橋臂類零件自適應專用夾具的設計*

葉 俊

(浙江機電職業技術學院 智能制造學院，浙江 杭州 310053)

0 引 言

隨著工業4.0的發展，復雜零件、異性零件的加工也越來越普遍，為保證該類零件的加工，業界對夾具的設計也提出了智能化、精準化的要求。夾具設計的合理性、有效性直接影響了復雜零件、異性零件加工的效率和產品的質量。其中，因為其自身具有夾緊穩定、操作簡單等特點，液壓夾具得到了大量應用。

張文凡等人[1]針對液壓夾具易受外界干擾的問題，提出了一種自適應的液壓夾具系統；鄒德強[2]提出了一種用于柔性生產線的液壓夾具。在氣壓夾具方面，王細洋等[3]研制了一種氣動控制柔性快裝夾具；馬進中等[4]利用數控機床內的PLC控制器對夾具進行了研究，通過數控機床的電氣系統來控制氣動夾具動作，提出了一種氣動多工位夾具。

某橋臂零件的加工量為500件/月，生產設備為數控加工中心，材料為鑄件。該橋臂零件的毛坯表面粗糙，且外形不規則，加工時需人工花費大量精力進行找正、定位及裝夾。為了解決該難題，通常需要借助于專用夾具進行裝夾。為了減輕勞動強度，并確保一致的夾緊力，通常夾具應采用自動裝夾的方式來夾緊工件，以在保證加工質量滿足生產要求的基礎上，盡量提高生產效率，并降低工人的勞動強度[5]。

針對以上問題，筆者將在對橋臂零件的圖紙和加工工藝進行分析的基礎上，設計一種橋臂替換的自適應專用夾具。

1 橋臂零件的分析

1.1 零件圖分析

以某橋臂零件為研究對象，因其具有重要的導向和傳遞力的作用，對連接精度有很高的要求，其橋臂圖(頭部)如圖1所示。

圖1 某橋臂零件圖(頭部)

圖1中，該橋臂零件的材料為鑄鐵，最大輪廓尺寸為419 mm×239 mm。其加工結構特征是：該橋臂頭部共有7個尺寸不同的內孔，4個內孔對稱分布在軸心線兩端，另外3個內孔均勻分布在頭部虛線圓的3等分處。

根據圖1可知：零件頭部需加工的7個小內孔皆有位置度要求，除了3個M6-6H螺紋內孔外，φ14內孔粗糙度要求達到6.3，φ10內孔粗糙度要求達到3.2。在加工中，針對7個內孔的位置度加工難以保證精準，由此需要設計一個專用夾具來滿足其生產要求。

1.2 加工工藝分析

本文通過零件公差等級、加工表面尺寸確定工序余量，再確定表面加工方法，根據零件材料以及粗糙度要求選擇合適的刀具。

橋臂(頭部)加工方案如表1所示。

表1 橋臂(頭部)加工方案

2 橋臂專用夾具的機械結構

該夾具主要是解決工件定位誤差大和裝夾困難等難題，因工件毛坯屬于異形件，毛坯兩側存在高度差、毛坯整體尺寸較大的問題，在夾具設計中需要支撐元件支撐工件，利用浮動元件輔助毛坯進行夾緊。所設計的專用夾具主要由定位元件、夾緊元件、支撐元件、輔助元件等組成。

以橋臂零件的內孔為定位基準，為了簡化夾具結構，保持基準統一，本文采用一面兩銷定位設計：支承板為第一基準限制x、y方向的轉動和z方向的移動，圓柱銷為第二基準限制x、y移動，菱形銷限制z轉動，限制了毛坯的6個自由度，屬于完全定位。利用油壓頂出型支撐元件輔助支撐毛坯，液壓夾緊元件裝夾工件。在底板上選擇兩銷位置，將輔助元件支撐臺放在內孔其中一定位銷中，以另一定位銷為圓心安置定位環；在支撐臺上放置中部壓緊油缸和浮動支撐，在其前端放上浮動支撐油缸；在前部和定位環兩端放置前部壓緊油缸和后部壓緊油缸夾具。由于工件毛坯以貨車橋臂的2個定位孔為基準進行粗定位，且具有浮動支撐，使毛坯的定位相對穩定可靠。

夾具整體結構如圖2所示。

圖2 夾具整體結構圖

3 橋臂專用夾具的液壓控制

夾具進行結構設計后，需對夾具的控制系統進行規劃，由于人工操作存在定位誤差大、耗時長、不統一等缺陷，結合零件加工所需，本文采用數控機床的液壓系統實現毛坯的輔助定位、夾具的夾緊、夾具的松開等來解決存在的缺陷[6]。

3.1 夾具動作流程

筆者將工件放置在夾具的定位元件上后，啟動數控程序，浮動支撐升起支撐工件。動作完成后，液壓轉向閥開始工作，夾緊裝置啟動，旋轉液壓缸帶動壓板向下壓緊工件，此時將通過信號檢測夾緊力，如夾緊力不夠則停止所有工作并在數控系統中顯示報警，如壓力正常則繼續啟動數控加工程序，進行毛坯的切削加工。加工結束后，液壓轉向閥開始工作，浮動支撐縮回，壓板松開工件并旋轉至合理位置不干涉工件的取出。

橋臂零件專用夾具動作流程如圖3所示。

圖3 橋臂零件專用夾具流程

3.2 液壓控制回路

當工件放置在夾具上，機床程序未運行時，此時液壓泵輸送的油液都被阻隔在三位四通換向閥下，所有的油缸油路都未接通，夾緊裝置未啟動，只有在接受收到指定的命令后，液壓控制回路才會工作[7]。當得到信號后，1號電磁閥左端接通，打開回路，油液經過液控單向閥，到達浮動支撐油缸，使液壓缸工作，帶動支撐頭上行，在碰到工件后立即停止上行并加壓鎖死支撐工件。接著2、3、4、5號電磁閥左端接通，油液通過單向閥進入使液壓缸，使液壓桿運動，從而帶動壓板壓緊工件。

夾具夾緊液壓圖如圖4所示。

圖4 夾具夾緊液壓圖

在加工程序運行結束后，接收到信號后，5、4、3、2號4個電磁閥右端接通，改變油液通入方向使油液從另一端進入，提供反向推力帶動壓板松開上升，解除夾緊。最后接通1號電磁閥右端，同樣轉換油液方向，使支撐頭下降返回原點，完成動作。夾具復位，此時可以取出工件，完成加工。

4 橋臂專用夾具的電氣控制

夾具的控制有數控機床的程序代碼進行控制，在完成了液壓控制方案設計后，需對其電氣控制進行設計[8-10]。可以利用機床上內置的PMC編程控制器進行二次開發，通過指定的M功能指令，來實現液壓夾具工作動作，從而實現自動裝夾，提高加工效率。具體流程如下：運行加工程序，利用自定義的M15指令，控制A缸動作，上升支撐工件，同時也檢查支撐狀態；同樣地使用M25、M35、M45指令，控制B、C、D缸動作，鎖緊工件并檢查鎖緊狀態。工件加工完成后，使用M16、M26、M36、M46指令，A缸、B缸、C缸和D缸松開返回，取下工件，完成操作。

4.1 電氣控制I/0口信號

依據夾具的工作過程還有加工安全可靠性的考慮，定義的M功能指令，I/O口信號地址，中間繼電器以及電磁閥。

為實現夾具的自動裝夾、松開，完成加工動作指令，本文通過自定義M指令控制夾具夾緊元件的壓緊，松開；對I/O口輸出信號的地址進行設定，選取符號，并添加注釋；對中間繼電器進行編號，對輸出地址進行設定；對三位四通電磁閥進行編輯。

I/O口定義與說明如表2所示。

表2 I/O口定義與說明

當SP1閉合后，即表示液壓回路不連通，液壓控制回路液壓欠壓，機床發出報警信號，應立即停止機床工作；當SQ1接通后，回路連通，表示A缸鎖緊信號到位，其代碼動作指令完成。SQ2聯通后，則顯示B缸的夾緊動作完成，信號到位。

輸出控制如圖5所示。

圖5 輸出控制

當Y66.0線圈得電，中間繼電器KA1得電，KA1的常開觸點閉合讓電磁閥YV1得電，使A液壓缸油路接通執行動作；浮動支撐油缸支撐頭上行碰到工件后停止并繼續加壓支撐工件。

之后的Y66.7線圈得電，輸入控制信號如圖6所示。

圖6 輸入控制信號

依據液壓夾具的控制方案及數控銑床內置的PMC功能，實現液壓夾具所需要控制動作的M指令的自定義、安全故障報警設置[11]。通過編制數控機床PMC梯形圖實現上述功能。

4.2 夾具電氣控制系統的實現

完成PMC程序編譯后，可以將自定義的M指令嵌入工件加工程序，利用數控程序控制數控機床的PMC信號，實現利用數控加工程序控制夾具液壓元件的執行目的。自適應夾具運行程序如下：

O4567；(數控加工程序名)

G21；(定義加工尺寸為公制)

G17 G40 G49 G80；(數控代碼初始化)

M06 T02；(更換所需切削刀具)

G90 G55 X65 Y30 S1800 M03；(主軸轉動，定義下刀點)

M15；(A缸上升支撐工件)

M25；(B缸夾緊工件)

M35；(C缸夾緊工件)

M45；(D缸夾緊工件)

……；(零件加工的數控加工程序略)

M46；(D缸松開工件并旋轉復位)

M36；(C缸松松開工件并旋轉復位)

M26；(B缸松開工件并旋轉復位)

M16；(A缸下降復位)

M30；(程序停止)

5 橋臂專用夾具在生產中的驗證

該橋臂零件自適應專用夾具在生產中已進行了驗證。設備為浙江凱達機床股份有限公司生產的6540數控加工中心，系統為FANUC oi-MD系列。經過驗證，該夾具在生產效率、加工質量上具有較為顯著的效果，裝夾效率提高了287%，定位調試效率提高了333%，產品報廢率降低為0%。

人工裝夾與夾具裝夾定位的統計數據如表3所示。

表3 人工裝夾與夾具裝夾定位的統計數據表

6 結束語

結合企業生產所需，本文提出了自適應夾具的設計，對被加工零件進行圖紙分析，結合加工工藝，對夾具進行了機械結構設計；對夾具的液壓控制系統進行了設計，再者對夾具的電氣控制系統進行了設計，最后利用數控機床的程序對夾具進行了夾緊及松開控制，達到了自動控制目的。

該專用夾具采用液壓控制，其設計具有定位精確、節省人力的特點，能有效解決定位誤差大、裝夾不牢靠等問題，對橋臂零件的大批量生產帶來便捷，提高效率，降低勞動強度。同時該夾具的開發也能為同類產品夾具的開發提供借鑒。