一種自動油氣供給的夾具結構設計

中圖分類號：U466 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.014

Abstract：Inconventionalassemblylineproductionmachiningcenterscommonlyutizeadual-stationlayouttoeanceproesing efficiencyHowevedetotestructuralmitatiosoftestadaddualstationqpmenttepowerhydralicilforthaccompaing fixturesandthecompressedairfordetectioncannot becontinuouslysuplied.Manual interventionisrequired toplugandunplug theoiladaioscstolinttoosssofsatiocioctiseofd returoilpipesandhydraulicoillakage.Inrecentyears，withtheupradingofproductioninesandtheintegrationofdigtalization andinformatization，thetransformationofproductionlinestowardsautomationhasgraduallybeenintroduced.Thispaperprsents anautomaticoilandairsupplystructureforthefixturesofhorizontalmachiningcenters inautomatedaemblylineoperations.By employing UGsoftwaretoredesigntheautomaticoilandaisuplystructure，therisksassociatedwithmanualpluginganduplugging of oilandairhosesareeliminated.Thisinnovationnotonlyachievesautomatioof theproductiolinebutalsoreduceslborcosts. Key words： Machining center; Fixture; Dual workstation; Automatic; Oil and gas supply; NX

0 引言

隨著經濟的快速發展，各企業間的競爭日益激烈。為了保持市場競爭力，企業需要不斷提高生產效率、降低成本、提高產品質量，從而在激烈的市場競爭中占據優勢。自動化生產線是通過引入先進的自動化設備和技術，提高生產效率，減少人力成本。但購買新設備投資大、周期長。

2016年國家開始提出并推動產線進行自動化改造。對企業已有常規產線進行自動化改造，能有效減少對人工的依賴，大幅降低人力成本，可快速投入使用，同時提高生產效率和產品質量。但對于已有產線，購入的臥式加工中心（下簡稱：臥加）多為標配模式，即未配有旋轉接頭、油路分配器等液壓供給結構，需手工插拔油管為夾具供給液壓。

為了解決該技術難題，本文提出了一種自動供給油氣的夾具結構（下簡稱：對插結構），無需改造設備或新購高配設備，即可解決在實施自動線改造時雙工位標配設備夾具的油氣供給問題。

1 現狀描述

目前大多數企業的生產設備所用的夾具均為手動液壓夾具；如圖1所示，該手動線“臥加”液壓夾具主要包含夾具本體、液壓油管、液壓站，需要手動插拔液壓油管接頭為夾具提供油壓。

手動線液壓夾具使用時的動作順序如表1。

在使用手工插拔液壓油管的夾具時，每一步都需要人工參與，勞動強度大、效率低且存在進/回油管插錯、液壓油泄漏、定位面夾鐵屑損壞工件或設備等誤操作風險。

為了消除以上風險，成功實現自動化改造，現需設計一種對插結構。

2 可行性分析

2.1改造原理可行性

為適應自動線改造，需對手動夾具的液壓供給結構改進，如圖2所示，可通過一種對插結構解決油氣管路插錯問題；通過氣密檢測箱解決定位面夾鐵屑致廢工件問題；通過各傳感器信號與動作關聯解決人工操作勞動強度大、效率低的問題。

改造后的機構液壓原理對比，如圖3所示。自動化夾具需2路油壓執行旋轉式夾緊器的夾緊、松開，1路油壓拉緊對插結構，3路壓縮空氣分別確認旋轉式夾緊器的夾緊、松開及工件定位面氣密檢測信號。

2.2對插結構布局可行性

因對插結構與設備和夾具為分離狀態，屬于獨立的一種結構，故需要對其布局進行可行性分析。將夾具體安裝在臥加外側[2-3（本文中臥加雙工作臺交換形式為旋轉式）工作臺上，分析對插結構布局可行性如表2。

結論：可選取臥加外側工作臺防護門側空間設計；因工作臺與防護門間隙小，故可將對插結構布局在機床防護門外側。

2.3 元器件匹配可行性

手動臥加液壓夾具工作時系統壓力為5MPa；現有壓縮空氣壓力 0.5MPa 。設計對插結構的元器件可承接以上要求。

傳統的油管接頭有防脫卡扣結構，已不能用于自動化連接。通過查閱資料，選用一種國外品牌的自動接頭，由插頭與插座組成，油路使用壓力 0～7MPa ；氣路使用壓力 0～3.5MPa_? 0該自動接頭的工作原理為在插頭（夾具側）與插座（對插側）對接后，內部單向閥[4-5打開形成通路，可實現油、氣自動供給。因油、氣通過時會產生反作用力，所以需施加適當的推力來克服反作用力，保證油、氣路的穩定接通，無泄漏。自動接頭對接的反作用力計算如表3所示。

拉緊油缸拉緊力計算公式如下：

當供給油壓 P=5MPa 時，拉緊力 F₃=4.66kN ，反作用力=2×F₁+3×F₂=2.23kN（2 條油路 +3 條氣路）。拉緊力 gt; 反作用力，可保證油、氣路穩定接通。

由于對插結構布置在加工中心門外側，門打開后需由氣缸將插座推送至機床內與插頭完成對接。氣缸行程 S 需滿足：

Sgt;L₁+L₂

其中 L₁ 為插座到門距離， L₂ 為插頭到門距離。

綜上所述，設計一種自動油氣供給的夾具結構方案可行。

3 方案設計

3.1整體結構設計

對插結構采用三維軟件N×設計，整體結構如圖4所示。該結構由基座1、安裝座2、增高座3、氣缸4、對接板總成5共5個部分組成。其基座1連接在地面上，對接板總成5與液壓夾具進行對接，對接板總成5上的油、氣管采用軟管形式與液壓站和氣密檢測箱連接，以實現油、氣供給。

為了解決對插結構裝調的便捷性，將對插結構設計為上下分體式[6-7]，附帶水平調節功能。其基座1、增高座3采用標準型材Q355（GB/T1591-2018）的板料與方形管材，采用 CO₂ 氣體保護焊接而成。基座1用8個M16的化學膨脹螺栓安裝在地面上，整體可沿腰形槽范圍調節。基座1與安裝座2用螺栓鏈接，安裝座2可沿腰形槽范圍調節。

調節方式如圖5所示，通過調節4處調節螺栓2，可快速調節增高座4的高低與水平。安裝座4周圈8處頂絲3可調節增高座4的角向。以上方式可快速調節對插結構的高低、水平及角向，從而保證驅動氣缸的空間位置準確。

3.2對接板總成設計

對接板總成由對插側與夾具側組成。對接板對插側結構如圖6所示。其對插側基板1與氣缸連接板2通過2處懸掛螺桿3連接；對插側基板1上安裝有2處導向銷6，3處氣路插座7，拉緊油缸8，2處墊塊9，2處油路插座10；頂絲座5安裝于氣缸連接板2下方，通過3處頂絲4對基板1起支撐作用。

夾具側結構如圖7所示。圖7中，對接板夾具側基板6上安裝有2處導向、定位套，與圖6中導向銷6配合使用；導向銷與定位套的間隙為 ±0.3mm ，保證了自動接頭高精度對接；墊塊2與圖6中墊塊9配合使用，確定了插座與插頭的對接行程；油路插頭3與圖6中油路插座10配合使用；拉釘4與圖6中拉緊油缸8配合使用，確保對接可靠；氣路插頭5與圖6中氣路插座7配合使用。

1.緊固螺栓；2.調節螺栓；3.頂絲；4.增高座；5.安裝座。

1.對插側基板；2.氣缸連接板；3.懸掛螺桿；4.頂絲；5.頂絲座；6.導向銷；7.氣路插座；

8.拉緊油缸；9.墊塊；10.油路插座。

臥加有2個工作臺。由于工作臺與夾具的制造誤差[8-9累積，工作臺交換后夾具側對接板的空間坐標系未完全重合，容易出現卡滯，造成泄漏。為了解決頻繁對接、分離過程發生卡滯、泄露，對插側結構設計成浮動自適應結構（圖6中懸掛螺桿3直徑 ?20mm ，對插側基板1的U形槽寬度 25mm ，單邊間隙 2.5mm 可浮動）。

對接時由于氣缸伸出的動作快，沖擊力大，容易損壞自動接頭。本文解決方案為：通過調節氣缸的磁環開關位置限制氣缸行程，使氣缸伸出動作停止時自動接頭仍有 2～3mm 間隙；再依靠拉緊油缸（圖6件8）和拉釘（圖7件4）配合完成最后2～3mm 對接。

為提升對插結構的使用壽命，延長維護周期，本文中對插結構還有以下功能，如圖8所示： ① 對插側設計有防屑護罩，防止設備中的鐵屑飛濺沾黏； ② 夾具側設計有排屑護罩，防止鐵屑堆積，提高元器件壽命。

為了滿足自動化生產線閉環信號反饋功能，本文設計的對插結構具備動作到位氣密檢測，其工作原理為當對插側墊塊（圖6件9）與夾具側墊塊（圖7件2）端面貼實時，無氣體泄漏，氣密檢測信號合格（檢測示意圖如圖9），說明自動接頭已完成對接；反之則說明對接過程出現了故障。

3.3 使用動作說明

自動化產線“臥加”夾具的對插結構使用動作如表4。

4驗證

將對插結構安裝在自動化線“臥加”防護門外側，進行全自動插拔耐久性與可靠性試驗。試驗中臥加雙工作臺反復交換，對插結構反復對接、供給、分離，其動作完全符合設計要求，可以實現油、氣自動供給。

采用新方案的對插結構已裝備到17條自動化線體的34臺設備外側，目前最長運行超過1000h，未反饋對接卡滯、接頭損壞、泄漏等故障。

經過驗證，該對插結構具有裝調便捷、定位精度高、使用壽命長的特點，可以在雙工位標配設備自動化改造解決夾具油氣自動供給方案時，全面推廣應用。

5 結論

本文設計的自動油氣供給夾具結構，解決了雙工位標配版設備在自動化改造時油氣供給的持續性技術難題。通過對插結構的自動對接、分離，實現了夾具對工件的自動加緊、松開及氣密檢測功能。而且檢測結果可關聯至機床控制系統，滿足了自動化線連續運轉的需求。此結構對標配版多工作臺設備自動化改造中的油氣供給問題具有較強的借鑒意義。

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