CN1115227C - 夹具 - Google Patents

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Abstract

一种夹具(10)装置，它包括最好具有长内侧臂距的、基本上是C型的框架，该框架用其自由侧臂端夹持例如一个铆接、粘接或焊接组件的工具。夹具(10)包括一个桁架或者框架，它包括内外侧的C型框架(11，23)和许多将其连接起来的斜支撑(27-32)。框架(11，23)和斜支撑(27-32)布置成许多相互连接的三角形部分，其连接点(18-22，37)设计成连接件或接头；外侧的C型框架(11)设计成只承受推力，内侧的框架(23)受推力和拉力，及斜支撑(27-32)基本上受拉力。

Description

夹具
本发明关于夹具或类似物品中的包括有C型框架的装置，该装置最好具有长内侧臂距，该框架用其自由侧臂夹持工具、例如一个铆接、胶接或焊接组件。
                     本发明的背景和问题
上面提到的这种C形框架是已知的，并用于例如组装小汽车的车身部件、框架结构、拖车、飞机等等。因为对框架的刚度和结构强度的要求高，所以用“工”字形断面的高拉伸强度的钢材制造。特别是在例如铆接的工作条件下会出现问题，很大的张力会出现在C型框架的两个侧臂上。框架还要承受高工作循环次数，至少200万次循环是基本要求。C型框架在某些条件下必须要能对位置比较深的零件进行操作，即要能达到在外边框内侧例如位置在1m的工作面。在例如汽车工业这样的大规模生产过程中C型夹具由机器人来操作，这就是说C型框架的重量应该足够轻使得系统的总重量小于机器人的允许操作重量。在手动操作时也希望将系统的重量减到最小。
现在所使用的机器人，其实际的操作重量已经达到甚至有时超过了其极限重量，但市场要求的是重量在规定范围内或更轻的、大型及更稳定的夹具。机器人的投资是如此的昂贵，因此它必须能够用在已有的甚至更新更广泛的工作条件下。
已经有人做过用复合材料制成固体模型来制造C形框架的试验，因为在胶接接头处连接件上的以剪切应力的方式表现出来的载荷应变太大，使得实验不可能进行下去。典型的钢制C型框架，内侧深度为850mm，即在400mm长的侧臂的端部之间的距离及设计荷载为53kN反作用力，其重量约为150kg，在侧臂的端部之间的最大允许变形为7mm。该重量与必要的工具重量之和超过了机器人的载运能力，该重量因此是不能接受的。
             本发明的目的和问题的解决方案
本发明的目的是提出一种夹具，其
a)重量轻，
b)刚度高，
c)强度高，
d)结构简单，
e)价格划算，
f)形状和样式容易变化，
g)可以在不同的环境下运行，例如焊接时火花飞溅的场合下运行，
h)寿命长、可靠性高。
这些要求通过权利要求中的特征已经得到解决。
                        附图描述
参照作为一个实施例的附图，下面更精确地描述本发明。
图1表示了移走前盖板后的所发明夹具的透视图。
图2和3表示了两个接头的透视图，分别为前、上和下部连接，
   及后、上和下部连接的更详细的视图。
图4以透视图的方式表示了后部连接。
图5以透视图的方式表示了三角形连接元件。
图6表示了修改后的本发明夹具的侧视图。
图7表示了图6所示的侧视夹具的框架构件。
图8表示了承载状态下的图1中所示的夹具。
图9表示了改进后的实施例未承载时的夹具。
图10表示了承载状态下图9中的夹具。
                      对实施例的描述
本发明的夹具包括C型外框架11，它依次包括6个外框架梁12-17，其中12、13，和17、16构成C的侧臂及梁14和15构成侧臂之间的过渡段。梁12-17的端部与端部之间通过连接件18-22互相连接起来，结果它们一起形成一个“C”字。
在C型外框架11的内侧，设有第二个C形的内框架23，包括框架梁24和25，它们也构成内框架23的侧臂，同时在侧臂之间的过渡段由梁单元26构成。
内外层的C型框架11、23在某些部位通过斜支撑27-32及在侧臂的端部通过接合件33和34相互连接。连接件18-22上设有连接支耳35，支耳上有轴颈用的通孔36，通孔形成给斜支撑27-32用的铰接头37。同样在斜支撑和内框架23之间的内侧连接方式设计成和接头37一样。梁单元26和斜支撑29，30设计成固定的三角形构件38，其上设有支持接口39，如机器人的手臂(未示出)。
连接件18-22和接合件33、34设有导向凸缘40和推力面41以引导压力，该压力被分别传递到框架梁12-17的端部和端面42上。通过调整连接件的推力面41的角度，框架梁的端部可以切成直角，这就简化了制造。
通过在C型框架的平的两侧上连接加强板43可以得到适当的C型框架的扭转刚度。在载荷作用到框架上时，加强板适当地和框架梁12-17和24、25相连。该连接可以胶连、铆接或螺栓连接等等。材料可以是钢、铝、增强纤维塑料板等等。
在以前的制造工作中，显然，与构件采用能吸收力矩的连接件相比，人们更喜欢框架工件上连接件处不出现因重力而引起的力矩。为了能够对付重载荷，必须采取包括使用抗力矩的连接件在内的、既笨重又难于控制的方法。人们已经知道，获得一个轻型耐用构件的关键在于设计框架构件的几何形状，使得连接到某一个连接件上的所有连接杆会聚在一个共同点上。选用的几何形状的结果是通过许多互相连在一起的三角形拼接成C形框架11，其中一个三角形至少有一条边和相邻的三角形共用。
由于复合材料的比刚度大于钢材的比刚度，希望尽可能地采用高复合比的复合材料以使所选择的加强板的重量减到最低。连接件上基本没有力矩的构件其选用原则是使外框架11中只出现一个轴向载荷即压应力，因此复合材料特别适合于这种情况。由于复合材料可以采用不同的增强塑料，如碳纤维增强塑料，其长度方向上的比弹性系数与钢材的25相比约为95，也就是说碳纤维框架比相应的钢框架几乎要轻四倍。同样由于组合载荷出现在外框架的内侧部件上，钢材是更值得投资的、有效的制造材料。这些部件也许更适合采用钢材，或者用钢材和碳纤维增强塑料的复合材料，在所描述的实施例中框架梁24和25已经选用这种材料，其中框架梁的内侧部件为碳纤维梁44而外部部件是钢杆。整个夹具的重量约为具有等效性能的钢制框架重量的一半。
然而，这并不排除，如果更强调要求降低重量和/或刚度和强度，所选用的构件的部件可以用复合材料来替代。
为了优化材料的性能，纤维的方向应该沿梁的延伸方向即长度方向，也就是说梁可以从碳强化塑料板中锯出来并可以切割成适当的形状，使此构件中最昂贵的部件的成本保持在低位。选用构件的原则是不要求使用特殊的模具，但可以在不需要大量初投资的前提下使用壳状模具等等。
图6和7所示的改进后的实施例。和上述实施例的不同点在于用固定连接代替了几个接头，同时又保证了要求，即所有的接头都没有力矩。通过此设计，可以将斜支撑27、28、31和32固定连接到框架构件38上，以获得图7中所示的外形。连接件18-22和斜支撑固定成一体可以减少附件的数量。框架构件38可以由适当的金属制造，例如钢材。内框架梁24和25按照和以前一样的方法铰接到框架构件38上。
设计所有没有力矩的连接点的缺点是夹具在载荷作用下会变形，见图8，以至于接合件33、34的连接表面不保持平行而与水平面成一个夹角α。
当工作过程对精度有高要求时，即工具单元45的两个部分，例如铆接单元45a和铆接柄45b，在铆接操作时必须对齐，换句话说接合件33、34的连接表面必须保持平行，此时无力矩连接或接头的原则不能建立。为了能控制C型夹具在荷载作用时的变形，将力矩作用到一个或更多的连接件或梁上是适合的，通过使连接到一个连接件的汇集梁的中心线不在一个共同的点上相聚的方法可以实现这一目的。因此所有的连接件上将不会没有力矩。
图9中示出了如何控制变形以满足一定的要求，即上面提到的平行。当例如铆固载荷，如箭头50所示，作用到接合件33和34上时，在接合件33上的中心线46的交叉点47已经被移到了连接件33的外面，形成力臂49来产生力矩。根据力臂52、53的长度来移动框架梁14、15、16附着点48、51，使力矩进一步作用到连接件20和21上。因此框架梁16、25和13、24既出现轴向变形又形成弯曲。图10给出了这样的一个例子，这里交接件33和34的连接表面的平行度可以保持。
在此实施例中加强板43可以省略。
本发明不限于所述及所示的实施例，在权利要求的范围内可以有许多变化。因此夹具可以包括更多或更少的三角形块，不同的接头结构也是可以的。
           序号清单10             夹具11             C型外框架12-17          外框架梁18-22          连接件23             C型内框架24-25          内框架梁26             梁单元27-32          斜支撑33-34          接合件35             连接支耳36             插孔37             接头/轴颈38             框架构件39             支持接口40             导向凸缘41             推力面42             端面43             加强板44             碳纤维梁45             工具单元45a            铆接单元45b            铆接柄46             中心线47             一次交叉点48             二次交叉点49             力臂50             力的箭头51             三次交叉点52-53          力臂

Claims (11)

1.一种夹具(10)装置，它包括长内侧臂距的C型框架，该框架用其自由侧臂端夹持工具，例如一个铆接、胶接或焊接组件，其特征在于：夹具(10)包括一个桁架或者框架，它包括内外侧的C型框架(11，23)和许多将其连接起来的斜支撑(27-32)；框架(11，23)和斜支撑(27-32)设计成许多相互连接的三角形部分，其连接点(18-22，37)设计成连接件或接头；外侧的C型框架(11)设计成只承受推力，内侧的框架(23)受推力和拉力，及斜支撑(27-32)基本上受拉力。
2.按照权利要求1中的装置，特征在于：连接点(18-22，37)被制成无力矩的连接件或接头。
3.按照权利要求1和2中的装置，特征在于在至少一侧最好是两侧平面上将加强板(43)与夹具(10)相连。
4.按照权利要求1中的装置，特征在于：外侧的C型框架(11)由具有高弹性系数的复合材料制成，最好是碳纤维增强塑料。
5.按照权利要求1中的装置，特征在于：外侧的C型框架(11)包括许多通过连接件(18-22)相互连接的杆形框架梁(12-17)，这些连接件设计成能够在其边侧引导梁的端部。
6.按照权利要求1中的装置，特征在于：内侧的C形框架梁(23)的侧臂(24、25)由至少一根复合材料梁和至少一根、最好是钢制的强化材料梁组合而成。
7.按照权利要求1中的装置，特征在于：内侧C形框架(23)的侧臂之间的过渡段(26)由三角形的框架元件(38)构成，其中设置接口(39)用于支持夹具(10)。
8.按照权利要求1中的装置，特征在于：夹具(10)中至少有些连接件(18-22)设计成无力矩的一维轴向的接头。
9.按照权利要求1中的装置，特征在于：内外侧臂(11、23)的每个自由端通过接合件(33、34)相互连接。
10.按照权利要求1中的装置，特征在于：三角形的框架元件(38)设计有固定连接的斜支撑(27、28、31、32)，在斜支撑的自由端上设有固定连接件(18-22)。
11.按照权利要求1中的装置，特征在于：当荷载力矩作用到一个或多个连接件和/或杆件上时，将通过一个或多个框架梁和/或连接件的、一个或多个斜支撑的中心线(46)设计成不在一个共同的交点相交。
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