夾具的氣動技術研究

常輝娟

摘 要：焊接夾具多以壓縮空氣作為壓力源，而夾具的氣動控制系統一般分為純氣控和電氣控制。全氣控系統速度快，效率高，維護方便，維修成本低廉，結構簡單可靠，但控制精度不是很高。電氣控制種類繁多，精度比較高，，維修成本高，比如有電磁控制、電機和驅動器控制等，控制精度極高，在要求運動軌跡精度非常高的場合下使用，缺點是：在惡劣環境（油污嚴重、粉塵過多）下使用，故障率略高。本文主要是通過夾具的氣路組成進行分析，保證了夾具按照生產工藝正常工作。以及氣動控制過程中，遇到的氣動設備不正常工作的問題，提出解決的方法，并最終順利完成整個項目。

關鍵詞：焊接夾具；壓縮空氣；純氣控；電氣控制

引 言

在生產線上60%～70%的工作為夾具的定位和夾緊，而氣路控制系統是實現這個功能的重要組成部分。氣動控制的夾具一是因為在價格比液壓的夾具低很多，二是因為氣動控制的夾具操作方便，能有效減輕勞動強度，三是因為氣動反應速度快，縮短生產時間，提高生產率，所以氣動夾具成為生產線上的主流。在焊裝行業，夾具對氣動元件的精度要求不是很高，易于制造，同時便于實現自動化操作。

1.夾具簡介

焊裝夾具有兩種控制方式：一種是純氣動控制，需要人工輔助完成夾具動作；一種是現在普遍采用的電氣控制。焊裝夾具一般由夾具本體、氣動控制回路組成，電控夾具還包括電控系統。

夾具本體一般包括夾緊支撐部件、定位部件、焊鉗導向機構、工件升降機構、翻板機構、夾具底板等部件。其中夾緊支撐部件和定位部件為夾具的執行部件。

典型的夾緊部件一般包括：壓頭、支撐塊、氣缸、連接板、三維調整部件及支座。

定位部件一般分為固定定位部件和活動定位部件。固定定位部件是通過支座將定位部件固定在夾具上底板上。活動定位部件，是將定位部件安裝在定位氣缸上，通過控制定位氣缸進行定位銷的工作。

2.夾具的氣動控制

夾具的執行部件一般是由壓縮空氣來驅動的，無論電控夾具還是氣控夾具都有氣動控制回路，相對于氣控夾具，電控夾具的控制回路要簡單的多，下面分別對兩種夾具的氣路連接進行介紹。

2.1氣控夾具的氣源處理

從空壓機輸出的壓縮空氣，含有大量的水分、油和粉塵等污染物， 這些雜質會使氣動系統的可靠性和使用壽命大大降低， 由此會造成設備的成本和維護費用大大升高。所以夾具氣路氣動控制的第一步是要設計一個合理的氣源處理系統。氣源處理組件是由模塊化的部件組合成的，一般由分氣塊、啟動閥、三聯體和安全閥組成。

前端的分氣塊與快速接頭連接，為維修提供氣源，后端的分氣塊與控制回路連接。啟動閥是一個常斷型手動兩位三通氣閥，接通氣源需由人工將旋鈕轉到接通的位置。三聯體是氣源處理的核心部件，其作用是對氣源進行過濾、調壓、潤滑。安全閥又稱安全啟動閥或軟啟動閥，其主要作用是實現氣控回路的軟啟動或軟停止。在接通/關斷氣源時，安全閥可以使氣控回路的氣壓緩慢上升/下降，避免氣動執行部件因氣壓的突變造成的沖擊，防止設備事故和人身傷害。

2.2氣控夾具的氣動控制回路

氣控夾具的動作相對簡單，通過按鈕及邏輯控制回路來驅動執行機構的動作。按鈕及邏輯控制回路一般采用邏輯元件、行程閥、氣控二位三/五通閥實現。氣控邏輯氣路根據實現邏輯關系的元件的種類，可以分為常規氣閥控制的邏輯氣路和邏輯模塊控制的氣路兩種。前者在國內使用廣泛，其技術根源來自日本的氣路設計方法。常規氣閥控制的邏輯氣路設計簡單、明晰，注重實用性。氣缸的到位信號和復位信號僅由關鍵的部件氣缸發出，氣路的操作形式采用按鈕，氣路系統的成本較低廉。

2.3電控夾具的氣源處理

電控夾具的氣源處理相對于氣控夾具的氣源處理，增加一個電磁閥，控制氣源的通斷；同時增加一個壓力繼電器，當壓力異常是，發出報警信號。

2.4電控夾具的氣動控制回路

電控夾具的控制回路比較簡單，通過電控回路來控制閥島的進出氣，從而控制氣缸的動作。比如單電控兩位三通電磁閥控制的氣缸，當電磁閥得電時，兩位三通閥移動到左位，氣缸前進。當電磁閥失電時，電磁閥由于彈簧的作用，會到右位，氣缸縮回。

3.氣控夾具的安全問題及優化方案

任何自動化系統的應用都不會一帆風順，都是要經過反復的核查，排除各種生產安全問題，解決出現的問題后才能取得成功。在氣路系統中，常見的安全的問題有以下幾種：

3.1防止啟動時活塞桿急速伸出

在氣缸啟動時如果排氣側沒有背壓，活塞桿會急速伸出，如果現場人員不注意，有可能發生人員傷害。為了避免這種情況，一是在氣缸起動前使排氣側產生背壓，二是使用進氣節流的調速方式。進氣時節流調速，當活塞桿接觸到工件后，進氣腔的氣體壓力增大，使得SCC閥換向，這時氣體高壓驅動工件。

3.2防止工件意外落下

在自動生產線中，常采用機器人抓手來搬運工件。當現場出現意外情況，比如電源或氣源突然斷開，氣缸沒有氣體的壓力會導致夾臂松開，這時必須采取措施，防止工件落下。這是一般有兩種方法：第一種方法是在夾具機械設計時，采用帶有機械鎖緊結構的氣缸，當氣缸正常運動時，通過兩位三通閥得電通氣，讓氣缸鎖緊機構打開，當有意外情況是，通過兩位三通閥失電斷氣，不再給鎖緊機構供氣，氣缸鎖緊機構抱緊活塞桿，阻止活塞桿運動；第二種方法是用三位五通中封式電磁閥控制氣缸，氣缸的進出氣回路上安裝先導式單向閥，當突然斷電時，閥片回到中位，先導式單向閥使得氣缸兩腔的氣體封閉，工件在一段時間內能夠保持原位。

4.氣控夾具的運作調試

4.1 問題產生

有機械結構的地方就會出現問題，當上述的氣路理論技術投入到實際生產中，往往會出現各種各樣的問題，解決出現的問題后才能取得成功。

4.2 問題分析和解決

在現實生產中，經常發生的問題有氣缸不動作，氣缸不動作的本質原因是氣缸內氣壓不足或阻力過大，以致于氣缸不能推動負載進行運動。而出現問題的地方可能在氣缸、電磁換向閥、管路系統和控制線路的任何一個地方，而某一地方出現的問題又可能是由于不同原因引起的。我們可以通過分析常見的故障原因，畫出故障診斷的邏輯推理框圖，以便于快速找出氣缸不工作的真正原因。如圖1所示，首先看看氣缸和電磁閥是否漏氣，這個很容易診斷，找出漏氣處，根據故障原因，采取相應的措施，如果密封圈壞了就更換密封圈，如果接頭松了就緊固接頭，缸體壞了就更換配件。若漏氣排除后，氣缸仍然不能正常動作，則需要繼續分析原因。

這是下一步要判斷電磁閥的換向是否正常，電磁閥上一般會配備信號指示燈，若電磁閥沒有換向，則檢查上一步的氣控回路是否有完成信號，如果沒有信號，則繼續查找回路故障；若有信號，則檢查是主閥的故障，還是電磁先導閥的故障，這需要使用試探反證閥，即試探性的改變系統中的部分工作條件，若主閥能切換，即氣缸能動作，那必然是電磁先導閥故障；若主閥不能切換，那就是主閥的故障了。閥體的故障有接線不良，閥體電磁線圈損壞，可按照故障類型進行重新接線或更換配件。

若電磁切換信號正常，那就應查詢是否氣缸輸出口壓力異常。這是可拆開閥的進氣口氣管，觀察排氣是否充足。若排氣充足，那肯定是氣缸的故障；若排氣不足或不排氣，則進一步檢查氣路是否堵塞或閥芯堵死等，從而進行相應的清理。

若壓力輸出正常，那就要考慮是不是負載過大或氣缸摩擦力增大。負載過大就要重新布置氣路或更換氣缸。摩擦力增大，考慮清理缸體內的雜質和增加潤滑。

5總結

最終夾具正常并且安全的工作，標志著針對該夾具的氣路設計已經成功完成，后續需要企業制定氣動設備的維護保養管理規范，加強管理教育，對氣動裝置進行維護保養，及時發現事故苗頭，采取及時措施，延長元件和系統的使用壽命。

該文詮釋了一次氣動設計工作的流程，從夾具的設計開始，分析氣路設計原理和安全優化方案，到最后的投入現場生產調試，通過常見的閥控氣缸不工作為例，提出分析查找問題的方法，并根據故障類型，突出解決方案。氣動方案的科學設計和完善的現場管理流程，為后續新項目的設計提供了很好的規范標準。

參考文獻：

[1]SMC（中國）有限公司，現代實用氣動技術[M]，機械工業出版社，2008

[2]徐文燦，劉漢鈞，等.氣動元件即系統設計[M]，機械工業出版社，1995.