機床夾具氣動系統的改進*

李雙成 陳興媚

廣東理工學院 智能制造學院 廣東肇慶 526100

1 改進背景

機床夾具是現代機加工中必不可少的裝置,能夠確保零件在加工過程中處于正確位置,保證加工精度。目前,隨著科學技術的不斷發展,自動化生產已逐步滲入到各行各業。機床夾具由于結構簡單,設計、布置靈活,自動化程度高,受到各大企業的廣泛青睞。但在實際加工生產中,產品的外形復雜多變,有時候會出現現有夾具無法滿足加工定位要求的情況,若重新設計夾具,不僅成本高,成型周期長,還無法保證交貨日期。在不增加設計成本,不延長成型周期的前提下,改進現有機床夾具設備,以滿足生產需求,顯得尤為重要。筆者以機床夾具氣動系統為例進行詳細介紹。

2 機床夾具氣動系統工作原理

某企業現有機床夾具氣動系統原理如圖1所示。被加工零件放至指定位置,定位鎖緊缸活塞桿伸出向下,將零件鎖緊。兩側的夾緊缸活塞桿伸出,夾緊零件。機床加工零件,加工完畢后各缸退回,松開零件。系統動作順序為:零件置于機床工作臺,定位鎖緊缸鎖緊零件,左右兩個夾緊缸夾緊零件,機床加工零件,左右兩個夾緊缸退回,定位鎖緊缸退回。

圖1 現有機床夾具氣動系統原理

3 機床夾具氣動系統改進

現該企業接到一批新零件訂單,該批零件受外形限制,針對加工工藝過程,需對夾具動作進行改進,將原有的定位鎖緊缸和兩個夾緊缸進行功能互換。改進后系統動作順序為:零件置于機床工作臺,兩個定位鎖緊缸定位鎖緊零件,夾緊缸夾緊零件,機床加工零件,兩個定位鎖緊缸退回,夾緊缸退回。針對上述動作循環,在不增加夾具氣動系統過多成本,不延長設計周期的基礎上,改進設計。

觀察圖1,兩個夾緊缸動作同步,保留兩個夾緊缸的連接形式及供氣主氣泵,同時考慮相關閥體動作控制要求,即二位五通腳踏換向閥左位接入系統,兩個夾緊缸活塞桿同時伸出鎖緊零件,反之則縮回松開零件。

由此,保留二位五通腳踏換向閥,設計定位鎖緊氣壓系統動作回路,如圖2所示。分析圖1中定位鎖緊缸的動作及閥控要求,與圖2中兩個定位鎖緊缸的動作及閥控要求完全相同。繪制夾緊氣壓系統動作回路,如圖 3所示。根據圖2、圖3功能,將兩者組合在一起,繪制改進后的氣壓組合系統,如圖4所示。

圖2 定位鎖緊氣壓系統動作回路

圖3 夾緊氣壓系統動作回路

當踩下二位五通腳踏換向閥腳踏板時,系統需按要求完成預定動作順序。分析圖4,當二位五通腳踏換向閥左位接入系統后,壓縮空氣同時進入各缸的無桿腔,夾緊缸為缸上桿下的立式布置,兩個定位鎖緊缸為水平布置,夾緊缸先于兩個定位鎖緊缸動作,且其有桿腔氣體無背壓,夾緊塊有俯沖撞擊零件的危險,易損壞系統元器件及零件表面,各缸運動順序也較混亂,因此無法滿足動作順序要求,需對圖4的不足進行分析。在各管路上加入相應閥件,以控制動作順序及活塞的運行速度。根據夾緊缸的布局及氣壓傳動存在泄漏量大,易產生誤動作等不足,在進出氣路上分別安裝單向節流閥。加裝單向節流閥的氣壓系統如圖5所示。

圖5 加裝單向節流閥氣壓系統

兩個單向節流閥閥口開度可調,夾緊缸各腔氣體流速可控,因此可以有效避免夾緊缸活塞桿下行俯沖的危害。對圖5進一步分析,當二位五通腳踏換向閥處于左位時,氣泵中氣體分別流向各缸無桿腔,由于兩個定位鎖緊缸為同參數、等高位串聯,因此運行速度同步。夾緊缸在進出氣路背壓的作用下,暫時未動。兩個水平定位鎖緊缸先行定位鎖緊零件,之后夾緊缸才完成夾緊動作。各缸活塞桿到達行程終點后,系統壓力進一步增大。主氣路未安裝任何卸壓元件,根據氣壓傳動特性,系統易損壞氣壓元件及管道,設計不合理,需進一步改進設計。在主氣路中安裝卸荷閥,以保護元器件。卸荷閥開啟壓力需要遠大于夾緊缸上行壓力,否則各缸易出現誤動作。為避免兩個定位鎖緊缸動作過快影響零件的定位精度,在其進出氣路上加裝可調節流閥。繪制加裝可調節流閥和卸荷閥的氣壓系統,如圖6所示。

圖6 加裝可調節流閥和卸荷閥氣壓系統

分析圖6,二位五通腳踏換向閥的右側為氣動式換向口,且該口未連接任何信號源,零件加工完畢后,無法實現閥口換向,各缸活塞桿無法有序退回,零件也無法取出,圖6仍需進一步改進設計。考慮當機床刀具完全退出后,松開二位五通腳踏換向閥腳踏板,閥口能夠實現自動換向,各缸活塞桿能夠按順序退出,引入二位三通氣控換向閥。將二位三通氣控換向閥左位常通口與二位五通腳踏換向閥右側的氣控口K及大氣連接,以保證二位五通腳踏換向閥左位閥口接入系統時右側氣控口多余氣體能流入大氣。另外,將二位三通氣控換向閥左位常閉口接至主氣路,當其右位閥口接入系統后,二位五通腳踏換向閥閥口即實現自動換向?？紤]各缸的動作順序,將二位三通氣控換向閥右側的氣控口K與各缸的無桿腔并聯。為避免加工事故,機床完成加工且刀具完全退出后,二位五通腳踏換向閥閥口才允許換向。考慮二位五通腳踏換向閥的換向時間,在二位三通氣控換向閥氣控回路上接入儲氣罐,當二位五通腳踏換向閥左位閥口工作時,氣泵中的氣體除進入各缸的無桿腔,驅動活塞桿伸出外,同時還為儲氣罐供氣。零件被定位、夾緊后,機床開始加工零件,此時泵中氣體全部流向儲氣罐。零件加工完成且退出后,儲氣罐中氣體剛好儲滿,此時二位三通氣控換向閥在右側高壓氣體作用下壓縮左側彈簧,驅動右位閥口接入系統,泵中氣體經二位三通氣控換向閥右位閥口流入二位五通腳踏換向閥右側的氣控口,驅動自動換向,各缸活塞桿自動退出并松開零件。與此同時,儲氣罐中的氣體經二位五通腳踏換向閥右位閥口開始卸荷,二位三通氣控換向閥右位壓力逐步減小,在左位彈簧的作用下實現閥口的自動復位。當再次踏下二位五通腳踏換向閥的腳踏板時,重復上述動作。加裝儲氣罐和二位三通氣控換向閥的氣壓系統如圖7所示。至此,按要求完成所有改進設計,改進后的機床夾具氣動系統如圖8所示。

圖7 加裝儲氣罐和二位三通氣控換向閥氣壓系統

圖8 改進后機床夾具氣動系統

4 仿真分析

根據圖8,在Automation Studio 7.0 Professional軟件中進行機床夾具氣動系統建模,其界面如圖9所示。根據各缸的動作順序要求,設置各氣動元器件參數,見表1。

表1 氣動元器件參數

圖9 機床夾具氣動系統建模界面

將表1中數據輸入軟件,仿真活塞桿伸出、縮回系統,分別如圖10、圖11所示,得到各缸的線性速度、位置、時間特性曲線,如圖12所示。

圖10 活塞桿伸出系統仿真

圖11 活塞桿縮回系統仿真

圖12 各缸線性速度、位置、時間特性曲線

各缸的線性速度與時間特性曲線如圖13所示。當踩下二位五通腳踏換向閥腳踏板啟動系統時,兩個定位鎖緊缸先行同步伸出,定位零件。活塞桿伸出長度與時間成光滑拋物線遞增關系,在0.65 s內完成定位,速度峰值為50 cm/s。夾緊缸在兩個定位鎖緊缸定位完成0.077 s后開始啟動。夾緊缸在剛啟動時,速度有波動,啟動峰值為8.78 cm/s,谷值為5.9 cm/s,差值為2.88 cm/s,波動持續時長為0.03 s,之后成光滑平緩拋物線遞增關系。這是因為系統中氣體由開始時同時向三個缸供氣突然轉入僅向一個夾緊缸供氣,導致其無桿腔氣體壓力突然增大。由于波動持續時間極短且波動段活塞缸尚未接觸到零件,因此對零件夾緊無影響,可以忽略。夾緊缸自起步至行程終了持續時長為2.5 s。

圖13 各缸線性速度與時間特性曲線

兩個定位鎖緊缸同步退出持續時間為0.78 s,速度波動在初始時較大,谷值為0,峰值為-154.15 cm/s,差值為154.15 cm/s,之后逐步遞減,退出速度從開始至結束均呈不規則遞減階梯狀。這是因為二位五通腳踏閥在高壓氣體作用下閥口突變,并且儲氣罐和三個缸的回路同時并聯匯入同一排氣口,這四路氣體因受節流口開度及壓強遞減的影響,在定位鎖緊缸的排氣口形成氣體擾動。由于此過程為兩個定位鎖緊缸退出狀態,因此對零件定位無影響。夾緊缸在退出初始階段速度波動較大,峰值為50.76 cm/s,谷值為-70.61 cm/s,差值為121.37 cm/s。這是因為夾緊缸除受到上述兩個定位鎖緊缸的波動外,還受到自身豎直布局的影響,活塞在上行過程中需克服自重,導致速度波動范圍較大。后續由于系統壓強趨于穩定,速度逐步遞增。這是由于兩個定位鎖緊缸運行速度大于夾緊缸,兩缸活塞桿先行退出,此時氣泵的氣體全部流向夾緊缸,夾緊缸退出時運行速度會逐漸增大。夾緊缸的整個運行曲線也呈階梯狀變化,說明夾緊缸在活塞桿退出過程中速度不穩定,這是由系統壓力經歷多次突變導致的。這一過程為活塞桿退出階段,對零件定位夾緊無影響,可以忽略。

各缸位置與時間特性曲線如圖14所示。當踩下二位五通腳踏換向閥腳踏板啟動系統時,兩個定位鎖緊缸先行伸出,定位零件?；钊麠U伸出長度與時間成光滑線性遞增關系,活塞桿從伸出到定位所用時長為0.7 s。夾緊缸在兩個定位鎖緊缸完成定位0.77 s后開始啟動,活塞桿從伸出到鎖緊完成持續時間為2.5 s。兩個定位鎖緊缸的曲線斜率遠大于夾緊缸,即夾緊缸的運行時間長于兩個定位鎖緊缸的運行時間。這是因為夾緊缸為豎直布置,為防止活塞桿俯沖損壞零件和影響零件定位精度,將單向節流閥1的開啟壓力調為0.1 MPa,可保證平穩下行。

圖14 各缸位置與時間特性曲線

兩個定位鎖緊缸退出所用時長為0.79 s,夾緊缸退出所用時長為1.25 s。退出過程中,在初始212.8～250 mm范圍內三個缸的退出速度相同,在0～212.8 mm范圍內夾緊缸速度開始減慢。夾緊缸落后兩個定位鎖緊缸時間為0.46 s左右,這是因為夾緊缸為豎直布置,驅動上升需克服活塞桿重力。各缸退出過程中,曲線呈細小鋸齒狀,這是因為二位五通腳踏換向閥換向后各缸有桿腔壓力突變,同時可調節流閥2的開口內徑小于可調節流閥1的開口內徑,節流口開口內徑減小,氣體受到的摩擦阻力和壓縮作用更加明顯,流速變化更大,進而使系統流量波動和變化更加劇烈,流量的穩定性更差。兩個定位鎖緊缸運行曲線重合,即同步進退,這是由于兩個定位鎖緊缸進出氣的兩個可調節流閥1和兩個可調節流閥2的參數調節相同。定位鎖緊缸同步運行可以有效保證零件定位的準確性。

5 結束語

對比改進前后的機床夾具氣動系統,進行總結。

原機床夾具氣動系統結構較復雜,涉及的氣動元器件多,系統占地面積大。改進后機床夾具氣動系統結構簡單,涉及的氣動元器件少,占地面積小。

改進使用的氣動元器件少,維護、保養、設計、制造費用低,原系統的氣動元器件較多,維護、保養、制造成本較高。

原系統使用兩個氣泵,主氣泵用于為主氣路供氣,副氣泵用于為主氣路換向,系統的調壓范圍大,系統壓力調整容易。改進后使用的氣動元器件少,主系統及換向閥均由一個泵供氣,系統的調壓范圍小,在協調各缸順序動作及換向閥開啟時間上要求較高,系統壓力調整復雜。

原系統使用的氣動元器件多,系統的泄漏量大,故障率高,出現故障后不易診斷。改進后系統使用的氣動元器件少,系統泄漏量小,故障率低,系統故障后診斷容易。

機床夾具氣動系統動作迅速,靈敏,生產效率高,以大氣作為工作介質,空氣獲取方便,可直接排入大氣,無污染。