經濟型模塊化機床智能裝卸夾片機的設計與應用

尹海宜

（柳州市威爾姆預應力有限公司，柳州 545005）

目前，預應力錨具大量應用于路橋建設、電站建設、高層建筑、巖土錨固、深基坑支護、超大超重構件提升、頂推、轉體等諸多領域的建設和施工中。預應力錨具中的關鍵零件夾片有多個主要參數，如錐度、牙形、硬度、表面粗糙度等，其中錐度是最重要的設計指標，它表明了在允許錐度變化范圍內的情況下，夾片所產生的夾緊力用以克服預應力筋承受橋梁荷載所需要的拉力，同時又不至于產生過大的載荷而使夾片變形。

現有加工機床在加工流程中主要經過以下9道工序：鋸→鍛造→車錐①→車端面②→沖字→磨外錐→攻螺紋→鋸彈性槽→鋸開（分為均勻兩片）。其中，標記為①～②數字的工序為工人人工將夾片送上數控車床高速旋轉的主軸的脹緊套上。由于車床主軸高速旋轉，手工上料的操作工人面臨極大的安全隱患。工人每天勞動8h，不斷重復上料、下料、檢測，工作很容易造成疲勞，一旦分神將會威脅人身安全。預應力錨具生產廠家決定設計夾片車外錐的自動裝置，實現優質、高產、低成本的夾片生產。

中國的錨具生產基地主要有柳州、杭州、天津、成都和開封等城市，這些城市的預應力生產企業支撐著我國預應力結構工程（主要是新建高速鐵路、高速公路和城際鐵路）的緊張施工，貢獻重大。近幾年，我國基礎建設項目猛增，市場對預應力錨具的需求量供不應求，所以大幅度降低夾片的生產制造成本同時提高夾片的生產量迫在眉睫。目前對夾片自動上下料機構實物研制的工作尚未見報道，其研究主要針對車外錐這個工序，而本設計則利用夾片機加工本體設備，實現了低成本、模塊化、柔性化的智能生產。

1 設計內容

經濟型模塊化機床智能裝卸夾片機由普通數控機床、電箱和夾片自動上下料機三部分組成，如圖1所示。夾片自動上下料機分別與普通數控機床和電箱連接，其結構如圖2所示。普通數控機床包括車床主軸、刀具和刀架，車床主軸、刀具和刀架均設置于普通數控機床上，車床主軸通過電機帶動轉動，刀具設置于刀架上。電控箱包括單片機、輸入顯示器和狀態燈，輸入顯示器和狀態燈與單片機連接。

夾片自動上下料機包括支撐板、下料管、給料器、推料氣缸、運料氣缸、給料板、給料氣缸、下料拔叉、下料氣缸和下料滑道，下料管為兩端開口中空的管道結構，推料氣缸設置于支撐板上，下料管固定設置于支撐板的上方，并且該下料管的下端口與支撐板之間的間距形成出料口，推料氣缸設置于支撐板上并位于該出料口一側，給料板位于該出料口另一側，給料器為兩端開口中空結構，該給料器頂部開設有進料口，下料管固定設置于給料器頂部并通過進料口與給料器相貫通，該給料器靠近給料板的一端口即為出料口。

圖1 經濟型模塊化機床智能裝卸夾片機的結構

運料氣缸設置于支撐板上，給料板與運料氣缸連接，給料氣缸設置于給料板上，給料板上設有運料槽，運料槽包括槽板Ⅰ和槽板Ⅱ，槽板Ⅰ和槽板Ⅱ相對固定設置于給料板上，該槽板Ⅰ和槽板Ⅱ之間的間距形成運料槽，該運料槽一端口與出料口相對，運料槽中設有推板，該推板可沿著運料槽中移動，并且該推板與給料氣缸連接。給料板通過導向限位桿設置于支架的支撐板上，支撐板上開設有與給料板大小相等的給料板通孔。下料氣缸設置于支撐板上，下料拔叉與下料氣缸連接，下料拔叉一端設有U形槽，支撐板通過安裝板固定設置于普通數控機床上，支撐板位于車床主軸上方，下料拔叉的U形槽位于車床主軸處，下料滑道設置于機床上，下料滑道為有滑板、擋板Ⅰ和擋板Ⅱ構成的半開放式滑槽，該下料滑道的入口靠近車床主軸并位于車床主軸的下方處。通過下料滑道可將機床加工好的夾片運輸到其他工序中，使得加工機床與其他工序連成整條的夾片自動生產線。

圖2 夾片自動上下料機的結構

夾片自動上下料機上的各個氣缸分別與電箱的單片機連接。使用時，夾片放置于下料管中，可將多個夾片依次排列放置，夾片較大一端朝下，通過推料氣缸將夾片推送至給料板上（此時夾片翻轉90°），通過運料氣缸將給料板推至與車床主軸水平對齊處，再通過給料氣缸將給料板的夾片推送至車床主軸上，車床主軸高速運轉，車床上的刀具對夾片進行加工，夾片完成機加工后由下料氣缸帶動撥叉運動，將夾片從車床主軸上推落下來，再進行下一個夾片加工。

裝配過程：用螺栓將夾片自動上下料機構固定在普通數控車床上。將電箱放置在普通數控車床上容易操作的地方即可。

工作過程：夾片加工結構均為錐形，將夾片小端面朝上依次進入下料管中，可通過振動盤保障夾片正確有序地進入下料管中，通過夾片自動上下料機構中不同的氣缸進行正確定向，保證夾片內孔（夾片大端面內孔）對準車床內漲式心軸且大端面為定位面時進行自動上料；當夾片加工完畢后通過夾片自動上下料機構自動卸料（即將加工好的夾片通過下料拔叉從內漲式心軸中拔下），同時自動卸料的夾片具有一定的彈射距離和高度，使夾片實現大端面作為定位面墜落到下料滑道上，保證夾片墜落到自動輸送線從而正確有序地輸送到下個工序。

2 應用與效果

本設計就是在普通數控機床的基礎上增加電控箱和夾片自動上下料機，使用時，夾片放置于下料管中，夾片較大一端朝下，通過推料氣缸將夾片推送至給料板上，通過運料氣缸將給料板推至與車床主軸水平對齊處，再通過給料氣缸將給料板的夾片推送至車床主軸上。通過夾片自動上下料機，人們可以實現夾片加工過程中的機械自動上下料，解決現有手工上下料的問題。本設計使用安裝簡單，提高了生產的安全性、可靠性和穩定性，減輕了勞動工人勞動強度，改善了工人工作環境，可直接用在生產線上。因其成本低，回報高，市場前景廣闊。

本設計通過電箱對夾片自動上下料機進行控制，減少電氣元件的裝配工作量。電氣連接和線束組裝采用觸摸屏PLC繼電器集成的一體機，只需配電源和按鈕即可。此應用主要是減少電箱總的組裝時間，目的是為了指導設計者減少成本和更容易地制造產品。利用夾片機加工本體設備不專門針對某種型號機床設備，滿足了低成本、模塊化、柔性化智能生產的需要。

降低生產制造成本：夾片車錐這道工序，如果采用專門定制的專用數控精密車床來生產，按照月產100萬孔計算，專機需要12臺，每臺成本13萬，大概需要投資170萬元。如果采用本套模塊裝置在普通數控機床上改造，本設計每臺成本低于6000元，同樣按月產100萬孔夾片計算，投資這道工序只需70萬元，遠遠低于市場上同類產品，性價比非常高，經濟效益顯著。和原來老式工藝相比，工人由原來的16人減少至4人，每年至少減少人工成本60萬元。同時，這有助于推進企業技術的更新換代，加快企業的發展步伐，提高市場競爭力。

3 結語

經濟型模塊化機床智能裝卸夾片機構造復雜，包括普通數控機床、電箱和夾片自動上下料機，自動上下料機分別與夾片機床、電箱連接。其中，夾片自動上下料機包括支撐板、下料管、推料氣缸、運料氣缸、給料板、給料氣缸、下料拔叉和下料氣缸。本設計利用夾片機加工本體設備，實現了夾片加工過程中的機械自動上下料，達到了低成本、模塊化、柔性化智能生產的目的。