切管自動送料夾緊裝置的設計

楊朋朋 李權飛 魯鵬勇 劉世財 崔智博 張龍騫 彭文利

（嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314000）

0 引言

管材在各行業被大量使用， 而下料工序是管材后續加工的基礎，下料精度和效率的高低直接影響到相關產品的質量及成本的高低。管件定長切割加工，主要是將管材切割成要求的長度。 目前的管件切割方式多采用手工送料、手工夾緊的方式，遠遠滿足不了批量加工管材的要求,因此實現夾緊以及切割和送料自動化顯得十分重要。

1 設計要求

夾緊裝置能實現自動夾緊單根或多根不同尺寸的圓形和矩形截面的金屬管材。 管材長度一般不大于12m， 圓管直徑范圍為15～55mm，矩形管高不大于200mm，寬不大于35mm 的都能使用此裝置。該裝置能夠自動夾緊，其夾緊后的管材不能滑動，有效夾緊后不能損傷管材。 此外，該裝置還應安全可靠，靈活高效，便于操作和維修。

2 夾緊裝置的總體設計及工作原理

2.1 夾緊裝置的設計說明

該夾緊裝置采用氣動的形式來完成夾具的自動夾緊與松開。夾具體的設計是參考了虎鉗的夾緊原理，由一個矩形空心框2 和一塊可調夾板4 組成，這樣可以實現同時夾緊多根和夾持不同形狀的管材的要求。 氣缸和夾具體都安裝在用一塊矩形鋼板做成的底座上，氣缸的安裝形式是腳架式， 氣缸活塞桿6 與可調夾板4 的連接形式為鉸接，底座再與機架用螺釘連接。 該裝置的結構設計如圖1 所示。

圖1 自動夾緊裝置結構示意圖

2.2 夾緊裝置的工作原理

本裝置可調夾板4 上的夾緊套3 有兩種形式，分別為矩形套和弧形套（圖2 所示）矩形套用于夾緊方形管材，弧形套用于夾緊圓形管材，可保證不同形狀管材的夾緊；兩種夾緊套為橡膠材料，橡膠制品有較大的彈性變形，實現了多數量管件的夾緊。自動夾緊裝置工作流程：由送料裝置將管材送入夾緊裝置，此時氣泵開始驅動，將氣體通入氣缸8，活塞桿6 在氣體的作用下，推動可調夾板4 將管材夾緊，整體流程在PLC 系統控制下運行。

圖2 夾緊套

自動夾緊裝置需要配合送料裝置和切割裝置的運行，因此總體設計機構包括機架、步進電機、滾珠絲杠傳動副、移動氣動夾具、固定氣動夾具、切割機、PLC 控制系統。首先自動送料裝置把管材送入移動夾具內時，移動夾具夾緊管材；電機通過聯軸器帶動絲杠轉動，并驅使夾持著管材的移動夾具往前移動， 直到管材前段超過切割機指定尺寸時，電機停止運動；接著固定夾具運動，把管材夾緊，此時管材已被正確固定，切割機運動，實現管材的切割，得到所需管件；之后移動夾具松開管材，回到起始位置，再次夾緊管材；然后固定夾具松開管材，由移動夾具夾持著管材到達指定位置，固定夾具夾緊管材，接著重復以上切割操作。 整個過程中管材的運送、夾緊、切割都是在PLC 系統控制下，實現了整個過程的自動化操作。

3 主要組成部分的設計計算

根據所需管材的形狀尺寸與數量確定本裝置各個機構尺寸的流程如下：

3.1 夾緊裝置夾緊力的計算

以截面形狀為圓形的管材為受力分析圖，將分析中的弧形套夾緊方式簡化為V 形塊分析[1-3]，得到夾緊力為654N。

3.2 氣缸的設計

采用普通型單活塞桿雙作用氣缸，選擇氣缸的安裝方式為腳架式比較適合做直線往復運動的氣缸[4-5]。通過計算得出氣缸內徑90mm,壁厚在7mm,理論輸出力1307N。

3.3 活塞桿的尺寸設計

活塞桿是用來傳遞力的重要零件，要求能承受拉伸、壓縮、振動等負載，可選活塞桿材料為45＃ 鋼，鋼材表面需鍍硬鉻及調制處理，28～32HRC，做出直徑設計[4]，確定出活塞桿直徑為16mm。 活塞桿計算長度為85mm。

3.4 耗氣量的計算

氣缸在做往復運動時所消耗的壓縮空氣的量這就是氣缸的耗氣量，它與氣缸的性能無關，但這是用來確定氣動回路耗氣量的重要參數之一。平均耗氣量是有氣缸容積和氣缸每分鐘往返次數算出的平均值[5]，得出值為 6.23L/min。

3.5 支承架的設計

自動夾緊裝置在工作時必須與自動送料裝置和切割裝置在同一工作面上，這樣就需要設計一個機架使得送料裝置、夾緊裝置、切割裝置能在同一工作面上。 機架的高度根據人體工程學，以男性為操作者將機架高度定為900mm 比較合適。安裝夾緊裝置部分的寬為300mm，長為795mm。

3.6 其它零部件的計算

上面以弧形套在夾緊過程中受到多個圓形管材受壓時受力分析，管材與夾緊套四個接觸點分別受徑向力與切向力。根據設計計算得出夾緊套最厚部分為20mm,最薄部分為10mm。

4 小結

根據企業的生產需求， 本文進行了大量市場調研和資料查閱工作，提出了設計思路，完成了夾緊裝置總體結構的設計方案，并對其驅動、傳動和控制方式進行了詳細地分析和設計。 該夾緊裝置能夠實現管材夾緊的自動化，不但可以提高切割的精度和生產效率，而且適用于多種截面形狀和尺寸管材的夾緊。 因此在管材的加工過程中，提高了生產效率和生產質量。

［1］吳拓.現代機床夾具設計[M].北京：化學工業出版社，2011.

［2］田培棠,石曉輝,米林.夾具結構設計手冊[M].北京： 國防工業出版社,2011.

［3］劉鴻文.材料力學Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2009.

［4］張利平.液壓氣動技術速查手冊[M].北京：化學工業出版社,2006.

［5］王繼偉，章宏佳，黃宜.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2005.