原理：

圖7 肘桿機構(gòu)靜力學(xué)分析簡圖Fig.7 Diagram of Static Analysis of Toggle Mechanism

解之可得：

桿1的位置為曲柄對軸x的轉(zhuǎn)角?0為廣義坐標，也能方便并且唯一地確定質(zhì)點系的位置。各點的直角坐標可表示為：

當(dāng)桿1打開Δ?角度時，各點的直角坐標可表示為：

根據(jù)式（2），式（13），式（14）式列出下列方程組。

式（15）經(jīng)整理得：

式（16）對ψ求一階偏導(dǎo)：

活塞桿推力為：

式中：Q—施加在活塞上的壓力；D—氣缸體直徑；p—壓縮空氣壓強。

將式（17）、式（18）代入式（10）可得：

式中：ψ—桿1打開角度與初始角度之和。

方案點討論：由（19）式可以得出。當(dāng)ψ=π/2 時，工件被鎖緊，此時夾臂與肘桿機構(gòu)的連桿共線即為（死點位置）=∞則M=∞。氣缸工程設(shè)計時，就要考慮構(gòu)件1中桿1的最終位置，ψ的取值不能為，必然為一個有限值。因而ψ應(yīng)由夾臂的輸出扭矩來確定。M對工件施加夾緊力不同，所選的旋轉(zhuǎn)中心到夾緊工件間距離也不同。

式中：M—夾緊力矩；N—夾緊力；L—旋轉(zhuǎn)中心到夾緊工件間距離。

4 機構(gòu)的尺度綜合

4.1 尺度綜合算例

4.1.1 位置分析

設(shè)其設(shè)計變量x1=30 mm，y1=8.4 mm，l1=28 mm和初始狀態(tài)下?0=π/4代入（8）式中可計算出夾臂打開角度與活塞位置、行程關(guān)系，如表1所示。

表1 夾臂打開角度、活塞位置與氣缸行程的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 The Corresponding Relationship Between Opening Angle of Clamping Arm、Piston Position and Cylinder Stroke

4.1.2 靜力分析

已知輸入力矩為M=160N·m，缸徑D=50mm，壓縮空氣壓強p=0.5MPa 代入式（19）中可計算出，ψ=89.1°運動行程s=31.3mm。根據(jù)式（20）可計算出不同夾臂長度下所產(chǎn)生的夾緊力的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 不同夾臂長度下所產(chǎn)生的夾緊力Fig.8 The Clamp Force Generated by Different Clamp Arms

5 結(jié)論

（1）通過肘桿機構(gòu)氣缸機械結(jié)構(gòu)的分析，建立肘桿機構(gòu)氣缸的參數(shù)化機構(gòu)模型。

（2）利用肘桿機構(gòu)氣缸的參數(shù)化機構(gòu)模型，進行了位置分析和靜力分析，討論了此機構(gòu)中從動連桿（運動輸出部件）打開角度、氣缸活塞初始位置與氣缸行程的關(guān)系。

（3）由參數(shù)化機構(gòu)模型確定了設(shè)計變量，通過算例給出了此機構(gòu)尺度綜合的方法。表1和圖8中的計算數(shù)據(jù)對比SMC的產(chǎn)品目錄的數(shù)據(jù)，計算結(jié)果基本一致，說明了給出肘桿機構(gòu)設(shè)計方法的正確性。