1.序言
圖1所示的小直徑銑刀，材料為硬質合金或者高速鋼，切削刃部分直徑很?。é?.1~φ1.0mm），長度可達20mm，須磨削加工銑刀主刀面和副刀面。產品批量很大，精度要求高。實際生產中，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生歪斜，從而導致定位不準。最后，如果只夾持刀具柄部，對刀具尖部的主副刀面進行磨削時，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，刀具將產生彎曲變形[2]。這些都將嚴重影響刀具研磨的質量及效率。如何解決上述生產難題，研制能高效穩(wěn)定地夾持此類小直徑刀具的夾持裝置，是亟需解決的技術難題。
圖1 小直徑銑刀
本項目的難點包括以下幾點。
1）因產品規(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)定的夾持力和精準的定位精度。
3）此裝夾機構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）為適應不同規(guī)格的產品要求，箱體底座在高度方向上須設計成可調。
5）為調整箱體底座的水平位置，須使其在水平方向上可滑動，以便于調整箱體底座在水平方向上的位置。
2.棒料垂直夾持機構的結構
針對上述問題，筆者公司研制了小直徑棒料垂直夾持機構，其實物如圖2所示，剖視如圖3所示，3D結構如圖4所示。
圖2 小直徑棒料垂直夾持機構實物
圖3 小直徑棒料垂直夾持機構剖視
圖4 小直徑棒料垂直夾持機構3D結構
1）如圖4所示，小直徑棒料垂直夾持機構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有可拆卸連接卡座，通過卡扣結構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度以及保證夾持力，通常將卡槽的橫截面形狀設計為V形。
3）如圖4所示，與下夾持臂相對應有上夾持臂，其上的夾持件與卡槽對應。同樣，為了適應不同規(guī)格的棒料夾持，快速地調整夾持件的尺寸，夾持件也設計成可拆卸機構，通常也采用螺釘或卡扣結構實現(xiàn)。在應用案例中，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有活動通道，位于底座內的導向塊設計成凸形結構，導向塊的頂端面設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。導向塊肩部與頂板之間存在活動空間，導向塊在外力的作用下可相對于頂板在豎直方向上往復運動，導向塊帶動上夾持臂向上運動，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，在頂板與導向塊之間設有驅使導向塊向下運動的彈性件，導向塊為凸形結構，導向塊的肩部開設有供彈性件插入的盲孔，彈簧[3]置于盲孔內，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，導向塊為活動件，所以導向塊在彈簧的彈力作用下向下運動，又因導向塊上的安裝部與上夾持臂固接，即帶動驅使夾持件朝向卡槽運動，從而使夾持件牢固夾緊放置在卡槽內的棒料。
圖5 頂部和導向塊位置
6）在實際生產中，若單純采用上下開合的夾持機構[4]，會不可避免地產生上料困難的問題。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，能夠將棒料放入卡槽內，但由于卡槽的上方設有夾持件，無法采用從上至下的方式投入卡槽中，只能夠將棒料從水平方向插入卡槽中，這無疑會造成上料困難。
7）箱體底座內設計有驅使導向塊向上運動以及驅使導向塊在水平方向上滑動的驅動機構。參照圖3和圖4，驅動滑塊位于導向塊下方，箱體底座外安裝有可在水平方向上往復滑動的驅動器，驅動器可以為常規(guī)的行程電動機或者氣缸。驅動器的伸縮桿插入底座后與滑塊固接，使驅動器能夠驅動滑塊相對于底座在水平方向上滑動。
8）如圖6所示，滑塊的頂端面與導向塊的底面緊貼，滑塊的頂端面設有斜向上的第一引導斜面，導向塊的底面設有與第一引導斜面互補的第二引導斜面。驅動機構還包括開設在導向塊底面的限位槽，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運動。實際應用中，驅動機構能夠先驅使夾持件在豎直方向上與卡槽分離，然后再驅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，安裝板前面設有軸承，安裝板后側面設有調整電動機，調整電動機的輸出軸穿出安裝板并位于軸承的下方。安裝板設計有供調整電動機的輸出軸穿過的調節(jié)孔，調節(jié)孔為U形長條孔，輸出軸穿過調節(jié)孔并可在高度方向上進行滑動。調整電動機的輸出軸固接有偏心輪，偏心輪與軸承的外環(huán)抵接。通過設置偏心輪和軸承，調整底座在高度方向上的位置。
10）參考圖4，為了便于調整底座在水平方向上的位置，安裝板的底面固接有燕尾座，燕尾座的底面設有燕尾槽，燕尾座下方設有安裝座，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，從而調整夾持機構在水平方向上的位置。
3.小直徑棒料垂直夾持機構的工作原理
此棒料垂直夾持機構的工作過程：下料裝夾時，夾持件與卡槽在豎直方向上對準并相向靠攏，彈簧處于彈出狀態(tài)，驅使導向塊朝下運動并帶動固接安裝部的夾持件夾持待加工的棒料，驅動器的伸縮桿處于伸出狀態(tài)，導向塊的第二引導斜面與滑塊的第一引導斜面緊密貼合，限位柱抵靠限位槽的右側面（見圖6a）。
下料時，驅動器起動，驅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，在第一引導斜面和第二引導斜面的配合下，滑塊相對于導向塊向左滑動，滑塊上的限位柱沿限位槽向左滑動，而滑塊向左滑動轉化為導向塊向上運動，彈簧被壓縮，導向塊向上運動會帶動固定安裝在安裝部的上夾持臂向上運動，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)。
驅動器的伸縮桿持續(xù)回縮，當限位桿抵住限位槽的左側壁，驅動器的伸縮桿繼續(xù)回縮動作，帶動滑塊推動導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動，以使夾持件與卡槽在水平方向上錯開，外部設備能夠在豎直方向上，垂直下落抓取卡槽內的成品棒料，同樣能夠避免夾持件阻礙外部設備在豎直方向上投放棒料到卡槽中，完成夾持機構的打開動作。
上料時，機械手在豎直方向上自動放置一個棒料到卡槽中，之后，驅動器伸縮桿向右伸出回位，伸縮桿先驅動導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卡槽。在導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使導向塊向下運動，從而使夾持件向下運動并配合卡槽夾持棒料，實現(xiàn)夾持機構的閉合夾持動作。
當需要對底座進行升降時，可以起動調整電動機，調整電動機的輸出軸轉動，帶動心輪轉動，由于偏心輪與調整電動機的輸出軸為偏心設置，偏心輪抵頂軸承，促使底座的位置發(fā)生改變，從而調整夾持機構高度方向上的位置，以適用于更多種工況。
4.結束語
該小直徑棒料垂直夾持機構結構簡單可靠，通過采用上下夾持的方式對棒料桿部進行夾持，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。采用了機械零件斜面的變化結合彈性壓力配合的驅動機構，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，適應不同規(guī)格的棒料的夾持。夾持的精準度高，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)模自動化生產提供了保證。
目前，該棒料垂直夾持機構已在筆者公司大規(guī)模使用，有效地提高了生產效率，自動化程度可靠穩(wěn)定，保證了產品精度和產量。
