基于一面两孔定位夹紧一体化的高精度气动随行夹具研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第3 9卷 第 l 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ． 1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 1 1 基于一面两孔定位夹紧一体化的高精度气动随行夹具研究 任 玉珠 沈阳职业技术学院，辽 宁沈阳 1 1 0 0 4 5 摘要详细介绍一种基于一面两孔定位的新型高精度气动夹具。该夹具中，采用 自定心弹性开口套作为定位销，代替 圆柱销和菱形销并兼作夹紧元件。阐述弹性开口套的结构、工作原理、夹紧过程及特点。和传统的一面两孔定位方式对 比 可知，该新型高精度气动夹具具有定位精度高、结构紧凑、操作方便、工作效率高、劳动强度低等优点 ，特别适合作中批 量和大批量生产中的随行夹具。 关键词夹具；一面两孔；高精度；自定心弹性开口套；气动随行夹具 中图分类号 T G 7 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 3 43 Re s e a r c h o n Hi g h Pr e c i s i o n Pn e u ma t i c Fo l l o we r Fi x t ur e Ba s e d o n S i ng l e s i de d Di pl o p o r e Lo c a t i o n Fa s t e ni ng I nt e g r a t i o n REN Yu z h u S h e n y a n g P 0 1 r t e c h n i c C o l l e g e ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 4 5，C h i n a Ab s t r a c t A 1] e w t y p e o f h i g h p r e c i s i o n p n e u ma t i c fi x t u r e wa s i n t r o d u c e d ． I n t h i s fi x t u r e ， t h e c o l u mn p i n a n d d i a mo n d p i n we r e r e p l a c e d b y s e l f - c e n t e ri n g fl e x i b l e s p l i t c o u p l i n g wh i c h w a s a s c l a mp i n g c o mp o n e n t t o o ． T h e s t r u c t u r e ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，f a s t e n i n g p r o c e s s a s w e l l a s f e a t u r e s o f t h e fl e x i b l e s p l i t c o u p l i n g we r e e x p a t i a t e d ． A n a l y s i s a n d c o n t r a s t t o wa r d s t r a d i t i o n a l s i n g l e s i d e d d i p l o p o r e l o c a t i o n mo d e w e r e i mp l e me n t e d ． T h e n e w s t y l e h i g h p r e c i s i o n p n e u ma t i c fi x t u r e o wn s t h e a d v a n t a g e s a s h i g h p r e c i s i o n l o c a t i o n，c o n p a c t s t ruc t u r e ， c o n v e n i e n t o p e r a t i o n， h i g h o p e r a t i o n e ffic i e n c y， a n d l o w l a b o r i n t e n s i t y a n d e t c ． ， w h i c h i s e s p e c i a l l y s u i t a b l e f o r f o l l o w e r fi x t u r e s i n me d i u m b a t c h e s a n d g r e a t b a t c h e s o f p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s F i x t u r e ； S i n g l e - s i d e d d i p l o p o r e； Hi g h p r e c i s i o n ； S e rf- c e n t e r i n g fl e x i b l e s p l i t c o u p l i n g ； P n e u ma t i c f o l l o w e r fi x t u r e 在加工箱体、支架类零件时，常用工件的一个平 面及其上的两个孔作为定位基准，即一面两孔定位。 在零件加工过程 中，由于存在基准位移误差和转角误 差 ，影响此类零件的加工精度。为了提高零件的加工 质量 ，采用 自定心弹性开 口套代替一面两孔定位中的 菱形销和削边销。结果证明用弹性开口套代替菱形 销和削边销，夹具具有定位精度高、结构紧凑、操作 方便、工作效率高、劳动强度低等优点。 1 一面两孔组合定位的定位原理及误差分析 1 ． 1 一 面 两孔组 合定位 的原理 一 面两孔定位是工件以一个平面和两个与平面垂 直的孔作为定位基准的组合定位方式 ，定位元件为一 个平 面和两个定位 销 ，俗称一 面两销定位 ，是生产 中 典型而常用的定位方式。如在成批和大量的机械加工 生产中加工箱体、杠杆、盖板类零件等。 采用一面两孔定位易于做到工艺过程 中的基准统 一 ，保证工件的相对位置精度，且具有支承面大、支 承刚度好、结构简单、可靠、装卸工件方便等特点。 有时工件上没有合适的孔时，常把紧固螺钉孔精度提 高或专门作成两个工艺孔，以备一面两孔定位使用。 图1 为某工件 以一 面两孔定位示 意 图，定位元件 一 面两销 一个 支撑板 、一个 圆柱销 、一个 削边销 。 支承板限制工件的3个自由度，每一个销限制工件的2 个自由度。其中，工件沿孔心连线方向的自由度被两 销重复限制 ，存在过定位，工件的两孔易和两销产生 干涉。生产中多将其中一销削边处理称为削边销即菱 形销 。这 时，圆柱销限制 2个 自由度 ，削边销 即菱形 销只限制 1 个 自由度 ，过定位 消除。在定位 后需要将 工件夹紧 ，一般采用对称布置的压板将工件夹 紧。 图 1 传统的一面两孔定位 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 8 作者简介任玉珠 1 9 6 2 一 ，工学学士，副教授，研究方向为机械制造。电话1 3 8 4 0 3 6 4 4 0 3 ，E～m a i l 1 2 5 9 0 1 7 5 2 第 1 4期 任玉珠基于一面两孔定位夹紧一体化的高精度气动随行夹具研究 3 5 1 ． 2 一 面 两孔组 合 定位误 差 分析 加工如图 1 所示工件，用一面两孔定位，定位元 件一面两 销 一 个平 面 即支 撑板 、一个 圆柱销 和一 个削边销即菱形销 ，箱体零件上的两孔 M及 N的工 序尺寸分别为 A 、曰、E和 F。孑 L 1 与圆柱销 1配合 ， 直径尺寸分别为 D,o 和 ， ，最小配合 间隙值 ； 孔 2与削边销 2配合 ，直径尺寸分别为 D 和 一 ， 最小配合间隙值 。两孔的中心距为 。定位误差包 括基准不重合误差和基准位移误差两部分。基准不重 合误差的确定要根据具体零件而定。文中着重求解基 准位移误差。图 1 中基准位移误差包括两类，即沿图 示 轴方 向的基准位移误差 称纵 向定位误差 和 孔 1 和孔 2中心的连线偏离理想位置的转动的基准位 移误差 A T 、A a 。 1 纵向定位误差 对于工序尺寸 A和 E ，其 方向的定位误差是 s d 7 T D l 1 l 2 转 动的基准位 移误差和横 向定位误差 当加工表面处于两定位孔之外时 如此例的 M 孑 L ，则 ． ． l I 1 2 阻 “ 瓦一 对于工序尺寸 ，其在 Y方向的定位误差是 dT o l 1 l2 At a n Ac 当加工表面处于两定位孔之内时 如此例的孔 N ，则 t a n AT- 对于工序尺寸 F，其 y方向的定位误差是 d 1 1 l2Et a n Ay 从误差分析可知，要想减小基准位移位置误差和 最大转角误差，关键是要减小工件 内孔 0 的公差 ，、夹具 上圆柱销 的公 差 、内孔 0 和圆 柱销 的 配合间隙 、工件内孔 0 的公差 、夹具上菱形销 的公差 、内孔 0 和菱形销的配合间隙 及增加 。但是减小定位孔的公差和销的公差受到加工精度 的限制 ，很 困难 。减小 和 会给装 卸工件带来 困 难 ，也不可行；而增加 受到工件或夹具结构的限 制。综上所述 ，传统一面两孔组合定位虽然能够很好 地限制工件 6个 自由度、进行定位 ，且具有支承面 大、支承刚度好 、结构简单 、可靠的特点，也存在以 下缺点 1 间隙配合引起定位误差 ，降低了定位 精度 ； 2 定位元件和夹紧元件分离 ，结构不紧凑， 元件多 ，在降低定位精度的同时也降低了夹具的使用 寿命 ； 3 定位和夹紧先后进行，即先定位后夹紧， 在降低了工作效率的同时也增加了生产成本。 2 新型高精度气动随行夹具的设计 用 自定心弹性开口套替代圆柱销和菱形销，实现 定位和夹紧一体化 ，由此设计出新型高精度气动随行 夹具 。 2 ． 1 基于定位孔 自定心弹性 开口套的设计 在车床夹具设计中，有自定心夹具的设计，其能 够改善内孔的定位精度 ，提高工件装卸的方便性，同 时兼顾工件的夹紧问题。基于上述设计思想 ，把 自定 心弹性开 口套用于一面两孔定位 ，用 自定心弹性开 口 套替代圆柱销和菱形销，设计 出基于一面两孔定位和 夹紧一体化的新型高精度气动夹具。工件仍然采用一 面两孔定位，工件底面的定位支撑元件为支撑板，定 位销 圆柱销和菱形销 换成 自定 心弹性开 口套， 其结构如图2 a 、 b 所示。 1 一 工 件2 、5 一 定 位 孔3 、6 一 弹 性 开 口 套4 一 拉 杆 a 圆柱弹性开13 套 b 削边弹性开口套 图2 自定心弹性开口套结构 在 此定位 方案 中 ，圆柱短 销换 成 圆柱 弹 性开 口 套 ，如图 2 a ，开口套上部由4片同心的弹性片构 成，内侧为内锥面 ，角度为 3 2 。 ，轴片根部厚度为 2 m m，开口套下部结构 同定位短 销，为定位部分， 方便插入支撑板的定位孔中，由4个螺钉固定。开 口套 中插入倒锥拉杆，拉杆上部为外锥面，并车出 储油环以储存润滑黄油。通过气压传动带动拉杆沿 开口套轴线上下移动 ，由于开 口套与拉杆倒锥的配 合面均带有锥度 ，拉杆移动的同时会施加力使开 口 套弹性片产生径向的胀开或收缩 ，在工件 自定位 的 同时实 现夹紧 与松开 。菱形 销也 换 成 削边 弹性 开 口 套，如图2 b ，其基本结构与 圆柱弹性开 口套一 样 ，由于其作为定位元件只限制工件 的 轴转动 自 由度，因此只有前后两个弹性片 ，拉杆倒锥 的宽度 也和弹性片宽度一样 。 3 6 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 2 拉杆的气压传动原理 拉杆的动力可采用液压或气动传动，由于气源方 便、受力可调节、控制方便，且气动方案已满足夹紧 力的要求 ，故选用气压传动。气动路如图3所示。压 缩空气经过滤减压阀、油雾器、两位五通电磁换向 阀、单向节流阀通入气缸，通过电动按钮控制换向阀 实现气缸活塞杆的伸缩 ，带动拉杆移动实现两个弹性 开口套的胀开和收缩。所有气动元件全部采用国产元 件，压缩空气压力为 0 ． 1 6 MP a ，活塞杆的运动速度 可 以通过单 向节流 阀回气节流调节 。 图 3 气动回路图 2 ． 3夹具装夹过程 1 一气缸固定板2 一气缸卜 杠杆4 一拉杆5 一箱体底面 6 _ - 定位孔7 _ _ 圆柱弹性开 口销8 _ _ 箱体结合面 箱体 1 O ～箱体左右端面l 1 一削边弹性开 口套 杆 图4 单级蜗轮减速器箱体定位夹紧示意图 加工如图 4所示某单级蜗轮蜗杆减速器下箱体 ， 采用新型夹具装夹，以箱体底面前后对称线上两定位 孔定位兼夹紧，铣左右两个端面及箱体对合面，底面 定位采用支撑板，两孔的定位和夹紧采用弹性内套。 气缸缸体固定在气缸固定板上，活塞杆联接杠杆联接 两弹性内套的拉杆。装夹时，首先将箱体底面的定位 孔套在两个弹性内套上，箱体底面和支撑板贴紧，通 过按钮自动控制气缸同时拉动两个拉杆产生向下移 动，由于拉杆倒锥与内套配合面带有锥度 ，拉杆倒锥 产生径 向推力 ，推动两 内套弹性 片产生径 向胀开 ，从 而定位孔 ，同时夹紧工件 ；相反 ，通过按钮控制气缸 同时拉动两个拉杆产生向上的移动，内套弹性片回复 变形并松开工件，即可从夹具上卸下加工工件，非常 方便。 3 新型夹具的优点 1 定位精度高 弹性内套下部插入支撑板 ，螺钉固定 ，通过上部 弹性片径向胀开接触定位孑 L 实现定位，为一种 自定心 定位 ，使加工基准与设计 基准重合 ，理论上完全消 除 了传统一面两孔定位方案中两定位内孔公差、两定位 短销外径公差 以及定位孔与定位销的配合间隙所带来 的定位基准位移误差和定位基准转角误差 ，实现了第 一 、第二、第三定位基准和工艺基准的完全统一，定 位精度高。 2 夹紧力均匀 弹性内套采 用的是径 向夹 紧方式 ，弹性 片沿轴线 对称均匀分布 ，当进行 工件夹 紧时 ，弹性片 内锥面始 终与拉杆倒锥面保持紧密接触。即当拉杆沿 内套轴线 向下移动时，弹性片沿径向作远离轴线的平移，沿轴 向各点外圆的径向尺寸的变化是一致的，工件沿轴线 方向各 点处 内孔所获得 的径 向夹 紧力基本一致 ，夹紧 力均匀 ，装夹平稳 。 3 结构紧凑 定位元件与夹紧元件合为一体 ，使整套夹具结构 简单紧凑 、制造容易 ，操作方便，并可克服传统一面 两孔夹紧装置防碍工件装卸的缺点。特别适合 自动加 工生产线 的随行夹具 。 4 装夹方便 由于两弹性内套采用 自定心定位夹紧，因此内套 与工件定位孔之间的间隙可以适当增大，方便工件的 装卸 。拉杆动力采用气 动方案 电动控制 ，一次性完成 了工件 6个 自由度 的定位并同时夹紧工件 ，定位准确 夹紧可靠 、装夹迅速 ，降低了劳动强度，提高了工作 效率。 5 夹具寿命长 由于内套上部采用沿径向均布弹性片方案，具有 一 定的弹性 ，对材料要求不高，主要考虑耐磨性。内 套材料采用普通碳素工具钢，牌号为T 8 A，定位面局 部淬火 ，硬度达到 H R C 5 5～ 6 0 ，整体磨削，再开出4 条纵槽 或切割出两个弹性片 。拉杆倒锥也采用 T 8 A材料，锥 面车 出储油 环，表 面淬火硬 度达 到 H R C 5 5～ 6 0 ，整体磨削。储油槽便于睹存润滑黄油， 下转第 4 O页 4 0 机床与液压 第 3 9卷 以采用新型旋转编码器替代；感应同步器／ 尺的情况 略微 复 杂 ，能 改掉 尽 量 改掉 ，用新 型 H E I D E N H A I N 光栅尺和圆光栅替代，但在某些场合，如精密转台， 会遇到新的圆光栅不能安装的问题，西门子为此提供 了感应同步器／ 尺信号到新系统的转换装置 ，但该装 置价格昂贵，尽量不要选用。 6 电柜设计 电柜设计包括的内容如图5所示。此外，在旧数 控机床的升级改造中，还应遵循以下原则 一是进 口 数控机床电气柜以及柜内的元器件 即使使用了若干 年，状态仍会优于国内甚至合资 品牌 的元器件，所 以，改造高档进口数控机床，不建议做大拆大改；如 果电气柜状态比较差 ，全套更换，在资金允许的情况 下 ，要尽量选择知名 品牌 。在改造方案确定初期 ，就 要根据电气改造方案测定所需的电缆长度 ，凡与数控 驱动测量系统直接相关的电缆，只选择原装电缆；但 大型主轴 电机 的电力 电缆价格过于 昂贵 ，改造时不考 虑原装 电缆 。 电柜设计 电柜电路设计 f l 1■ H系统上电回路 l 二 二 H驱动回路 l 卜 主轴回路 l 二 卜 急停回路 l 二 二 二二 叫辅助功能 电路 系统接 口电路设计 图 5 普通机床数控化改造电柜设计项目 7 参数设计及设置 根据改造方案 ，查阅数控系统、变频器、伺服驱 动器说明书 ，依据机床设计性能 ，设计、设置、匹配 参数 。如 图 6 示 。 图 6 普通机床数控化改造参数设计、设置 8 机电联调和精度控制 这是改 造能否成功 的关键环节 。工程人员在这一 阶段完成机电联调 、数控系统的最终调试、驱动系统 的参数最佳化调节等工作 ，并为验收做准备。验收主 要包括两项内容①按照国际标准，不同类型的机床 相应的标准试切削程序 ，进行标准样件试切削；②对 机床精度进行检验 ，可采用激光干涉仪进行测量，机 床位置测量系统的补偿可采用得到的数据 ，从而提高 机床精度。 3 总结 现代制造技术快速发展，高速电主轴、直线滚动 导轨 、直线 电动机 、大容量刀库 、虚拟技术等广泛应 用在数控机床上 ，机床功能越来越复杂 ， 5轴加工中 心 、复合加工设备 如车、铣、磨集成 、特种加工 设备 激光、真空电子束、喷涂等越来越多。研 究、探索这些数控设备性能特点，在其正常工作阶段 充分利用 ，通过合理的数控改造进一步挖掘其价值 ， 提高设备可靠性 ，减少维护费用 ，是随着国内制造业 的升级而不 断深入 的研究课题 。 参考文献 【 1 】 李猛． 机床数控技术[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版 社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】 李猛． 数控机床与编程 [ M] ． 北京 北 京大学 出版社， 20 09． 【 3 】 陈吉红． 数控机床电气控制[ M] ． 武汉 华中科技出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】李皓． 1 7 m龙门移动式镗铣加工中心技术改造[ J ] ． 中 国设备工程， 2 0 0 8 9 5 6 5 7 ． 上接 第 3 6页 利于润滑。此种定位方式，内套弹性片内锥面与拉杆 倒锥面之间没有相互旋转摩擦，只有上下移动，减少 了磨损 ，从而延长了内套的使用寿命。 4 结束语 夹具在整个机械加工过程中起着举足轻重的作 用 ，其结构、性能直接决定并影响着产品的质量和生 产效率的高低。工厂实际应用此新型夹具加工工件 ， 定位和夹紧一次完成 ，提高了定位精度和加工精度 ， 产品合格率大大提高 ，降低了劳动强度，提高了生产 效率 ，降低了生产成本，给企业带来了可观的经济效 益。此夹具可应用于各类箱体类零件、支架盖板类零 件的加工，如减速器箱体、汽 柴 油发动机箱 体、拨叉、箱盖等。该夹具现已经申报国家专利。 参考文献 【 I 】刘守勇． 机械制造工艺与机床夹具[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】杨祖效． 圆柱面组合定位时定位误差的统一解析计算 [ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 5 1 3 8 3 9 ． 【 3 】龚定安． 机床夹具设计原理[ M] ． 陕西 陕西科学技术出 版社， 2 0 0 0 ． 【 4 】王启平． 机床夹具设计[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学出 版社 ， 1 9 9 9 ． 【 5 】 成大先． 机械设计手册[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 1 99 8． 【 6 】陈立德． 机械制造技术 [ M] ． 上海 上海交通大学出版 社 ， 2 0 0 0 ． 一一一一一一一一一一一