基于自動控制系統的平口鉗設計*

□李金亮淄博職業學院 機電工程學院 山東淄博 255314

基于自動控制系統的平口鉗設計*

□李金亮
淄博職業學院 機電工程學院 山東淄博 255314

研制了一種操作便捷、安全可靠、高效的基于自動化控制的平口鉗，介紹了該設備的工作原理。在滿足設計要求和實際工況的條件下，通過力學分析、試驗檢測等方式，對整套控制系統進行了開發設計。滿足自動裝夾、夾緊調節功能，保證了加工精度，提高了裝夾效率。

在現代裝備制造業中，平口鉗是每個企業不可或缺的夾具器械，其作為通用夾具，常固定在機床工作臺上，用來夾持工件進行切削加工。

平口鉗結構簡單、工作可靠、成本低廉，是機加工中常用的夾具。其缺點是：傳動速度緩慢，加工效率低下，費時費力，夾緊力大小、方向很難控制，常出現因夾緊工件力度過大而損壞工件的現象，大大降低工作效率。在批量裝夾時，若被夾緊工件的尺寸大小變化大，或者夾緊放松動作十分頻繁，將導致非工作時間的延長，使工作效率大大降低。目前數控加工水平越來越高，對工件的裝夾精度也要求越來越高，裝夾時間、夾緊力大小及方向都是直接的影響因素。傳統的平口鉗所產生的夾緊力是根據生產者的經驗來保證的，產生廢品的幾率比較大。

筆者著重從提高平口鉗的裝夾效率、精確控制夾緊力大小及方向方面進行開發研究，以解決平口鉗的傳動速度慢、易損傷工件的缺陷，使平口鉗的夾緊效率得以提高，夾緊力得以控制。目前，在市場中與普通機床和數控機床配套的帶自動化控制系統的平口鉗應用較少。

1 設計方案

在普通平口鉗結構的基礎上，增加動力裝置、傳動裝置、控制電路、壓力傳感器等，設計利用電動機驅動、鏈條傳動、裝夾可控的新型平口鉗。由電動機提供動力，通過鏈傳動帶動平口鉗螺桿的轉動，兩軸之間用鏈輪傳動連接，實現鉗口的前后運行。平口鉗可根據待裝夾工件尺寸自動調節鉗口的位置，夾緊工件時，當夾緊力達到設定值后，由壓力傳感器輸出信號來控制電動機，使其停止運轉。

根據平口鉗夾緊所需要的力和鉗口移動速度，選擇功率為60 W、轉速為108 r/min的兩相電動機。在電動機上安裝一個鏈輪來帶動鏈條傳動，實現整個平口鉗的運動，電動機直徑100 mm、長190 mm，鏈輪大徑45 mm、齒數21。整體結構如圖1所示。

圖1 平口鉗的整體結構

2 工作原理及性能分析

平口鉗是安裝在機床工作臺上、裝夾工件后進行切削加工的一種通用夾具。開發設計的具有自動控制系統的平口鉗由普通平口鉗、電動機、控制面板、壓力傳感器、限位開關等組成，電動機提供動力，通過鏈傳動（如圖2所示）帶動鉗口前后移動。

2.1 工作原理

平口鉗由電動機提供動力，通過鏈傳動帶動平口鉗螺桿轉動，大鏈輪和電動機軸的連接是通過鍵連接，鏈輪和平口鉗螺桿的連接也是通過鍵連接，通過鍵連接更加穩定牢固。螺桿轉動帶動活動鉗口前后運動，夾緊工件時，當鉗口遠離工件時，可以按下快進按鈕，使活動鉗口快速靠近需要夾緊的工件，距離工件較近時，按下慢速按鈕，使移動鉗口慢慢夾緊工件。在活動鉗口上安裝壓力傳感裝置，如圖3所示，當兩鉗口夾緊工件的力度達到設定值時，繼電器自動斷電，使電動機停止運轉，達到自動夾緊的目的。

圖2 鏈傳動

1.鉗口 2.壓力傳感器圖3 壓力傳感器裝置

2.2 性能分析

在機床上加工工件時，必須先確定工件相對于刀具的正確位置，這一過程稱為定位。將工件夾緊，就是對工件施加作用力，使其在應該確定好的位置將工件可靠地夾緊，這一過程稱為夾緊。從定位到夾緊的過程，稱為裝夾。機床夾具的主要功能就是完成工件的裝夾工作，工件裝夾情況的好壞，將直接影響工件的加工精度，具體功能介紹如下。

2.2.1 對工件進行精確裝夾

（1）保證定位精度。該平口鉗固定安裝，可以準確地確定工件與機床、刀具之間的相互位置，工件的位置精度由其上的夾具定位元件保證，不受工人技術水平的影響，其定位精度高而且穩定。

（2）提高生產率，降低成本。該平口鉗使工件迅速定位和夾緊，顯著減少了輔助工時，用該平口鉗裝夾工件，提高了工件的剛性，因此可加大切削用量。2.2.2 對工件的自動夾緊

（1）通過對電路的控制，使機用平口鉗實現了自動化。整個電路包括壓力傳感器、繼電器、按鈕開關、電位器、變壓器等元件，該控制系統可實現電動機正反轉，快/慢速進給（將要加工的工件放在鉗口的支架上，按下開關，使電動機快速進給。當接近工件的時候，按下慢速進給按鈕，使鉗口慢慢接近工件，直到夾緊工件為止）。電路的控制面板如圖4所示。

1.調速開關 2.調速器開關 3.復位/停止 4.手動/自動 5.后退6.夾緊 7.夾緊力度調節旋鈕圖4 電路控制面板

（2）改善工人的勞動條件。用該平口鉗裝夾工件，具有方便、省力、安全的優點，可減輕工人的勞動強度，保證安全生產。

2.3 理論設計計算

2.3.1 自動平口鉗的運動速度和時間計算

電動機通過鏈條帶動平口鉗的螺桿轉動，從而使活動鉗口實現移動。當移動到一定程度時，可以通過按鈕開關進行控制，也可以由壓力傳感器控制活動鉗口的運動，鉗口運動速度和時間的計算如下：

電動機轉速：n=108 r/min，螺桿螺距：p=4.0 mm，行程s=150 mm。則平口鉗運動的速度：

v=np （1）

v=7.2 mm/s

運動所需時間：

t=s/v （2）

t=20.83 s

2.3.2 計算鏈傳動傳動比

在圖2中，小鏈輪的齒數z1=16；大鏈輪的齒數z2=21，傳動比：

i=z2/z1（3）

當i=0.76時，鏈輪可以帶動螺桿使活動鉗口自由運動。

3 電路設計

（1）實現平口鉗的快速夾緊和慢速夾緊，如圖5所示。在手動/自動狀態下，按下自動/手動按鈕，實現虎鉗前進/后退的功能，在活動鉗口前進/后退的過程中，調節調速旋鈕，可以快速或者慢速前進，主要用到變頻調速系統。

（2）控制面板中各個按鈕的作用，如圖5所示。常按前進/后退按鈕，可以實現活動鉗口的移動；按下自動/手動按鈕，可以達到活動鉗口自動前進/后退的功能；旋轉夾緊力旋鈕，可以調節壓力傳感器對工件的夾緊力度。

圖5 實物裝置

（3）在平口鉗固定機體上裝有限位開關，控制活動鉗口的前后行程，避免干涉碰撞。

4 結論

開發設計一種基于自動控制的平口鉗，達到自動操作、手動操作的切換。應用繼電器控制系統實現平口鉗的自動化運行，并可與數控機床協同運行。通過樣機制作、實驗，來驗證優化設計，達到開發設計目的。自動化平口鉗的應用，減少了人力物力，提升了機加工效率。

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We developed the flat-nose pliers with an introduction ofits operational principle.It is controlled by automation and features convenient，safe，reliable and efficient.In consideration to satisfy the design requirements and the actual working conditions and by mechanical analysis，test and detection the entire control system was developed and designed to meet the functions for automatic clamping and clamping adjustment，so that the machining accuracy could be ensured and the clamping efficiency may be improved.

平口鉗；自動裝夾；夾緊調節

Flat Nose Pliers；Automatic Clamping；Clamping Adjustment

TH122

A

1672-0555（2015）04-061-03

*山東省高等學校科技計劃項目（編號：J14LB63）

2015年8月

李金亮（1981-），男，碩士，講師，主要從事機構學與創新設計的研究