1.序言
圖1所示的小直徑銑刀，材料為硬質(zhì)合金或者高速鋼，切削刃部分直徑很小（φ0.1~φ1.0mm），長度可達(dá)20mm，須磨削加工銑刀主刀面和副刀面。產(chǎn)品批量很大，精度要求高。實(shí)際生產(chǎn)中，采用傳統(tǒng)工藝，通常使用彈性筒夾對小直徑刀具柄部進(jìn)行夾持[1]。首先，由于彈性筒夾的夾持力不容易控制，因此夾持力過大，則容易產(chǎn)生夾持損傷；夾持力過小，則刀具容易歪斜及松脫。其次，由于小直徑刀具柄部被套筒夾持部分長度較短，因此刀具懸伸部分很容易產(chǎn)生歪斜，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)。最后，如果只夾持刀具柄部，對刀具尖部的主副刀面進(jìn)行磨削時，由于小直徑刀具的長徑比很大，刀具剛度不足，因此受到磨削力的不平衡作用，刀具將產(chǎn)生彎曲變形[2]。這些都將嚴(yán)重影響刀具研磨的質(zhì)量及效率。如何解決上述生產(chǎn)難題，研制能高效穩(wěn)定地夾持此類小直徑刀具的夾持裝置，是亟需解決的技術(shù)難題。
圖1 小直徑銑刀
本項(xiàng)目的難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。
1）因產(chǎn)品規(guī)格較多，須能通過更換不同規(guī)格的夾持工具，適用于不同規(guī)格的棒料夾持。
2）小直徑棒料容易松弛或者夾傷，須能提供合理穩(wěn)定的夾持力和精準(zhǔn)的定位精度。
3）此裝夾機(jī)構(gòu)采用了垂直裝夾的方式，上下料時，為避免發(fā)生干涉，須將上下夾持件在水平方向錯開。
4）為適應(yīng)不同規(guī)格的產(chǎn)品要求，箱體底座在高度方向上須設(shè)計成可調(diào)。
5）為調(diào)整箱體底座的水平位置，須使其在水平方向上可滑動，以便于調(diào)整箱體底座在水平方向上的位置。
2.棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
針對上述問題，筆者公司研制了小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)，其實(shí)物如圖2所示，剖視如圖3所示，3D結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖2 小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)實(shí)物
圖3 小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)剖視
圖4 小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)3D結(jié)構(gòu)
1）如圖4所示，小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)的核心裝夾部分包括上夾持臂、下夾持臂、中空的底座和固定安裝在底座上方的頂板。底座由多個連接板拼接而成，在固定的底板周沿固接了4塊豎直設(shè)置的連接板，從而形成一個中空的底座箱體。
2）如圖3所示，下夾持臂的一端固定安裝在底座的側(cè)面，須保證下夾持臂與底座固接的穩(wěn)定性。下夾持臂的另一端設(shè)有卡槽，為了能夠用于夾持不同規(guī)格的棒料，下夾持臂上卡槽的端部設(shè)有可拆卸連接卡座，通過卡扣結(jié)構(gòu)或者螺釘固定的方式，可以從下夾持臂上拆卸更換卡座，而卡槽開設(shè)在卡座上，通過更換不同規(guī)格的卡座，從而適用于不同規(guī)格的棒料夾持使用。為了提高夾持的精準(zhǔn)度以及保證夾持力，通常將卡槽的橫截面形狀設(shè)計為V形。
3）如圖4所示，與下夾持臂相對應(yīng)有上夾持臂，其上的夾持件與卡槽對應(yīng)。同樣，為了適應(yīng)不同規(guī)格的棒料夾持，快速地調(diào)整夾持件的尺寸，夾持件也設(shè)計成可拆卸機(jī)構(gòu)，通常也采用螺釘或卡扣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用案例中，夾持件用于夾持的端面為平面，通過平面與棒料接觸時能夠形成線接觸，為夾持棒料提供了足夠的夾持力。
4）如圖4所示，箱體底座上部頂板開設(shè)有活動通道，位于底座內(nèi)的導(dǎo)向塊設(shè)計成凸形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向塊的頂端面設(shè)有穿過活動通道且可沿活動通道滑動的安裝部，安裝部與上夾持臂固接。導(dǎo)向塊肩部與頂板之間存在活動空間，導(dǎo)向塊在外力的作用下可相對于頂板在豎直方向上往復(fù)運(yùn)動，導(dǎo)向塊帶動上夾持臂向上運(yùn)動，從而使上夾持臂的夾持件與卡座在豎直方向上分離。
5）如圖5所示，在頂板與導(dǎo)向塊之間設(shè)有驅(qū)使導(dǎo)向塊向下運(yùn)動的彈性件，導(dǎo)向塊為凸形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向塊的肩部開設(shè)有供彈性件插入的盲孔，彈簧[3]置于盲孔內(nèi)，彈簧的一端抵頂盲孔的孔底，彈簧的另一端抵頂頂板的底面，彈簧處于壓縮狀態(tài)，因頂板為固定件，導(dǎo)向塊為活動件，所以導(dǎo)向塊在彈簧的彈力作用下向下運(yùn)動，又因?qū)驂K上的安裝部與上夾持臂固接，即帶動驅(qū)使夾持件朝向卡槽運(yùn)動，從而使夾持件牢固夾緊放置在卡槽內(nèi)的棒料。
圖5 頂部和導(dǎo)向塊位置
6）在實(shí)際生產(chǎn)中，若單純采用上下開合的夾持機(jī)構(gòu)[4]，會不可避免地產(chǎn)生上料困難的問題。若僅將夾持件和卡槽在豎直方向上分離，雖然夾持件和卡槽之間消除了夾持力，能夠?qū)袅戏湃肟ú蹆?nèi)，但由于卡槽的上方設(shè)有夾持件，無法采用從上至下的方式投入卡槽中，只能夠?qū)袅蠌乃椒较虿迦肟ú壑校@無疑會造成上料困難。
7）箱體底座內(nèi)設(shè)計有驅(qū)使導(dǎo)向塊向上運(yùn)動以及驅(qū)使導(dǎo)向塊在水平方向上滑動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。參照圖3和圖4，驅(qū)動滑塊位于導(dǎo)向塊下方，箱體底座外安裝有可在水平方向上往復(fù)滑動的驅(qū)動器，驅(qū)動器可以為常規(guī)的行程電動機(jī)或者氣缸。驅(qū)動器的伸縮桿插入底座后與滑塊固接，使驅(qū)動器能夠驅(qū)動滑塊相對于底座在水平方向上滑動。
8）如圖6所示，滑塊的頂端面與導(dǎo)向塊的底面緊貼，滑塊的頂端面設(shè)有斜向上的第一引導(dǎo)斜面，導(dǎo)向塊的底面設(shè)有與第一引導(dǎo)斜面互補(bǔ)的第二引導(dǎo)斜面。驅(qū)動機(jī)構(gòu)還包括開設(shè)在導(dǎo)向塊底面的限位槽，以及在滑塊頂面的限位柱，限位柱插入限位槽中，且限位柱可沿限位槽在水平方向上往復(fù)運(yùn)動。實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)能夠先驅(qū)使夾持件在豎直方向上與卡槽分離，然后再驅(qū)使夾持件與卡槽在水平方向上錯開，有效解決了上料干涉問題。
a）夾持狀態(tài) b）分開狀態(tài)
圖6 滑塊和導(dǎo)向塊位置
9）參考圖4，箱體底座的底面固接安裝板，安裝板前面設(shè)有軸承，安裝板后側(cè)面設(shè)有調(diào)整電動機(jī)，調(diào)整電動機(jī)的輸出軸穿出安裝板并位于軸承的下方。安裝板設(shè)計有供調(diào)整電動機(jī)的輸出軸穿過的調(diào)節(jié)孔，調(diào)節(jié)孔為U形長條孔，輸出軸穿過調(diào)節(jié)孔并可在高度方向上進(jìn)行滑動。調(diào)整電動機(jī)的輸出軸固接有偏心輪，偏心輪與軸承的外環(huán)抵接。通過設(shè)置偏心輪和軸承，調(diào)整底座在高度方向上的位置。
10）參考圖4，為了便于調(diào)整底座在水平方向上的位置，安裝板的底面固接有燕尾座，燕尾座的底面設(shè)有燕尾槽，燕尾座下方設(shè)有安裝座，安裝座的頂端面朝上凸出形成燕尾塊，燕尾塊插入燕尾座的燕尾槽中，在水平方向上滑動，從而調(diào)整夾持機(jī)構(gòu)在水平方向上的位置。
3.小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)的工作原理
此棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)的工作過程：下料裝夾時，夾持件與卡槽在豎直方向上對準(zhǔn)并相向靠攏，彈簧處于彈出狀態(tài)，驅(qū)使導(dǎo)向塊朝下運(yùn)動并帶動固接安裝部的夾持件夾持待加工的棒料，驅(qū)動器的伸縮桿處于伸出狀態(tài)，導(dǎo)向塊的第二引導(dǎo)斜面與滑塊的第一引導(dǎo)斜面緊密貼合，限位柱抵靠限位槽的右側(cè)面（見圖6a）。
下料時，驅(qū)動器起動，驅(qū)動器的伸縮桿回縮一定行程并帶動滑塊在水平方向上向左滑動，在第一引導(dǎo)斜面和第二引導(dǎo)斜面的配合下，滑塊相對于導(dǎo)向塊向左滑動，滑塊上的限位柱沿限位槽向左滑動，而滑塊向左滑動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向塊向上運(yùn)動，彈簧被壓縮，導(dǎo)向塊向上運(yùn)動會帶動固定安裝在安裝部的上夾持臂向上運(yùn)動，使夾持件和卡槽在高度方向上分離，此時彈簧處于壓縮狀態(tài)。
驅(qū)動器的伸縮桿持續(xù)回縮，當(dāng)限位桿抵住限位槽的左側(cè)壁，驅(qū)動器的伸縮桿繼續(xù)回縮動作，帶動滑塊推動導(dǎo)向塊在水平方向上一起向左滑動，從而使固定安裝在安裝部上的上夾持臂向左運(yùn)動，以使夾持件與卡槽在水平方向上錯開，外部設(shè)備能夠在豎直方向上，垂直下落抓取卡槽內(nèi)的成品棒料，同樣能夠避免夾持件阻礙外部設(shè)備在豎直方向上投放棒料到卡槽中，完成夾持機(jī)構(gòu)的打開動作。
上料時，機(jī)械手在豎直方向上自動放置一個棒料到卡槽中，之后，驅(qū)動器伸縮桿向右伸出回位，伸縮桿先驅(qū)動導(dǎo)向塊在水平方向上向右滑動回位，使夾持件在豎直方向上對準(zhǔn)卡槽。在導(dǎo)向塊滑動回位的過程中，壓縮狀態(tài)下的彈性件（夾持彈簧）利用其自身的彈力驅(qū)使導(dǎo)向塊向下運(yùn)動，從而使夾持件向下運(yùn)動并配合卡槽夾持棒料，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的閉合夾持動作。
當(dāng)需要對底座進(jìn)行升降時，可以起動調(diào)整電動機(jī)，調(diào)整電動機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動，帶動心輪轉(zhuǎn)動，由于偏心輪與調(diào)整電動機(jī)的輸出軸為偏心設(shè)置，偏心輪抵頂軸承，促使底座的位置發(fā)生改變，從而調(diào)整夾持機(jī)構(gòu)高度方向上的位置，以適用于更多種工況。
4.結(jié)束語
該小直徑棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，通過采用上下夾持的方式對棒料桿部進(jìn)行夾持，輔助夾持棒料柄部的筒夾，裝夾更為穩(wěn)定、快捷，縮短裝夾用時，提高工作效率。采用了機(jī)械零件斜面的變化結(jié)合彈性壓力配合的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，提供了穩(wěn)定可靠的棒料夾持力。并可通過更換不同規(guī)格的V形槽卡座，適應(yīng)不同規(guī)格的棒料的夾持。夾持的精準(zhǔn)度高，夾持力均勻穩(wěn)定。下料時，夾持件與卡槽不僅在豎直方向上松開，在水平方向也錯開了一定位置，有效解決了上料干涉問題，為大規(guī)模自動化生產(chǎn)提供了保證。
目前，該棒料垂直夾持機(jī)構(gòu)已在筆者公司大規(guī)模使用，有效地提高了生產(chǎn)效率，自動化程度可靠穩(wěn)定，保證了產(chǎn)品精度和產(chǎn)量。
