空調壓縮機曲軸鉆銑定位夾具設計
2016-7-25 來源：沈陽新松機器人自動化股份有限公司 作者：李偉嶺 盧裕朔 王浩舟 趙健
摘要：文章針對某公司空調壓縮機曲軸生產線的自動化改造，要求用六軸關節機器人代替人工給機床和設備進行上下料操作，中間過程無人工參與，然而由于曲軸的鉆銑加工工序要求定位精度非常高，加工過程中還要旋轉姿態，機器人直接給設備上料不能滿足定位精度要求，因此設計了一款自動化定位夾具，以保證曲軸的加工精度。
關鍵詞：機器人上下料；壓縮機曲軸；鉆銑夾具
壓縮機是空調最核心的部件，從成本上看，壓縮機的成本占到了整臺空調的三分之一，壓縮機質量的好壞直接決定了制冷系統的制冷效果，兩者有著最密切的關系。而作為壓縮機的核心零件曲軸的機械加工質量對壓縮機性能起著決定性的作用；一臺好的壓縮機，在使用壽命、噪音、能效比方面均會有更佳表現。
目前隨著國內工業的飛速發展，工業的自動化程度的提高，渦旋壓縮機對曲軸加工精度的要求越來越高，因此對于曲軸鉆銑定位夾具的精度和自動化程度要求也隨之提高。
1、壓縮機曲軸結構特點和工藝分析
曲軸屬于壓縮機內部的典型復雜件，精度要求高，形狀復雜，制造難度比較大。圖1 為該曲軸加工工藝圖紙。
該曲軸的鉆銑加工工序內容：（1）銑平面22±0.3 和平面20±0.3；（2）銑偏心軸上斜面（L 向視圖）；（3）鉆孔Φ5.0±0.2 和孔Φ2.0±0.2。
該工序整個加工過程的工藝流程：
（1） 機器人將工件放到夾具上；（2） 夾具自動對工件進行定位（曲軸的偏心軸處于正下方位置）；（3） 機床上的第四軸卡盤夾緊工件左側；（4）機床加工平面22±0.3 和孔Φ5.0±0.2；（5）機床第四軸卡盤夾緊工件旋轉一定角度，加工偏心軸上的平面；（6）機床第四軸再旋轉一定角度（偏心軸向上）后加工平面20±0.3 和孔Φ2.0±0.2。
圖1 曲軸加工工藝圖
2、定位夾具設計
根據該曲軸本身的結構特點和加工工藝要求，設計了一款自動化定位夾具，該夾具（如圖2）是由伺服旋轉卡盤、U 型支撐本體、氣動壓緊機構、調整定位塊、氣動拉桿機構等組成。
圖2 自動夾具總裝配圖
圖3 定位前工件姿態
圖4 定位后工件姿態
該加工工序的定位要求：通過自動定位夾具的一系列動作，使工件從姿態一（圖3）轉化到姿態二（圖4）以完成工件的軸向定位和徑向定位。
該夾具的定位動作過程如下：首先機器人夾緊工件將其放入該夾具的U 型限位支撐中，然后機器人退出機床，由于機器人重復定位精度等原因，導致工件的偏心軸與定位塊之間會存在間隙（d<2mm）；放完工件后夾具上的氣動拉桿機構在氣缸作用下移動到指定位置，此時拉桿機構上的彈簧柱塞頂住偏心軸，給偏心軸一個驅動力（驅動力F≈50N），然后尾部氣動推盤頂住工件左端面慢慢推動工件軸向動，在此過程中工件在彈簧柱塞驅動力下發生旋轉，直到偏心軸貼緊定位塊時停止轉動（如圖5 所示），完成徑向定位；當氣動推盤推工件軸向運動至軸肩頂住定位塊，氣動推盤退回原位，以完成軸向定位；隨后伺服旋轉卡盤夾緊工件，氣動壓緊機構壓緊工件，機床開始對工件進行加工。
3、定位夾具的原理分析和計算
圖5 力學分析圖
已知條件：G=12N，F=50N，R=14.42mm，τ=3.13mm，θ°≈80°；
經查詢機械技術手冊可得：鋼與鋼之間靜摩擦系數μ 靜=0.2，動摩擦系數μ 動=0.1；
通過力學分析可得：F=F'=50N；F"=G=12N；
根據如下公式進行計算：
M0=F·τ sinθ°；M0'=（f+f'）·R；f=μ·F'；f'=μ·F''
當工件處于靜止狀態時，工件受到的是靜摩擦力，此時驅動力矩和阻力矩如下：
M0=F·τ sinθ°=0.154N·m
M0'=（f+f'）·R=μ 靜·（F'+F"）·R=0.178N·m
由于M0<M0'，所以此時工件不旋轉，只是偏心軸受到驅動力F作用。
當自動夾具的氣動推盤推動工件移動時，工件受到的摩擦力由靜摩擦轉化成動摩擦，而此時工件所受到的阻力矩為：
M0'=（f+f'）·R=μ 動·（F'+F"）·R=0.09N·m
由于M0>M0'，此時工件發生旋轉，直到與定位塊相接觸旋轉停止。
工件軸向定位是通過氣動推盤推工件沿軸向運動，使工件軸肩頂住定位塊。
工件徑向定位是在工件軸向移動過程中完成的。
該理論計算通過實踐已經驗證可行性和可靠性，定位精度達到工藝要求，該設計目前已經應用于客戶現場（如圖6 所示），運行良好。
圖6 現場應用情況
4 、結束語
通過對壓縮機曲軸本身的結構特點和加工工藝要求的深入研究，設計了該自動化定位夾具方案。該自動化定位夾具結構緊湊、穩定性好，而且比較適合加工機床內部空間要求，定位效果良好；目前該方案已經應用在了自動化生產線上，并取得了預期的定位效果，保證了工件的加工精度，同時降低了人工成本，提高了經濟效益。
參考文獻
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[4]郭煒，孫維連，楊鈺瑩.快速偏心夾具的設計與應用[J].機械設計與制造，2007.
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