自動化夾具綜合實(shí)驗(yàn)臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

萬宏強(qiáng) 王垠衡 余成林

摘要： 為解決機(jī)床夾具實(shí)驗(yàn)教學(xué)中夾具的不足，本文設(shè)計(jì)一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的夾具綜合實(shí)驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了夾具本體、液壓控制的結(jié)合。在功能分析的基礎(chǔ)上確定了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械部分等其他零部件的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床夾具的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研搭建了良好的實(shí)驗(yàn)平臺。

Abstract： In order to solve the deficiencies of fixtures in the experimental teaching of machine tool fixtures， this paper designs a comprehensive fixture experimental platform for experimental teaching. The test bench realizes the combination of fixture body and hydraulic control. On the basis of functional analysis， the overall structure design， the design of mechanical parts and other parts are determined. The experimental platform can realize the cognitive experiments and innovative design experiments of related machine tool fixtures， and build a good experimental platform for mechanical professional experimental teaching and scientific research.

關(guān)鍵詞： 夾具實(shí)驗(yàn)臺;機(jī)械部分;液壓系統(tǒng)

Key words： fixture test bench;mechanical part;hydraulic system

中圖分類號：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0223-02

0? 引言

在機(jī)械零件加工生產(chǎn)過程中，機(jī)床夾具是必不可少的部件[1]。目前機(jī)床夾具模型生產(chǎn)企業(yè)除了延續(xù)以前的設(shè)計(jì)外，并無太多的新意，即使有些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也暴露出太多為設(shè)計(jì)夾具而設(shè)計(jì)夾具的目的[2]。制造系統(tǒng)中由于大量的加工操作需要裝夾，夾具設(shè)計(jì)影響加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和制造成本。在柔性制造系統(tǒng)（FMS）中，夾具費(fèi)用占到整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)用的10%-20%[3]。在機(jī)械制造過程中，工藝裝備對產(chǎn)品有十分重要的影響[4]。而夾具作為重要的工藝裝備其研究設(shè)計(jì)卻落后于先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，這在一定程度上影響了新產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量[5]。為適應(yīng)市場競爭與需要，產(chǎn)品更新的速度變快，多品種、小批量生產(chǎn)所占比重變大[6]。傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方法已不能滿足新的生產(chǎn)制造特點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)者不斷設(shè)計(jì)出構(gòu)思合理、結(jié)構(gòu)正確、工藝良好的新型夾具[7]。因裝夾穩(wěn)定性及精度要求高等特點(diǎn)，夾具設(shè)計(jì)制造時(shí)間占整個(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的比重較大，生產(chǎn)成本占整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)用的比例較高。由此可知夾具對整個(gè)機(jī)械加工制造有很大影響，故提高夾具制造效率有很重要的意義[8]。

1? 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械類專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的以及拓展性要求，自動化夾具綜合實(shí)驗(yàn)臺在完成常用夾具裝夾任務(wù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該能完成其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：手動夾具實(shí)驗(yàn)、液壓夾具實(shí)驗(yàn)、夾緊力測量實(shí)驗(yàn)、夾具綜合實(shí)驗(yàn)、電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)踐環(huán)節(jié)。夾具部分包括：手動夾具、液壓夾具、回轉(zhuǎn)工作臺等模塊組成。自動化夾具綜合實(shí)驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制面板、典型夾具、液壓泵站等構(gòu)成。

計(jì)算機(jī)和控制面板放到桌面上，液壓夾具包括：①液壓鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu);②聯(lián)動夾緊機(jī)構(gòu);③液壓三爪自定心卡盤;④回轉(zhuǎn)工作臺。回轉(zhuǎn)工作臺用液壓馬達(dá)、齒輪減速器、蝸輪蝸桿傳動來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺和分度頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)保證回轉(zhuǎn)精度。計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為電壓，然后將其報(bào)告給比例放大器。放大信號并將其轉(zhuǎn)換，然后將其傳輸?shù)诫妱右簤罕壤龘Q向閥，以控制滑閥進(jìn)給和換向閥的閥口。傳感器將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過比較器將其與系統(tǒng)的給定電信號進(jìn)行比較，以獲得閉環(huán)控制系統(tǒng)的誤差信號;差值由比例放大器放大，然后由電動液壓比例止回閥驅(qū)動。從而精確控制驅(qū)動器。

2? 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 液壓鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)

對于工件兩端有圓弧形的，圓的外表面可用于夾緊，V形塊用于夾緊，兩個(gè)小V形塊和一個(gè)大V形塊用于放置和夾緊，因此總共限制了5個(gè)自由度，因此必須支撐一端這完全限制了自由度，但在零件圖中拱的壁厚比較薄剛度較差。因此，在另一端需要增加輔助支撐以避免剛度差的問題。因此夾具采用鉸接式夾具由快速液壓缸和壓板夾緊需要快速夾具以提高工作效率。本實(shí)驗(yàn)臺采用兩個(gè)V形塊，固定V形塊和活動V形塊由液壓缸夾緊，如圖2液壓鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)所示。

2.2 聯(lián)動夾緊機(jī)構(gòu)

采用液壓動力夾緊，活塞桿在驅(qū)動滑塊在滑動缸中的運(yùn)動，在工件上產(chǎn)生向下的夾緊力。限制Z方向上的工作自由度。三組推桿滑塊位于120°分布，限制工件圍繞X軸的自由度和工件圍繞Y軸的自由度。壓力塊和工件表面產(chǎn)生的摩擦力使銑削過程中刀具產(chǎn)生的周向切削力平衡。

根據(jù)工件的整體結(jié)構(gòu)及其輔助機(jī)構(gòu)確定夾具的特定外部尺寸。夾具體壁厚50mm，長度為1435mm，寬度為430mm（比X53K立式銑床工作臺的寬度稍大）符合設(shè)計(jì)要求，鉗體設(shè)計(jì)有螺釘孔和銷孔，并且需要定位部件。而且夾緊機(jī)構(gòu)的銷孔在組裝時(shí)匹配。為了滿足夾具中液壓缸的裝配，嵌入式設(shè)計(jì)用于容納固定裝置中的液壓缸組件，將液壓缸直接嵌入夾具體內(nèi)。

2.3 液壓三爪自定心卡盤

用于改善機(jī)床的工作的機(jī)械裝置，通過可動爪徑向移動來固定工件的位置。由卡盤主體、活動鉗口和鉗口驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。在中間有一個(gè)通孔用于工件和桿的通過。背面是圓柱形或短圓錐形的結(jié)構(gòu)，在機(jī)床主軸的末端呈直線或呈直線排列。

三爪卡盤液壓機(jī)構(gòu)主要在原始結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)螺旋盤、旋轉(zhuǎn)圓柱體和大錐齒輪。圓柱形活塞的一端與凹槽對齊，另一端安裝在液壓缸定子葉片的孔中。底部裝有活塞，在彈簧的作用下與凹槽接觸。當(dāng)卡爪不與工件接觸時(shí)圓錐螺旋彈簧上的負(fù)載相對較小，圓柱活塞和大錐齒輪沒有相對運(yùn)動氣缸也沒有相對運(yùn)動。卡爪徑向運(yùn)動并接近空轉(zhuǎn)的工件。夾爪接觸工件時(shí)，阻力急劇增加，進(jìn)給急劇減小并且手柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，作用在活塞上的力增大。當(dāng)達(dá)到一定水平時(shí)，錐形螺旋彈簧被壓縮，活塞和大錐齒輪發(fā)生相對運(yùn)動，活塞移入定子孔，液壓油被壓縮，流體推動轉(zhuǎn)子刀片旋轉(zhuǎn)，卡爪沿徑向略微移動，即擰緊行程。當(dāng)大錐齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度時(shí)活塞復(fù)位繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并重復(fù)之前的運(yùn)動，直到工件完全擰緊為止。

2.4 回轉(zhuǎn)工作臺

回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)精度主要通過主軸系統(tǒng)來保證。為提高主軸回轉(zhuǎn)精度，采用錐度為1：15的圓錐滾子軸承，既起到定心作用，又減少了主軸回轉(zhuǎn)，增加了主軸回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精度;并且在安裝時(shí)可以調(diào)整軸承的游隙從而保證合理的間隙，其主軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

回轉(zhuǎn)工作臺傳動路線為：液壓馬達(dá)→蝸輪蝸桿傳動→回轉(zhuǎn)工作臺，將液壓馬達(dá)輸出的動力經(jīng)蝸輪蝸桿通過傳動軸傳遞至回轉(zhuǎn)工作臺。蝸輪蝸桿傳動與回轉(zhuǎn)工作臺之間通過主軸實(shí)現(xiàn)動力的傳遞。

3? 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是自動化夾具綜合實(shí)驗(yàn)臺的重要組成部分，本實(shí)驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)由電液比例方向閥控液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺或分度頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及電液比例方向閥控液壓缸做直線運(yùn)動構(gòu)成。隨著電動液壓集成技術(shù)的發(fā)展，該測試臺使用電動液壓比例閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸來驅(qū)動機(jī)械零件并夾緊和松動工件。這給液壓系統(tǒng)帶來了高控制精度和高速度的優(yōu)勢，響應(yīng)速度快。在試驗(yàn)臺上說明液壓系統(tǒng)的任務(wù)和功能要求、主要參數(shù)、液壓系統(tǒng)原理圖、液壓元件的參數(shù)，檢查設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的性能。自動夾緊液壓系統(tǒng)可以是復(fù)雜的，也可以是簡單的，具體取決于自動夾緊的自由度。確定油缸和油泵，然后放置中間控制和調(diào)節(jié)回路以及相應(yīng)的組件以及其他輔助設(shè)備，以形成整個(gè)液壓系統(tǒng)。

4? 結(jié)論

根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)要求，確定了機(jī)械本體和控制系統(tǒng)方案，包括手動夾具和液壓夾緊自動夾具，其中手動夾具包括六點(diǎn)定位夾具、偏心夾緊夾具和螺旋夾緊夾具，自動夾具包括液壓鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)、聯(lián)動夾緊機(jī)構(gòu)、液壓三爪自定心卡盤、回轉(zhuǎn)工作臺夾具，并選用計(jì)算機(jī)和PLC進(jìn)行控制。本實(shí)驗(yàn)臺采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，各模塊可以重復(fù)使用一個(gè)或多個(gè)零部件，減少了加工費(fèi)用和裝配難度。此外本實(shí)驗(yàn)臺除用于教學(xué)，還可應(yīng)用于工廠實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用范圍廣。

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