数控龙门铣边机液压电控磁力夹具设计.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 5 数控龙门铣边机液压电控磁力夹具设计 邱红 ，沈印 ，高朝祥 ，任小鸿 ，梁雄 1 ．四川化工职业技 术学院，四川泸州 6 4 6 0 0 0 ； 2 ．西南大学工程技术学院，重庆 4 0 0 7 1 5； 3 ．中国南车集团资阳机车有限公司，四川资阳6 4 1 3 0 0 摘要传统的液压夹紧装置已经不能满足用户对生产 自动化程度和加工精度的要求。设计一个液压电控磁力夹具，通 过控制电流来调节电磁力的大小 ，从而调节铅垂方向的位移量，通过液压回路控制横向位移，两个方向的运动合成，实现 了对复杂零件的夹紧定位。 关键词夹紧装置；电磁力 ；液压回路 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 4 6 2 De s i g n o f Hy dr a u l i c El e c t r i c a l c o n t r o l l e d M a g n e t i c Fi xt ur e f o r CNC Ga nt r y Ty pe M i l l i ng M a c hi ne Q I U H o n g ，S H E N Y i n ，G A O C h a o x i a n g ，R E N X i a o h o n g ，L I A N G X i o n g 1 ． S i c h u a n C o l l e g e o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ， L u z h o u S i c h u a n 6 4 6 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ，S o u t h w e s t Un i v e r s i t y ，Ch o n g q i n g 4 0 0 7 1 5，Ch i n a ； 3 ． C S R Z i y a n g L o c o mo t i v e C o m p a n y ， Z i y a n g S i c h u a n 6 4 1 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c c l a mp i n g d e v i c e h a s b e e n u n a b l e t o me e t n e e d s o f u s e r s a t p r e s e n t ． N o w， t h e f i x t u r e i s i n n e e d o f h i g h p r e c i s i o n， h iig h s a f e t y a n d a u t o ma t i o n ．A h y d r a u l i c e l e c t r i c a l c o n t r o l l e d ma g n e t i c f i x t u r e w a s d e s i g n e d．T h r o u g h c o n t r o l l i n g c u r r e n t ，t h e ma g n i t u d e o f e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e w a s r e g u l a t e d ， t h u s t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n d i s p l a c e m e n t w a s a a j u s t e d ．H y d r a u l i c c i r c u i t wa s u s e d t o c o n t r o l t h e l a t e r a l p o s i t i o n ． T h e t w o d i r e c t i o n mo t i o n s w e r e s y n t h e s i z e d t o r e a l i z e c l a mp i n g a n d p o s i ti o n i n g f o r i r r e g u l a r c o mp l e x p a r t s ． Ke y wo r d s Cl am p i n g d e v i c e ；El e c t r o ma g n e t i c f o r c e ； Hy d r a u l i c c i r c u i t 夹具是产品生产的一个重要部件 ，它对保证产品 的生产质量具有举足轻重的地位 ，同时，夹具的自动 化程度和精度也是应考虑的重要因素。夹具的自动化 程度高，可以减轻操作人员的劳动强度 ，使生产效率 和产品周期能够得到进一步的提高；夹具的精度是保 证产 品质量 的首要条件 ，由于人为的操作误差 ，很难 保证产品的加工精度。所以，设计出自动化程度以及 精度高的夹具对加工行业具有很重要的意义。 1 数控龙门铣边机主体结构 铣边机主体结构由床身、工作台、立柱组成。床 身为机床的基础部件，它具有足够的刚性 ，有合理的 铸造结构。导轨为两条直线滚动导轨，机床的移动部 件工作台安装在这两条直线导轨上，床身两侧通过螺 钉和定位键将左右立柱紧固在床身上，使床身与左右 立柱连为一体 ，构成闭式龙门框架的下半部。 工作台面有固定工作或夹紧用的 “ T ”形槽，中 间 “ T ”槽作夹具定位用。在工作台前端装有限位开 关和定量润滑分配器，润滑分配器将润滑来油分配给 直线导轨副。在机床和工作台导轨之间装有齿轮齿条 副传动装置，齿轮齿条副中的齿轮箱 固定于床身中 部，齿条固定于工作台底部。在床身前段装有润滑油 管 和电路 的拖线装置 。 2 电磁液压夹具的设计 2 ． 1 电磁 夹 紧原 理 采用电磁感应原理来控制夹紧力的大小和方向。 电磁铁是由一些安放在导轨下面的螺线管组成，螺线 管本身有匝数 ，通过改变电流与匝数来改变电磁力的 大小，电流的方向控制了磁极的方向，也就限制了自 由度运动的方向。 设计特点 在铣边机的导轨和横梁下边分别安装 磁极不一样的螺线磁管 图 1 ，在安装的时候要注 意磁极的相互交错 ，并要一一对应，通过 P L C装置 收稿日期 2 0 1 11 21 5 基金项目泸州市科技局指导课题 泸市科 [ 2 0 1 1 ]1 0 8 作者简介 邱红 1 9 7 5 一 ， 女， 讲师，主要从事机械电子方面的教学和科研工作。E m a i l q i u h o n g l z 1 6 3 ． c o rn 。 第 2期 邱红 等数控龙门铣边机液压电控磁力夹具设计 4 7 发出脉 冲信号 ，螺旋 磁管钟 的线 圈得到 电流信号， 由于电磁感应原理 ，各个磁极将会有磁力的产生，即 可对工件产生垂直方向上的夹紧力。此外，在安装螺 线管磁极时，使各螺线磁极相互独立 ，并要进行磁极 编号，这主要是方便 P L C对某一磁极的控制，更能 限制工件不同位置的自由度。比如在加工不规则零件 时 零件某加工平 面有圆弧、台阶以及 凹槽相互交 错 ，让 N 1和 S 9通电产生磁场，即可使零件由平面 变成倾斜 6 0 。 ，而不会产生纵 向位移 ，在夹具钳口部 分安装位置检测传感器 ，并将钳 口位置的实时状况反 馈到显示屏上面，方便对夹紧位置的在线调整 ，原理 图见 2 。 线 圈 害 一 图 1 螺线磁管 图 2 电磁液压夹具原理 图 2 ． 2 液 压 夹具 的总体 结 构设 计 液压夹具主要由液压缸、电磁换向阀、活塞杆、 夹具钳口部分组成，主要是控制工件横 向方向的位 移，采用液压力推动活塞杆来夹紧工件。活塞杆和夹 具钳口部分为一体联动 ，即活塞动作 ，夹具钳 口就动 作。通过 P L C控制器控制电磁换 向阀电磁铁 的通电 与断电，电磁换向阀控制油液的流动方向，从而控制 活塞杆的运动，达到夹紧或者松开工件的目的。 2 ． 2 ． 1 液压夹具关键零部件的设计 1 夹具体钳口 钳 口是液压夹具的夹紧关键部件。由于要经常夹 持零件 ，而且龙门铣边机夹紧的工件一般是型材或者 铸件 ，其含碳量一般较多，硬度较硬，所以夹紧钳 口 力学性能一定要好。采用合金结构钢，通过适当的热 处理工艺 渗碳淬火 ，增加其强度和耐磨性 ，这样 可以延长钳口的使用寿命。 2 夹具体压板 在夹具体内部安设有活塞杆，通过控制电磁铁的 换向来控制活塞杆的移动，以此来完成对工件的夹紧 与松开。采用齿条式活塞杆，右压板和齿条式活塞杆 可靠连接在一起，当齿条式活塞杆向左移动时 右 压板也向左移动 ，齿轮就顺时针转动，上面的齿条 会随着齿轮的顺时针旋转而向右移动 ，即可使工件可 靠夹紧。结构图见图3 ，左压板在安装的过程中，应 当注意两个方面的问题 ①钳口与活塞通过连接板进行可靠连接； ②夹具体 的内部应当安装密封毡，防止油液泄 漏 。 齿条式活 图3 液压夹紧机构 2 ． 2 ． 2 液压回路的设计 由于数控龙门铣边机较多地用于大型零件的加 工，所以要求夹紧力特别大，而且加工过程 中要求夹 紧力保持不变，所以此液压回路选用锁紧回路。液压 锁紧回路 由一个液压缸、一个液压泵、一个三位四通 换向阀 H型 、溢流阀、一个活塞缸和两个液控单 向阀组成。用 H型三位四通换向阀的 目的是利用中 位机能 ，即中位工作时，A、B 、T三 口通 ，保证两 液控单向阀的控制 口压 力为零 ，这样液压缸才 能可靠地锁住。电动机 带动泵旋转，高压油通 过电磁换向阀进行油路 换 向 ，送 至液压 活塞缸 的有 杆 腔 或 者 无 杆 腔 ， 电磁换 向阀接 受来 自 P L C控制器的信号，进 回 图4 液压锁紧回路 行油路换向。原理见图4 。 当油缸不工作时，活塞被锁紧，夹具实现夹紧， 工件不能移动。当换向阀使活塞向右运动时，右边液 控单向阀反向流通，右边液控单向阀起普通单向阀作 用；当换向阀使活塞向左运动时，左边液控单向阀反 下转第 5 0页 泵阀四磁阀单缸 压流位电向控阀压箱 液溢三通换液向液油 l 2 3 4 S 6 5 0 机床与液压 第 4 l 卷 ③ 缸筒壁厚 当 D8 0 m m，材料 为 4 5钢 ， 则气缸的外径 D 。 9 2 m m。 ④ 活塞行程 额定排气压力 P1 MP a 。由空气压缩机技术规格查 取 壁 厚 6 m m 口 ， 得 ，选用空压机型号为 V - 0 ． 1 ／ 1 0 。 3 结束语 L3 ． 7 5 D 3 0 0 mm ⑤ 空气消耗量 Q1 2 ． 0 5 8 L ／ m i n 综上，选气缸 Q G A I I 8 0 3 0 0 MF ⋯。 2 ． 4方向控 制 阀的选取 1 选择控制元件 选择气控气阀控制。选定气缸供气口接管螺纹为 M 2 2 1 ． 5 ，初选 阀体管道通径为 1 5 m m ，控制阀 的型号口 有两位三通脚踏阀 Q 2 3 R 7 A、两位五通换向 阀 Q S R 5 ，快拧式直通式终端管接头 J S M- Z I O 。 2 压力损失计算 为使执行元件正常工作 ，气流总压力损失必须满 足下式 ∑△ p 砬≤[ ∑△ p ] 6 式中∑A p 以 为气动元 、辅件 的总压力损失 ， 为压力损失简化修正系数。∑△P 以 为0 ． 0 7 5 M P a ，取 K 1 ． 1 ，则 ∑△ p 以 0 ． 0 8 2 5 0 ． 1 MP a ，满足条 件。故选定管道直径为 1 5 m m 。 2 ． 5空 气压 缩机 的选取 根据计算压缩机供气量和供气压力，选择压力范 围广、效率高、适应性强的两级往复式活塞压缩机 ， 与传统水检法相比，该检测装置具有准确可靠、操 作简单方便、设备投资费用少、维护方便、管件的安装 简单方便、采用组合夹具进行装夹、可以完成不同管径 的管件检测等特点。在此基础上，若能利用现代控制手 段 例如 P I E对气动阀体进行控制，将使该装置由 手动控制变为自动控制，进一步提高检测效率。 参考文献 【 1 】 机械设计手册 编委会． 气压传动与控制[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】 机械设计手册 联合编写组． 机械设计手册 [ M] ． 北 京 化学工业出版社 ， 1 9 7 6 ． 【 3 】 何 国松． 最新钢管铸铁管制造工艺技术、 标准及管件、 管 件应用技术手册[ M] ． 长春 吉林电子出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】 S M C 中国 有限公司． 现代实用气动技术[ M] ． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 】 C H E N P ， C H U A P S K ， L I M G H ．A S t u d y o f H y d r a u l i c S e a l I n t e g ri t y [ J ] ． Me c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n al P r o c e s s 一 ．i n g ， 2 0 0 5 ， 2 1 2 1 1 1 51 1 2 6 ． 【 6 】 彭光正 ， 纪春华， 葛楠． 气密性检测技术现状及发展趋势 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 1 7 21 7 4 ． 【 7 】 韩秀杰． 一种容器气密性检测装置的设计 [ J ] ． 液压与 气动 ， 2 0 o 4 1 1 4 6 4 7 ． 上接第 4 7页 向流通，左边液控单向阀起普通单向阀作用。 3结论 使用液压电控磁力夹具实现了全 自动夹紧，从而 提高了工作效率。 从某公司使用情况来看使用普通夹具 ，在数控 龙 门铣 边 机 上 ，熟 练 工 人 完 成 一 次 装 夹 至 少 需 要 1 0 ． 3 m i n ；采用液压 电控磁力夹具 后 ，一次完 成装夹 时间只需要 5 m i n ，一次装夹工件整整缩短 了 5 ． 3 m i n ，生产效率 比原来采用手动夹紧提高了 2 0 ． 6 ％， 而且夹具定位准确 ，偏差只允许 0 ． 0 0 8 m m，这是 手工和半 自动夹紧完全做不到的。这样准确的定位使 零件的加工精度提高 ，保证了产品的质量。 参考文献 ． 【 1 】 宋章领， 梁桂华 ， 王拓． 电子万能试验机液压夹具的设计 [ J ] ． 工程与试验， 2 0 0 9 B 1 2 7 8 8 0 ． 【 2 】 廉师友． 人工智能技术导论[ M] ． 西安 西安电子科技大 学出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 3 】 程树康， 蔡鹤皋． 新型电驱动控制系统及其相关技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． 【 4 】张发平， 孙厚芳， S H A H I D I B ． M i n i m u m N o r m al F o r c e P r i n c i p l e B a s e d Q u a n t i t i v e O p t i mi z a t i o n o f C l a m p i n g F o r c e s f o r T h i n Wal l e d P a r t 『 J ] ． J o u r n al o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 1 7 2 1 4 81 5 2 ． 【 5 】陈燕． 基 于不规则零件 的加工工艺分析及夹具设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 4 4 4 4 5 ． 上接第 5 5页 参考文献 【 1 】李斌 ， 田莺， 刘红奇， 等． 数控车床误差快速检测与精度 标定[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 7 1 8 2 1 ． 【 2 】 陈龙法． 典型的机床装配工艺研究[ J ] ． 精密制造与自 动化， 2 0 1 1 1 5 7 6 1 ． 【 3 】L I U H o n g q i ， T I A N Y i n g ， L I B i n ， e t a 1 ． A F a s t E r r o r M e a S U r e me n S y s t e m for C NC Ma c h i n e T o o l s B a s e d o n S t e p g a u g e l C J ／ ／ 2 0 1 0 2 n d I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g I C ME E ， 2 0 1 0 ． 【 4 】 吴晓苏 ， 潘建峰． 数控原理与系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 5 】周红力． 数控机床定位精度研究[ D ] ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 0 8 ． 【 6 】刘红奇， 李斌， 刘焕牢． 数控机床误差的快速速标定及补 偿技术[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 1 2 5 2 5 4 ．