數控龍門銑邊機液壓電控磁力夾具設計

邱紅，沈印，高朝祥，任小鴻，梁雄

(1.四川化工職業技術學院，四川瀘州646000;2.西南大學工程技術學院，重慶400715;3.中國南車集團資陽機車有限公司，四川資陽641300)

夾具是產品生產的一個重要部件，它對保證產品的生產質量具有舉足輕重的地位，同時，夾具的自動化程度和精度也是應考慮的重要因素。夾具的自動化程度高，可以減輕操作人員的勞動強度，使生產效率和產品周期能夠得到進一步的提高;夾具的精度是保證產品質量的首要條件，由于人為的操作誤差，很難保證產品的加工精度。所以，設計出自動化程度以及精度高的夾具對加工行業具有很重要的意義。

1 數控龍門銑邊機主體結構

銑邊機主體結構由床身、工作臺、立柱組成。床身為機床的基礎部件，它具有足夠的剛性，有合理的鑄造結構。導軌為兩條直線滾動導軌，機床的移動部件工作臺安裝在這兩條直線導軌上，床身兩側通過螺釘和定位鍵將左右立柱緊固在床身上，使床身與左右立柱連為一體，構成閉式龍門框架的下半部。

工作臺面有固定工作或夾緊用的“T”形槽，中間“T”槽作夾具定位用。在工作臺前端裝有限位開關和定量潤滑分配器，潤滑分配器將潤滑來油分配給直線導軌副。在機床和工作臺導軌之間裝有齒輪齒條副傳動裝置，齒輪齒條副中的齒輪箱固定于床身中部，齒條固定于工作臺底部。在床身前段裝有潤滑油管和電路的拖線裝置。

2 電磁液壓夾具的設計

2.1 電磁夾緊原理

采用電磁感應原理來控制夾緊力的大小和方向。電磁鐵是由一些安放在導軌下面的螺線管組成，螺線管本身有匝數，通過改變電流與匝數來改變電磁力的大小，電流的方向控制了磁極的方向，也就限制了自由度運動的方向。

設計特點:在銑邊機的導軌和橫梁下邊分別安裝磁極不一樣的螺線磁管(圖1)，在安裝的時候要注意磁極的相互交錯，并要一一對應，通過PLC 裝置發出脈沖信號，螺旋磁管鐘的線圈得到電流信號，由于電磁感應原理，各個磁極將會有磁力的產生，即可對工件產生垂直方向上的夾緊力。此外，在安裝螺線管磁極時，使各螺線磁極相互獨立，并要進行磁極編號，這主要是方便PLC 對某一磁極的控制，更能限制工件不同位置的自由度。比如在加工不規則零件時(零件某加工平面有圓弧、臺階以及凹槽相互交錯)，讓N1 和S9通電產生磁場，即可使零件由平面變成傾斜60°，而不會產生縱向位移，在夾具鉗口部分安裝位置檢測傳感器，并將鉗口位置的實時狀況反饋到顯示屏上面，方便對夾緊位置的在線調整，原理圖見2。

圖1 螺線磁管

圖2 電磁液壓夾具原理圖

2.2 液壓夾具的總體結構設計

液壓夾具主要由液壓缸、電磁換向閥、活塞桿、夾具鉗口部分組成，主要是控制工件橫向方向的位移，采用液壓力推動活塞桿來夾緊工件。活塞桿和夾具鉗口部分為一體聯動，即活塞動作，夾具鉗口就動作。通過PLC控制器控制電磁換向閥電磁鐵的通電與斷電，電磁換向閥控制油液的流動方向，從而控制活塞桿的運動，達到夾緊或者松開工件的目的。

2.2.1 液壓夾具關鍵零部件的設計

(1)夾具體鉗口

鉗口是液壓夾具的夾緊關鍵部件。由于要經常夾持零件，而且龍門銑邊機夾緊的工件一般是型材或者鑄件，其含碳量一般較多，硬度較硬，所以夾緊鉗口力學性能一定要好。采用合金結構鋼，通過適當的熱處理工藝(滲碳淬火)，增加其強度和耐磨性，這樣可以延長鉗口的使用壽命。

(2)夾具體壓板

在夾具體內部安設有活塞桿，通過控制電磁鐵的換向來控制活塞桿的移動，以此來完成對工件的夾緊與松開。采用齒條式活塞桿，右壓板和齒條式活塞桿可靠連接在一起，當齒條式活塞桿向左移動時(右壓板也向左移動)，齒輪就順時針轉動，上面的齒條會隨著齒輪的順時針旋轉而向右移動，即可使工件可靠夾緊。結構圖見圖3，左壓板在安裝的過程中，應當注意兩個方面的問題:

①鉗口與活塞通過連接板進行可靠連接;

②夾具體的內部應當安裝密封氈，防止油液泄漏。

圖3 液壓夾緊機構

2.2.2 液壓回路的設計

由于數控龍門銑邊機較多地用于大型零件的加工，所以要求夾緊力特別大，而且加工過程中要求夾緊力保持不變，所以此液壓回路選用鎖緊回路。液壓鎖緊回路由一個液壓缸、一個液壓泵、一個三位四通換向閥(H型)、溢流閥、一個活塞缸和兩個液控單向閥組成。用H型三位四通換向閥的目的是利用中位機能，即中位工作時，A、B、T 三口通，保證兩液控單向閥的控制口壓力為零，這樣液壓缸才能可靠地鎖住。電動機帶動泵旋轉，高壓油通過電磁換向閥進行油路換向，送至液壓活塞缸的有桿腔或者無桿腔，電磁換向閥接受來自PLC控制器的信號，進行油路換向。原理見圖4。

圖4 液壓鎖緊回路

當油缸不工作時，活塞被鎖緊，夾具實現夾緊，工件不能移動。當換向閥使活塞向右運動時，右邊液控單向閥反向流通，右邊液控單向閥起普通單向閥作用;當換向閥使活塞向左運動時，左邊液控單向閥反向流通，左邊液控單向閥起普通單向閥作用。

3 結論

使用液壓電控磁力夾具實現了全自動夾緊，從而提高了工作效率。

從某公司使用情況來看:使用普通夾具，在數控龍門銑邊機上，熟練工人完成一次裝夾至少需要10.3 min;采用液壓電控磁力夾具后，一次完成裝夾時間只需要5 min，一次裝夾工件整整縮短了5.3 min，生產效率比原來采用手動夾緊提高了20.6%

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【2】廉師友.人工智能技術導論[M].西安:西安電子科技大學出版社，2000.

【3】程樹康，蔡鶴皋.新型電驅動控制系統及其相關技術[M].北京:機械工業出版社，2005.

【4】張發平，孫厚芳，SHAHID I B.Minimum Normal Force Principle Based Quantitive Optimization of Clamping Forces，for Thin Walled Part[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2008，17(2):148－152.

【5】陳燕.基于不規則零件的加工工藝分析及夾具設計[J].機床與液壓，2011，39(14):44－45.而且夾具定位準確，偏差只允許±0.008 mm，這是手工和半自動夾緊完全做不到的。這樣準確的定位使零件的加工精度提高，保證了產品的質量。