一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计.pdf

第 8期 2 0 1 5年 8月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c h i ne To o l Aut o ma t i c M a n u f a c t ur i ng Te c h n i q u e No． 8 Aug ．20 1 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 8 0 1 5 3 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 9 一 种高效节能的伺服液压夹紧装置设计 木 赵峰 ， 苗玉刚 ， 何斌 ， 傅 明星 ， 尹继武 陕西理工学院 a ． 陕西省工业 自动化重 点实验 室； b ． 机械 工程学院； C ． 物理与 电信 工程学院， 陕西 汉中7 2 3 0 0 0 摘要 某企业梁式传感器产品测试时， 采 用的是传统的手动夹紧方式和液压 夹紧方式。手动 夹紧方 式存在工作效率低、 劳动强度 大等问题 ； 液压夹紧方式存在能量利用率低 、 易产 生污染等 问题 。随着 工业 自动化的快速发展 ， 传统的手动、 液压、 气动 夹具 日益不能满足现代工业生产的需求， 夹具正朝 着 自动化、 智能化、 柔性化及 高效、 节能、 环保的方向发展。针对此问题 ， 设计 了一种高效、 节能、 环保 的伺服液压夹紧装置 ， 分析 了其工作原理和基本结构特征 ， 推 出了夹紧力、 夹紧速度计算公式。该夹 紧装置集伺服 、 机械 、 液压技术于一体 ， 功能完善 ， 结构灵活 ， 可实现夹紧力、 夹紧速度的 自动化、 数字 化控制 ， 综合效率是传统夹具的 2～ 3倍 ， 节能效果达 7 0 ％以上 ， 并且无液压泵和开放式油箱。 关键词 机电液一体化 ； 伺服液压技术； 夹紧装置 中图分类号 T H1 2 2 ； T G 6 5 文献标识码 A De s i g n o f Hi g h- -e ffi c i e n c y a nd Ene r g y - s a v i n g S e r v o- h y dr a uli c Cl a mpi n g De v i c e Z HA0 F e n g ，MI AO Y u - g a n g ，HE B i n ， F U Mi n g x i n g 。 ，Y I N J i W U a ． S h a a n x i K e y L a b o r a t o r y o f I n d u s t ri a l A u t o m a t i o n ； b ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ； c ．S c h o o l o f P h y s - i c s a n d Te l e c o mmu n i c a t i o n En g i n e e rin g，S ha a n x i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ha n z h o n g S ha a n x i 7 2 3 0 0 0，C h i - n a Ab s t r a c tAn e n t e r p ris e t e s t s b e a m t y p e s e n s o r p r o du c t s b y u s i n g t h e t r a d i ti o n a l ma n u a l c l am pi n g me t h od an d h y d r a u l i c c l a mp i n g me tho d．Th e ma n u a l c l a mp i n g wa y h a s p r o b l e ms o f l o w e f f i c i e n c y，h i g h l a b o r i n t e n s i t y；h y dra u l i c c l a mp i n g wa y h a s p r o b l e ms l i k e l o w e n e r g y u til i z a t i o n r a t e，e a s y t o p r o d u c e p o l l u t i o n，e t c ． W i th the r a p i d d e v e l o p me nt o f i n d us t ria l a u t o ma tio n，t r a d i t i o n a l ma n u a l ，h y dr a u l i c an d p n e u ma tic f i x t ur e c a n no t me e t the r e q u i r e me n t s o f mo d e m i n d u s t r i al p r o d u c t i o n d a y b y d a y．Th e fix tur e i s d e v e l o p i n g t o wa r d a u t o ma t i o n，i n t e l l i g e n t ，f l e x i b i l i t y，e f f i c i e n t ，e n e r g y s a v i n g a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c ti o n．Fo r t h i s p r o b l e m ， we d e s i g n a h i g h e ffi c i e n c y，e n e r g y - s a v i n g a n d e n vi r o n me n t a l s e r v o h y dr a u l i c c l am p i n g d e v i c e，a n a l y z e i t s wo r k i n g p rin c i p l e a n d ba s i c s t r u c t u r al c h ara c t e ris t i c s，an d d e riv e the f o r mu l a o f c l a mp i n g f o r c e a n d s p e e d． Th e c l am p i n g d e v i c e i n t e g r a t e s t e c h n o l o g y o f s e r v o，ma c h i n e r y a n d h y dr a u l i c p r e s s u r e ．I t i s o f p e r f e c t f u n c t i o n an d f l e x i b l e s t r u c t u r e，a n d C an r e a l i z e c l a mp i n g f o r c e an d s p e e d a u t o ma t i c an d d i g i t al c o n t r o l ；i t s c o m p r e h e n s i v e e ffi c i e n c y i s 2 - 3 t i me s o f the tra d i ti o na l fix t ure，e n e r g y s a v i n g e f f e c t o v e r 7 0％an d wi tho u t h y dra ul i c p u mp a n d o p e n o i l t a n k ． Ke y wo r ds me c h a t r o n i c s a n d h y dra u l i c s i n t e g r a t i o n；s e r v o- h y dra u l i c t e c h n o l o g y；the c l a mp i n g de v i c e O 引言 夹具是机械加工和制造过程中必不可少的辅助装 备， 主要起定位和夹紧作用。应变式称重／ 测力传感器 是现代工业 中常用的一种传感器， 广泛应用于工商业 衡器、 运输载重检测系统、 食品加工 、 航空航天等领域 。 应变式称重／ 测力传感器在生产过程 中需要进行静态 性能测试 ， 其 中梁式传感器在测试时， 需要将其一端夹 紧固定 ， 另一端连续加载压力 ， 其测试示意图如图 1 所 示。某传感器生产企业 目前对梁式传感器测试采用的 夹紧方式主要有两种 如图 2所示 ， 一种是使用气动 扳手 、 螺钉 、 压板手工夹紧 ， 另一种是使用液压缸 向上 顶工作台自动夹紧。手动夹紧方式工作效率低、 劳动 强度大 ， 一个工人平均每小时只能完成十几个产 品测 试， 其中夹紧过程 占据了大部分时间。液压夹紧方式 虽然工作效率高、 劳动强度小 ， 但是液压油容易泄露， 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 2 3； 修画 日期 2 0 1 5一 o 4 2 1 基金项目 陕西省教育厅科研计划项 目资助 1 4 J F 0 0 4 ； 陕西理工学院研究生创新基金 S L G Y C X 1 5 2 9 作者简介 赵峰 1 9 7 9 一 ， 男， 陕西安康人， 陕西理工学院副教授 ， 博士， 研究方 向为信号测量与控制， Em a i l h f e n g z h a o 1 2 6 ． c o m。 2 0 1 5年 8月 赵 峰， 等 一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计 1 5 5 3 液压油为封闭式静压传递 ， 无液压泵 和开放 式油箱 ， 环境污染小、 能量利用率高； 电控单向阀可保 证工件在被夹紧后伺服电机停机而工作油缸持续保持 夹紧力恒定 ， 因此节能效果显著。 4 两个夹 紧工位交替工作 ， 即一个工件的切削 加工 测试 时间和另一个工件的装卸时间重合， 能有 效提高生产效率u 。 5 工作油缸采用管路连接 ， 夹具系统整体布局 柔性较大。夹紧压头既可以在竖直方向上将工件夹 紧 ， 也可以在水平方向上将工件从侧面夹紧； 并且增压 装置可布置在工作台底部 ， 节省工作台上方空间， 使机 器设备整体布局更加简洁、 和谐 。 2力学计算 2 ． 1 夹紧力计算 设交流伺服 电机输 出扭矩为 ， 则传递 到滚珠 丝杠 的扭矩 。 为 T 切1 r ／ 2 1 式中 i 为减速机减速比； 叼 为减速机传动效率； 叼 为 轴承效率。 滑板和导柱之间的摩擦为滚动摩擦 ， 可忽略其影 响； 复位弹簧压力相对于输出力很小 ， 计算时不计其影 响。故滚珠丝杠的驱动扭矩 为 一 T 2 式中 F 。 为丝杠轴 向载荷， N； P 为丝杠导程， m m； 7 7 为丝杠传动效率。 由帕斯卡定理可知 ， 增压油缸和工作油缸之间的 力 学关系为 Fo S 3 1 JS 2 、 式中 F 。 为夹紧压头输出力 ， N； S 、 S 分别为增压油 缸 和 工 作 油 缸 的 活 塞 面 积 ， S 孚， s ，D 、 为活塞直径， m m。 联立 1 、 2 、 3 式 可得 F o 4 2 ． 2 夹紧速度计算 由交流伺服电机的转速 ， 可得滚珠丝杠的转速 为 5 式 中 n 为交流伺服电机输出转速 ， r ／ m i n 。 滚珠丝杠转动速度和丝杠螺母移动速度之间的关 系式为 6 式中 为丝杠螺母移动速度， m m ／ s ； n为丝杠转动速 度 ， r ／ m i n o 由增压油缸的输 出流量等于工作油缸 的输人流 量 ， 可得 Q S 1 1S 2 2 7 式中 1 为增压油缸活塞移动速度， m l n , ／ s ， ； 13 2 为工 作油缸活塞移动速度， m m ／ ， 即夹紧压头的夹紧速度。 联立 5 、 6 、 7 式 可得 一 8 z 面 由 4 、 8 式可知 ， 夹紧压头的夹紧力 、 夹紧速度 和交流伺服电机的输出扭矩 、 输出转速成正比， 又交流 伺服电机控制精度高 、 滚珠丝杠副传动精度高 、 刚性 好 、 液体具有不可压缩性 ， 故该伺服液压夹紧装置能够 实现夹紧力和夹紧速度的数字化精确控制。 3 应用分析 3 ． 1 应用计算 某企业生产的一系列梁式称重／ 测力传感器产品 在 出厂之前都需进行静态性能测试 ， 测试时将其一端 夹紧固定， 另一端逐级连续加载压力 ， 传感器产品夹装 测试示意图如图4所示。根据传感器产品测试时加载 的压力， 计算出夹紧端所需夹紧力为 1 0 t ～2 0 t ， 同时为 提高待测产品的夹装效率， 夹紧压头空行程速度不小 于 6 m m／ s 。交 流伺 服 电机 参数 为 额定 功率 P 2 ． 3 k W， 额定 转 矩 1 5 N IT I ， 最 大 转 矩 r m 4 5 N． m， 额定转 速 n M 1 5 0 0 r ／ mi n 。减速 机选 择 R V 系列蜗轮蜗杆减速机， 具体参数为 输入功率 3 k W， 输 入转速 1 4 0 0 r ／ m i n ， 减速比 i 1 0 ， 传动效率 田 。 0 ． 7 。 滚珠丝杠参数为 公称直径 d o 4 0 m m， 基本导程 P 1 0 m m， 传 动 效率 田0 ． 9 ， 轴承 座 中轴 承 效率 7 7 0 ． 9 9 。根据机械设计手 册， 选择 增压油缸 缸径D。 8 0 m m， 工作行程 5 0 0 m m； 工作油缸缸径 D 21 5 0 m m， 工作行程 1 2 0 m m。将上述有关参数代人公式 4 、 8 可得 ， F 。 2 0 6 ． 9 1 k N， 6 ． 6 3 mm ／ s ， 即夹紧压头最 大夹紧力可达 2 0 ． 6 9 t ， 最大夹紧速度可达6 ． 6 3 m m ／ s ， 能够满足 自动化夹紧装置的要求。 ● _ 群 m 嚣 增 压 装 置 图 4 传感器产品夹装测试示意图 3 ． 2 高效节能环保分析 伺服液压夹紧装置单次完成待测传感器产品夹紧 的时间为 1 5 s 左右 ， 是手动夹紧方式的 35倍 ； 与液 1 5 6 组合机床与 自动化／ j - r - 技术 第 8期 压夹紧方式不差上下 ， 但是伺服液压夹紧装置能够连 续交替完成两个工位的传感器产品夹紧， 即一个工位 产品的测试时间和另一个工位产品的装卸时间重合 ， 很大程度上减少了夹紧过程中不必要的辅助时间， 总 体效率是液压夹紧方式的2～ 3倍。因此 ， 伺服液压夹 紧装置能够满足高效性要求。 伺服液压夹紧装置能够完成产品的自动化快速夹 紧， 与手动夹紧方式相 比， 不仅降低了工人劳动强度 ， 而且节省了劳动力成本 ； 伺服液压夹紧装置完成产品 夹紧后， 电机可停止运行 ， 工作油缸在电控单向阀的作 用下被可靠锁紧而保持压力恒定 ， 液压夹紧方式要保 持持续的压力 ， 液压泵需要不停运转 ， 造成不必要的能 量浪费。伺服液压夹紧装置完成一次工作 夹紧和松 开 的时 间为 3 0 s 左右 ， 消耗电能为 2 ． 3 3 03 6 0 0 0 ． 0 2 k wh ； 液压夹紧方式完成一次工作 夹紧、 保持和 松 开 的时 间为 5 0 s 左右 ， 液压泵 电机为 1 2 k W， 消耗 电 能为 1 2 5 03 6 0 00 ． 1 7 k Wh 。因此 ， 伺服液压夹紧 装置与传统夹紧装置相比， 节能效果显著。 伺服液压夹 紧装 置动 力源 为伺 服 电机 ， 执 行 元件 为液压缸 ， 无液压泵和开放式油箱。因此， 环境 污染 小 ， 噪声低 ， 符合绿色环保的要求。 4 结束语 高效节能环保的伺服液压夹紧装置综合运用伺服 控制技术 、 机密机械传动技术以及液压传动技术 ， 已申 请专利 ， 与传统的夹紧装置相比， 具有以下特点 1 该夹紧装置利用机电液一体化技术， 可实现夹 紧力、 夹紧速度的自动化、 数字化控制， 并且结构简单 、 高效节能环保 ， 能较好的适应现代装备制造技术向高效 化、 经济化、 绿色化、 自动化、 智能化方向发展的趋势。 2 该夹紧装置和位移传感器 、 测力传感器 、 接近 开关等元器件组成闭环控制系统时， 可实现对夹紧压 头的速度、 位移、 输出力等运动参数进行精确控制。因 此 ， 该夹紧装置不仅可以用在称重／ N力传感器的静态 性能测试 中， 还可以用在机床夹具、 压力的精密加载、 金属材料的力学实验以及校准、 压人 、 冲压等场合。 3 如何采用优化设计 的方法， 将 电机、 丝杠 、 液 压缸等基本部件有机集成为一体 ， 使其结构更加紧凑、 使用安装更加方便 ， 是 目前课题组正在研究 的问题。 但是 ， 这种夹紧装置的设计思想 、 设计理念， 为精密组 合机床夹具、 精密压力加载机构的设计提供了一种研 究 思路 。 [ 参考文献] [ 1 ]吴凡， 钟康民． 基于三次正交铰杆增力机构的绿色气动夹 具设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 4 4 6 4 7 ． [ 2 ]姚远 ， 钟康民． 基于铰杆 一 杠杆串联增力机构的双向浮动 夹紧气动夹具[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 9 7 1 1 0 1 1 1 ． [ 3 ]王晨 ， 王 明娣 ． 基于斜楔 一 铰杆 一 偏心轮 的冲击式 自锁柔 性夹具[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 1 0 5 1 2 11 2 3 ． [ 4 ]高新新， 郭旭红 ， 黄星． 一种绿色化的气动 一液压 一机械 复合传动夹具[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 3 ， 4 1 4 1 1 01 1 1 ． [ 5 ]肖莹华， 钟康民． 气液增压 一铰杆机构增力双工位高效夹 具[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 2 4 5 1 5 2 ． [ 6 ]陈汐， 冯志华． 利用滚／ 滑 一 铰杆增力机构的双工位夹具 设计与分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 4， 4 2 2 2 8 2 9 ． [ 7 ]刘扬． 伺服电机驱动的机电及机电液一体化压力机研究 [ D] ． 苏州 苏州大学， 2 0 1 0 ． [ 8 ]夏春风 ， 钟康民， 杨丽琴． 伺服电机驱动的基于齿轮一滚 珠丝杆与铰杆增力机构的绿色化压力机设计[ J ] ． 机械 传动 ， 2 0 1 3 2 5 05 2 ． [ 9 ]吴国银， 孙承峰， 钟康民， 等． 回转伺服电动机驱动的双级 双作用液压泵 的设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2， 4 0 7 8 48 5． [ 1 0 ]王智勇， 赵峰 ， 苗玉刚， 等． 一种经济环保的气液复合夹 具设计 [ J ] ． 陕 西理工 学 院学报 自然科 学版 ， 2 0 1 5 ， 3 1 1 61 0 ． [ 1 1 ]钟康民， 窦云霞． 气液增压双工位高效夹具设计[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 1 4 3 ． 编辑赵蓉 上接第 1 5 2页 [ 2 ]蔡洪浩， 赵永武． 采用正交试验法的环保型水基合成切削 液配方优化设计[ J ] ． 工具技术， 2 0 0 7 ， 4 1 2 6 7 7 0 ． [ 3 ]T u h i n D e s h a m u k h y a ， A mi t a v a R a y ．S e l e c t i o n o f c u t t i n g f l u i d f o r g r e e n ma nu f a c t u r i ng us i n g a n a l y t i c a l h i e r a r c h y pr o c e s s A H P a c a s e s t u d v [ J ] ．I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a nd Ro b o t i c s Re s e a r c h． Me c ha n i c al Eng i n e e r i n g D i v i s i o n ， 2 0 1 4 ， 3 1 1 7 31 8 2 ． [ 4 ]赵建平， 汪永超， 殷国富， 等． 基于模糊层次分析法的切削 液选择 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术，2 0 1 4 7 1 9 22． [ 5 ]赵新泽， 张彩香， 程天． 灰色关联分析法用于优选乳化切 削液配方方案[ J ] ． 三峡大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 2 6 5 4 3 7 4 4 0 ． [ 6 ]刘思峰， 谢乃明． 灰色系统理论及其应用 [ M] ．北京 科 学出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ]唐政， 孙超， 刘宗伟 ， 等． 基于灰色层次分析法的水声对抗 系统效能评估 [ J ] ．兵工学报 ， 2 0 1 2 ， 3 3 4 4 3 24 3 6 ． [ 8 ]郜振华 ， 尹红坡． 综合 G A H P和目标规划的配送中心选址 方法[ J ] ．组合机 床与 自动化 加工 技术，2 0 0 8 6 1 001 05． [ 9 ]石华堂， 廖荣斌． 基于灰色层次分析法的施工组织方案比 选 [ J ] ． 公路工程 ， 2 0 1 2 ，1 2 6 1 6 11 6 5 ． [ 1 0 ]徐金华 ， 刘光斌 ． 基于灰色层次分析 法的战场 电磁 环境 效应评估 [ J ] ． 电光与控制， 2 0 1 0 ，1 7 4 1 41 6 ． [ 1 1 ]胡笙煌． 主观指标评价的多层次灰色评价法[ J ] ． 系统工 程理论与实践 ， 1 9 9 6 1 1 2 2 0 ． [ 1 2 ]杨茂立． 基于 F A HP在研制环境友好钛合金切削液中的 优选建模及应用[ D] ． 南宁 广西大学 ， 2 0 1 2 ． [ 1 3 ]李柏年． 模糊数学及其应用 [ M] ． 合肥 合肥工业大学出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 4 ]牛 印宝 ， 汪永超 ， 王宇． 面向绿色制造 的刀具评 价方案 的 研究[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 4 8 1 4 ． 编辑赵蓉