肘杆机构夹紧气缸的机构设计

张俊华，曲春旭，杨金秋

（烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264005）

1 引言

汽车白车身焊装生产线由大约（55～75）个装配站组成。其中装夹定位点数量达（1700～2500）个，焊点多达（4000～5000）个。在装焊过程中必须使用多点定位夹紧的专用焊装夹具，以保证各零件或组件在焊接处准确定位并且紧密贴合，保证整个车身的装配精度和焊接质量[1]。从汽车焊装夹具的动力源来看，一般有无动力源夹具、手动夹具、气动夹具及电控夹具四种基本类型。其中气动夹具是利用工业压缩空气为动力来夹紧工件，这种方式易于实现自动化生产和流水线作业，因而在汽车焊装生产线中应用较为广泛[2-3]。夹紧所用的气缸经历了的拉杆式气缸，如图1所示。到肘杆机构夹紧气缸的一个发展过程，如图2 所示。由于拉杆式夹紧气缸的最初运动形式以活塞杆的伸缩为主要的运动形式，输入力与输出力大小一样，会造成压力不够，耗气量比较大，为了弥补输出力不足这一缺点，考虑将活塞的滑动与运动机构组合设计，而设计出肘杆机构夹紧气缸。在气缸内部引入肘杆机构[4-6]，与拉杆式夹紧气缸相比肘杆机构夹紧气缸具有以下特点[7]：（1）内部应用肘杆机构，即在缸筒内输入较小的工作气压，在输出端可获得较大的夹紧力；在消耗同等的压缩空气情况下，肘杆机构夹紧气缸比拉杆式夹紧气缸的夹紧力大（8～10）倍；（2）在夹紧位置自动锁死，即使在断气情况下依然有夹紧力，工件不会自动脱落[8]，而拉杆式夹紧机构本身不具备自锁功能，需要一直充气夹紧工件，若要自锁，需要增加自锁装置；（3）肘杆机构夹紧气缸采用全封闭一体式，可防止焊渣飞溅到气缸内部运动构件，而拉杆式夹紧气缸没有保护壳，焊渣会溅伤活塞杆需要经常维修；（4）肘杆机构夹紧气缸夹臂的打开角度无级可调，可根据实际情况调节，并通过气缸底部的调节螺栓来调节夹臂的打开角度，而拉杆式夹紧气缸需要另行设计计算，费时又费力。（5）肘杆机构夹紧气缸可内置电感式传感器，以实现自动化控制；而拉杆式气缸只能外置传感器，占用额外的夹具空间。

图1 拉杆式夹紧气缸驱动的夹具示例Fig.1 Example of Fixture Driven by Clamp Cylinder with Pull Rod

图2 肘杆机构夹紧气缸驱动的夹具示例Fig.2 Example of Fixture Driven by Clamp Cylinder with Toggle Mechanism

综上所述，肘杆机构夹紧气缸无论是在功能性、维护性还是在夹具的设计制造性上都优越于比拉杆式夹紧气缸，这就是国内汽车厂引用国外肘杆机构夹紧气缸的原因。在一些欧美国家所使用的肘杆机构夹紧气缸来产自于德国；日韩系汽车厂所使用的肘杆机构夹紧气缸来产自于日本，而中国汽车制造业中焊装夹具以拉杆式夹紧气缸为主。国内目前还没有实现肘杆机构夹紧气缸自主生产。为实现肘杆机构夹紧气缸国产化，在此讨论气缸的机构设计。下面从机构学的角度介绍肘杆机构夹紧气缸的结构原理，建立其机构的参数化模型，利用此模型进行机构分析，从而讨论肘杆机构的设计变量的计算方法。在此基础上通过算例给出了此气缸机构尺度综合的设计流程。需要说明的是，这仅涉及到机构设计，此气缸的结构设计将另外介绍。

2 结构原理

2.1 结构组成及特点

肘杆机构夹紧气缸由夹臂、气缸盖总成、运动机构总成、气缸体总成和传感器总成等组成，如图3所示。金属外壳被设计成四面可安装的形式。此类型肘杆机构夹紧气缸结构具有以下特点：

图3 肘杆机构夹紧气缸结构爆炸图Fig.3 Exploded Views of the Structure of Clamp Cylinder with Toggle Mechanism

（1）夹臂在终端夹紧产生的作用力是气缸推力的（8～10）倍，且夹臂的运动速度会递减，减少对工件的损伤；

（2）可选夹臂上有定位销孔和螺纹过孔；

（3）转动轴端面是方型，便于夹臂终端位置角度调整及识别；

（4）气缸夹臂打开位置可通过活塞杆尾部的螺母调节，且在气缸角度范围内无级可调；

（5）铝合金壳体，防焊渣飞溅，损伤气缸内部运动构件。

2.2 工作原理

根据图4肘杆机构夹紧气缸总图可出现两种状态：

（1）夹紧状态：从肘杆机构夹紧气缸的下端进气孔输入气压，同时关闭上端进气孔，则气压推动活塞沿着缸体带动活塞杆沿着导向套向上运动，活塞杆运动的同时带动里面的运动机构部分，由移动变为转动让外部的夹臂做逆时针转动，从而夹紧工件，当连杆与夹臂共线时，此时达到死点位置，工件处于夹紧状态，到此时为夹紧过程。从传感器的LED显示可知当前夹臂运动的角度。

（2）打开状态：从肘杆机构夹紧气缸的上端进气孔输入气压，同时关闭下端进气孔，则气压推动活塞沿着缸体带动活塞杆沿着导向套向下运动，活塞杆运动带动机构，由移动变为转动让外部的夹臂做顺时针转动，当活塞接触到底端进气孔时，此时处于打开状态。

3 机构分析

3.1 机构模型

肘杆机构夹紧气缸的核心部件肘杆机构，如图4所示。它是一个多杆机构，其构件包括：构件1由夹臂1和旋转轴2组成，构件2为圆柱销3和连杆4；构件3为滑块，由圆柱销、活塞杆6、活塞7、调节螺丝8组成；其中，构件1为固定转动副；构件1与构件2之间为转动副；构件2与构件3之间为转动副；构件3与机架之间为相对移动副。对应机构运动简图，如图5所示。

图4 肘杆机构Fig.4 Toggle Mechanism

图5 机构运动简图Fig.5 Kinematics Graph of Toggle Mechanism

此机构的自由度：

式中：n—机构中活动构件的个数；Pl—机构中低副的个数；Ph—机构中高副的个数。

所以该自由度满足机构运动的数目。即气缸活塞杆移动再提供一个动力F可以使该机构运动确定并且将机构的运动方式由移动转换成了转动。

3.2 位置分析

杆1的长度为l1，连杆2的长度为l2连接B、C点设为机架，长度用l3表示，如图6所示。考虑肘杆机构气缸的结构，引入设计变量x1，决定了整体水平尺寸；设计变量y1，为活塞杆的初始位置，设计变量ϕ0，为杆1执行构件的位置角度；设计变量l1，决定连杆2的大小，Δϕ为夹臂的打开角度，s为活塞杆的运动行程。图6中其它的参数：角度α，角度β，角度γ为计算时的中间变量。

图6 机构参数化模型Fig.6 Kinematic Parametric Model of Toggle Mechanism

将肘杆机构看作一个封闭矢量多边形[9-10]，其封闭矢量方程式可表示为：

将式（2）改写并表示为复数矢量形式：

应用欧拉公式将上式的实部和虚部分离，得：

式中：l1—杆1 的长度；l2—杆2 的长度；ϕ0—杆1 的初始角度；Δϕ—夹臂的打开角度；x1—旋转中心到活塞杆之间的距离；y1—活塞杆的初始位置；s—活塞杆运动行程。

将式（4）左右分别平方再相加消除中间变量γ，可计算出：

其中，

将l2用设计变量x1、y1、l1和初始角度ϕ0表示：

将式（6）左右分别平方再相加消除中间变量α，可计算出：

将式（7）代入式（5）中可计算出：

根据机构初始安装情况和机构运动的连续性来确定式中“±”号的选取。这里根据y1在x轴下方位置和s的变化情况确定为“－”。其中，

3.3 静力分析

肘杆机构静力学分析简图，如图7所示。考虑作用在活塞上压力Q和构件1上的输出扭矩M，当杆1打开Δϕ角度，此时B点运动到B′位置，令ϕ0+Δϕ=ψ，s-y1=y，由虚功原理：

图7 肘杆机构静力学分析简图Fig.7 Diagram of Static Analysis of Toggle Mechanism

解之可得：

杆1的位置为曲柄对轴x的转角ϕ0为广义坐标，也能方便并且唯一地确定质点系的位置。各点的直角坐标可表示为：

当杆1打开Δϕ角度时，各点的直角坐标可表示为：

根据式（2），式（13），式（14）式列出下列方程组。

式（15）经整理得：

式（16）对ψ求一阶偏导：

活塞杆推力为：

式中：Q—施加在活塞上的压力；D—气缸体直径；p—压缩空气压强。

将式（17）、式（18）代入式（10）可得：

式中：ψ—杆1打开角度与初始角度之和。

方案点讨论：由（19）式可以得出。当ψ=π/2 时，工件被锁紧，此时夹臂与肘杆机构的连杆共线即为（死点位置）=∞则M=∞。气缸工程设计时，就要考虑构件1中杆1的最终位置，ψ的取值不能为，必然为一个有限值。因而ψ应由夹臂的输出扭矩来确定。M对工件施加夹紧力不同，所选的旋转中心到夹紧工件间距离也不同。

式中：M—夹紧力矩；N—夹紧力；L—旋转中心到夹紧工件间距离。

4 机构的尺度综合

4.1 尺度综合算例

4.1.1 位置分析

设其设计变量x1=30 mm，y1=8.4 mm，l1=28 mm和初始状态下ϕ0=π/4代入（8）式中可计算出夹臂打开角度与活塞位置、行程关系，如表1所示。

表1 夹臂打开角度、活塞位置与气缸行程的对应关系Tab.1 The Corresponding Relationship Between Opening Angle of Clamping Arm、Piston Position and Cylinder Stroke

4.1.2 静力分析

已知输入力矩为M=160N·m，缸径D=50mm，压缩空气压强p=0.5MPa 代入式（19）中可计算出，ψ=89.1°运动行程s=31.3mm。根据式（20）可计算出不同夹臂长度下所产生的夹紧力的关系，如图8所示。

图8 不同夹臂长度下所产生的夹紧力Fig.8 The Clamp Force Generated by Different Clamp Arms

5 结论

（1）通过肘杆机构气缸机械结构的分析，建立肘杆机构气缸的参数化机构模型。

（2）利用肘杆机构气缸的参数化机构模型，进行了位置分析和静力分析，讨论了此机构中从动连杆（运动输出部件）打开角度、气缸活塞初始位置与气缸行程的关系。

（3）由参数化机构模型确定了设计变量，通过算例给出了此机构尺度综合的方法。表1和图8中的计算数据对比SMC的产品目录的数据，计算结果基本一致，说明了给出肘杆机构设计方法的正确性。