气动夹具系统改进设计.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.019气动夹具系统改进设计李双成（广东理工学院智能制造学院，广东肇庆52 6 1 0 0）摘要：某机加工企业因业务发展需要新接收一批零件，但该企业现有气动机床夹具设备不能胜任其定位及加工精度要求，在不增加过多成本的基础上，对现有气动夹具系统改进设计做详细论述，并给出各设计环节的气动系统图、设计说明及设计完成后的气动夹具总图。将设计完成后的夹具系统在Automation Studio7.0Professional软件中建模并仿真，分析各缸线性位置-时间关系；各缸起步伸出时在0 50 mm范围内3 个缸同步,有效提高了设备的生产效率。在51 2 50 mm长度范围内夹紧缸运动速度开始降低，实现定位缸先定位。退出时由于夹紧缸垂直布置原因，在2 50 2 3 3.6 9 mm范围内出现微小波动，其波动范围在1 6.3 mm；由于此段为各缸退出段，对零件加工精度无影响。正常工作后各缸运行平稳，波动现象消失，满足加工要求。最后将改进后的气动系统和原系统作对比分析，结果表明：改进设计后的气动系统不仅能够完全胜任新零件的加工精度要求，且有效避免了原设备故障率高、维护保养困难、设备成本高、噪声大的诸多不足。关键词：单气控换向阀；可调式节流阀；双向缓冲式气缸；单向节流阀中图分类号：TH138;TG502.32(Institute of Intelligent Manufacturing School of Intelligent Manufacturing,Guangdong Institute ofAbstract:Based on the background that a machining enterprise needs to receive a new batch of parts due to business development,but itsexisting pneumatic machine tool fixture equipment is not competent for its positioning and processing accuracy requirements,this articlediscusses in detail the improved design of the existing pneumatic fixture system without increasing excessive costs,and provides the pneumaticsystem diagrams,design instructions,and the general layout of the pneumatic fixture after design.The designed machine tool fixture system ismodeled and simulated in Automation Studio 7.o Professional software to analyze the linear position time relationship of each cylinder;Wheneach rod is extended,the three cylinders are synchronized within the range of O to 50 mm,effectively improving the production efficiency of theequipment.Within the length range of 51 250 mm,the movement speed of the clamping cylinder starts to decrease,realizing the positioningof the positioning cylinder first.When exiting,due to the vertical arrangement of the clamping cylinder,there was a slight fluctuation within therange of 250 to 233.69 mm,with a fluctuation range of 16.3 mm;This section is the exit section for each cylinder and has no impact on themachining accuracy of the part.After normal operation,each cylinder operates smoothly,and the fluctuation phenomenon disappears to meetthe processing requirements.Finally,a comparative analysis is made between the improved pneumatic system and the original system.Theresults show that the improved pneumatic system can not only fully meet the processing accuracy requirements of new parts,but also effectivelyavoid many shortcomings of the original equipment such as high failure rate,difficult maintenance,high equipment cost,and high noise.Key words:single pneumatic directional valve;adjustable throttle valve;bidirectional buffer type cylinder;throttle check valve0引言在机械行业，机床夹具是机械生产中不可或缺的收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 5基金项目：2 0 2 2 广东理工学院科技项目（2 0 2 2 CKJZK010）作者简介：李双成（1 9 8 3-），男，安徽泗县人，副教授，硕士，研究方向：液压与气压传动设计。文献标志码：B文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 4)0 4-0 1 2 3-0 6Improved Design of Pneumatic Fixture SystemLI Shuang-chengTechnology,Zhaoqing 526100,China)重要组成环,近年来,随着科技的不断进步及机械产品自动化程度的日趋提高，机床夹具凭借其结构简单、体积小、涉及零部件少、改进设计灵活等诸多优点，受到了各大企业及相关专家、学者的高度关注。卢红印 1 针对数控机床原有工作台控制系统无法实现自动化高低压切换和泄压功能问题,设计了数控机床夹具液压控制系统,实现批量自动化生产；辛百灵等 2 针对数控专用铣床加工后桥键槽效率低问题，设计了一种能够123液压气动与密封/2 0 2 4年第4期适应多种后桥总成零件安装方便的专用夹具，实现后桥总成两端键槽同时加工的工艺需求及生产效率的提升；白亚玲等 3 利用无障碍模块化快速组合夹具,对某飞机支柱加工进行快速换型及侧面压紧技术，同时优化了夹具的找正方式，将支柱加工效率提高7 0%；程瑞 4 设计了一款气缸体总成侧面环槽加工专用液压夹紧机构,提高了生产质量和加工效率；朱卫峰等 5 针对在汽轮机、发电机零件加工中大型低刚度板类零件刚性差,加工中易产生共振、工件易变形、装夹定位失效、刀具磨损加剧等一系列问题，通过研制大型薄板件铣削可调组合夹具，并合理选用刀具及切削参数，保证了板类零件的加工质量及生产效率。虽然上述方法在一定程度上解决了企业的对应问题,但一副自动化程度高、能快速满足对应机床加工要求的夹具，在从无到有的设计周期上相对较长，设计成本也较高，再加上专用夹具的针对性极强，往往不符合外形多变及生命周期较短零件的生产需求，如何能够在现有自动化机床夹具基础上稍作改进，不大幅度提高设计成本及设计周期的基础上，即符合产品的加工需求就显得尤为重要，本研究针对此类问题做详细论述。1297M211、1 2.主、分气泵2.二位五通脚踏式换向阀3.二位三通单气控换向阀4.5、1 0、1 4.单向节流阀6.二位五通单气控换向阀7 9.锁紧气缸8.工件11.二位三通机动行程阀1 3.夹紧气缸图1 气动夹具系统1气动夹具系统及动作过程图1 为某机加工企业现有机床气动夹具系统原理图 6-7 ,其工作原理为：当工件运行到指定位置后，定位锁紧活塞杆伸出（向下）将工件锁紧后，两侧夹紧活124塞杆伸出夹紧工件，机床加工零件，加工完毕后各缸退回松开工件 8-1 0 。系统执行顺序：工件8 置于机床工作台一锁紧缸1 3 锁紧工件夹紧缸7、9 夹紧工件机床加工零件8 夹紧缸7、9 退回锁紧缸1 3退回 1-1 3 2气动夹具系统改进设计现因企业业务拓展需要承接一批新零件订单，该批零件受外形限制，需将图1 中气压循环系统定位锁紧缸改为7 和9,夹紧缸改为1 3，上述系统执行顺序需改为：工件8 置于机床工作台一定位锁紧缸7 和9 锁紧工件夹紧缸1 3 夹紧工件一机床加工零件8 夹紧缸13退回定位锁紧缸7、9 退回；才能满足该批零件加工要求。针对上述动作循环，在不增加过多夹具成本和设计周期的基础上设计气路方案。根据图1 气压系统原理图并分析要改进设计气动系统执行顺序：工件定位夹紧时：缸7、9 先行定位锁紧工件8 一缸1 3 伸出夹紧工件，气缸退出松开工件时：夹紧缸1 3 先行退出松开工件8 锁紧缸7、9 再同时退出；可知3 个缸动作顺序，定位夹紧时：缸7、9 先行、缸13最后动作，松开工件时：各缸动作顺序与定位夹紧时13完全相反；考虑缸1 3 的布置方式，将其换成双向缓冲式气压缸。用管路将3 缸的无杆腔连接在一起，各缸的有杆腔亦如此,并保留原图1 中的单向节流阀1 0、14，气动复位式换向阀2 更换成弹簧复位式，同时引人卸荷阀1 5并接入主气路中（起到过载保护系统元器件的作用），初设气压系统夹紧回路如图2 所示。分析图2：当换向阀2 左位接入系统时，泵1 中气体经阀2 左位阀口分两路走：一路到锁紧缸7、9 的无杆腔；另一路经单向节流阀1 4到夹紧缸1 3 无杆腔，由于缸1 3 是缸上4杆下的垂直布置，为安全及运行平稳计，单向节流阀1 0开口通常调的较小，缸1 3 活塞杆在单向节流阀1 0、1 4的双重钳制作用下暂时不能被驱动；缸7、9 为卧式等高位布置，两缸气路连接方式是双缸有、无杆腔分别串联，且有、无杆腔气路直接接气泵和大气，因此两缸活塞将同步先行定位工件。至行程终了，系统压力进一步升高,驱动缸1 3 中活塞杆下行。在夹紧块将要碰到工件时,由于缸1 3 为缓冲式气缸,活塞杆的下行速度随排气口的减小逐步降低，保证夹紧块与工件平稳接触。至此，图2 在图示状态下已实现系统设计要求的：工件8 置于机床工作台定位锁紧缸7、9 锁紧工件夹紧缸1 3 夹紧工件机床加工零件8；剩下夹紧缸1 3退回定位锁紧缸7、9 退回动作顺序尚待解决，看图2Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024144109916215图2 初设三缸定位、夹紧工件动作气压系统43915图3 阀2 换到右位时气动系统能否实现。将阀2 阀口切换到右位并绘制图3，图示状态下泵1 中的气体经阀2 分两路走，一路进人定位锁紧缸7、9 的有杆腔,另一路经节流阀1 0 进人缸1 3 的有杆腔；分析3 个缸的动作顺序：缸1 3 受单向节流阀1 0、14钳制及活塞杆自重的影响暂时不能被驱动，此时缸7、9 先行动作退回松开工件。至行程终了，系统压力进一步升高，驱动夹紧缸1 3 退出松开工件。动作顺序为：锁紧缸7、9 松开退出一夹紧缸1 3 退出松开工件。而设计要求动作顺序为：夹紧缸1 3 退出松开工件一锁紧缸7、9 退出松开工件；对比二者的动作顺序正好相反，图2 处于图3 状态下不满足设计要求，需重新考虑系统各元器件的搭建问题。分析图3：缸1 3 中活塞杆上行要求系统有较大驱动压力才能实现，因此当泵1向各缸供气时考虑能否先将缸7、9 的气路暂时断开，待缸1 3 中活塞杆上行至终了（或上升一段距离）后再接通，实现3 个缸的顺序动作；基于此思想，在缸7、9图4加单控式换向阀气路系统与主进气路之间接一个二位三通单气控常闭式换向阀716,并将阀1 6 的气控口K1接到主气路中,连接方式见图4；图示状态下，泵1 中的气体经阀2 左位分两路走，一路到气控口K1，一路到达缸1 3 有杆腔,由于驱动缸13活塞杆上行的压力远大于阀1 6 右位弹簧的调定压力，故气体将先驱动1 6 阀口换向，缸7、9 有杆腔被接入系统，又重复前述的缸7、9 先行退出、缸1 3 后退回的错误动作,故图4需做进一步改进。现考虑在气控口K1管路上加装单向阀1 7 及溢流阀1 8,并在缸7、9进出气路加装可调节流阀1 9 2 1,利用溢流阀1 8 压力调定范围宽及节流阀流量可调的特性来延迟缸7、9 的动作时间,利用单向阀1 7 正向导通反向截止原理可解决阀1 6 阀芯复位问题，这样即可保证缸1 3 先动作，缸7、9 再顺序动作的设计要求；绘制气动系统如图5所示。分析图5：图示状态下将阀1 7 2 1 调节到合适的开启压力及阀口开度时（防止阀1 6 突然换向出现误动作）,泵1 中的气体从阀2 经阀1 0 单向阀口进人缸1 3的有杆腔,缸1 3 无杆腔中气体从阀1 4经阀2 左位阀口流人大气，活塞杆上行松开工件。当缸1 3 行至终位（或退出过程中），系统压力升到阀1 8 开启压力时，阀16左位阀口被接入系统，此时系统气体从阀1 6 左位阀口经阀2 0 流入缸7、9 有杆腔，驱动两缸活塞杆退出松开工件,进一步分析：主系统在两缸接入之前压力就已经很高了，为避免两缸接入系统后因活塞退出速度过快损坏气缸（或撞击工件影响定位精度），将7、9 改装成双向缓冲式气缸。同时考虑压缩气体在排向外界过程中会有很大噪声,损害操作者身心健康，在各排气口1251415液压气动与密封/2 0 2 4年第4期处加装消声器,绘制系统如图6 所示。至此，系统夹紧缸1 3 缩回一定位锁紧缸7、9 退出动作实现，系统全部设计已完成。为区别于前述系统，将图6 各元器件重新编号并绘制气动系统如图7 所示。141310913101231621821.15M支图5加装阀1 7 2 1 气动系统131411.气泵2.卸荷阀3.脚踏式二位五通换向阀4.单向阀5.溢流阀6.二位三通气动式换向阀79.可调式节流阀1 0、1 2、1 5.双向缓冲式气缸11.工件1 3、1 4.单向节流阀图7 设计完成后的夹具气路系统口MTR109192120图 8 Automation Studio 7.0 Professional 软件K18WH自15M1图6 改装双向缓冲气缸7、9 及排气口加装消音器系统3Automation Studio 仿真分析将图7 在 Automation Studio 7.0 Professional 软件中建模如图8 所示。根据各缸的动作顺序要求，设置各气压元器件参数如表1 所示。12616气压系统建模23.1活塞杆伸出、缩回出仿真将表1 中数据录人 Automation Studio 7.0 Professional系统，仿真各活塞杆动作见图9、图1 0；分析3 个缸动作线性位置-时间特性曲线如图1 1 所示。系统刚启动时各缸伸出运行情况：由图1 1 知当压下图7 中阀3 手柄启动系统时定位缸1 0、1 2 先行伸出定位工件,活塞杆伸出长度与时间呈线性递增,活塞杆伸出在0 50 mm处3 个缸同步可有效提高设备生产效率。在51 2 50 mm长度范围内夹紧缸1 5运动速度开始降低，定位缸1 0、1 2 从伸出到停止持续时间为1.33s,夹紧缸为2.2 2 s，夹紧缸滞后定位缸0.8 9 s到达终点。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024表1气动夹具系统参数表气压元件参数泵1最高压力/MPa孔口直径/mm卸荷阀2开启压力/MPa最高压力/MPa图数值图5613.5W换向阀3单向阀4溢流阀5换向阀6节流阀7、9节流阀8缓冲式气压缸1 0、1 2单向节流阀1 3单向节流阀1 4缓冲式气压缸1 5杆冲程/mm活塞直径/mm杆径/mm外负载质量/kg最高压力/MPa弹簧刚度/N m=1弹簧自由长度/mm开启压力/MPa开启压力/MPa最高压力/MPa弹簧刚度/Nm=1弹簧自由长度/mm内径/mm最高压力/MPa最大直径/mm内径/mm最高压力/MPa最大直径/mm杆冲程/mm活塞直径/mm杆径/mm外负载质量/kg最高压力/MPa内径/mm开启压力/MPa内径/mm开启压力/MPa2501200.020.793.52501201.63.52023.520250502553.51527.8250502583.5图9活塞伸出系统仿真图图H图1 0活塞缩回系统仿真300250200150100梦50长0-50-10000:00:00 00:00:05 00:00:10 00:00:15 00:00:20 00:00:25 00:00:30图1 1 活塞伸出、缩回线性位置-时间图各缸活塞杆退出运行分析：夹紧缸1 5退出时所用时间为1.3 2 s，定位缸1 0、1 2 退出时间为1.7 7 s，缸1 5比缸1 0、1 2 退出快0.45s；另外，定位缸1 0、1 2 在退出起始段2 50 2 3 3.6 9 mm范围内现微小波动，这是因为缸1 5为垂直布置,泵在驱动其上升过程中，系统压力也在逐步递增，当系统压力升高至能够开启溢流阀5127缸1 0,1 2缸1 5缸1 0,1 2时间/s缸1 5液压气动与密封/2 0 2 4年第4期的压力时，换向阀6 阀芯突然换向将缸1 0、1 2 接入系统使系统压力突变所致,其波动长度在1 6.3 mm；由图知此段为零件加工完毕各缸退出过程，对零件加工精度无影响。分析正常运行后各缸活塞伸、缩情况：定位缸1 0、12伸出时运行曲线呈光滑线性递增，定位时间为1.33s；夹紧缸1 5运行曲线斜率较低，但曲线仍为光滑线性递增,活塞伸出时间为2.2 3 s;对比刚启动时系统各缸伸出情况区别不大，说明表1 中各元器件参数设置合理。退出时缸1 0、1 2 运行曲线呈光滑线性递减，不再有所波动,夹紧缸退出时运行曲线同前,系统正常工作后运行平稳；系统设计完全满足该批产品加工精度要求,设计成功。4实际使用效果将零件放人改进设计后的气动夹具系统，按照图纸要求进行切削加工，系统运行平稳，零件加工后对其数据测量并与图纸尺寸作对比分析，所有数据均满足新零件图纸设计尺寸要求，同时由于改进设计后的气动夹具系统减少了气动元件的使用率，设备占据空间大幅度减少，同时故障率也进一步缩小；相比前系统，新系统不仅能够胜任零件的加工要求,还能缩短采购、安装新设备的时间，使生产效率得到了保障；新系统不仅为厂家节省了大量购买新设备和维护设备的费用，降低了产品的生产成本，还为新产品的连续承接带来保障。5结论分析对比改进设计前后两套夹具总结如下：（1）改进后的气压系统结构简单，涉及的气压元器件少，系统搭建成本低，占地面积小，使用、维护成本较低；改进前系统使用气压元器件较多、占地面积大、系统搭建和维护成本高；（2）改进前系统使用了两个气压泵分别给主、副气路供气,系统的调压范围宽、系统压力调整容易；改进后系统所有气压元器件动作均由一个泵供气，系统的调压范围窄，,在协调各气缸顺序动作及换向阀开启时间上要求较高，系统压力调整复杂；（3）原系统使用的气压元件多系统的泄漏及故障引用本文：李双成.气动夹具系统改进设计 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（4）：1 2 3-1 2 8.LI Shuangcheng.Improved Design of Pneumatic Fixture System J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(4):123-128.128率高且不易诊断、改进后系统使用的元器件少、泄漏量小、故障率低且出现故障后诊断容易；（4）两套系统均使用气压传动，工作时执行零件动作迅速、反应快、调节方便，可利用气压信号实现自动控制；（5）原系统未加装消声装置，排气时有较大的排气噪声，对人体有伤害；新系统增加了消声装置可有效降低系统噪声，保护工作人员身心健康；（6）原系统使用普通气缸，在行程终了有较大冲击，影响工件的定位精度及气缸的使用寿命，新系统改用双向缓冲式气压缸,其活塞杆在快靠近工件时平稳接触，提高了工件定位精度及气缸的使用寿命。参考文献1卢红印.数控机床夹具液压控制系统的设计 J.机械制造,2 0 2 2,6 0(1 0):1 4-1 6,3 3.2 辛百灵，陈桂芳.立式双面数控键槽铣专用机床夹具设计J.传动技术,2 0 2 2,3 6(2):1 4-1 6,2 3.3白亚玲，胡阿林，杨怀忠.无障碍模块化快速组合夹具在某飞机支柱加工中的设计应用 J.机械工程师,2 0 2 2(6):167 169,172.4程瑞.气缸体总成侧面环槽加工专用机床及夹具设计J.湖北农机化,2 0 2 0(3):1 54-1 55.5朱卫峰，詹华西.大型低刚性板类工件铣削夹具改进设计J.制造技术与机床,2 0 1 9（1 1）：7 9-8 1.6陈小兰.机床夹具设计改进思路分析J.南方农机，2018,49(24):86.7程瑞,吕海霆.转向架轴箱专用机床及夹具设计 J.机床与液压,2 0 1 8,46(2 2):2 1-2 3,1 0 3.8刘雨鑫，周峰，张紫旭.基于基准点改进的数控机床夹具设计J.组合机床与自动化加工技术，2 0 1 8（8）：1 54-156.9王俊浩.机床夹具设计改进思路分析 J.现代制造技术与装备,2 0 1 8(1):1 41,1 43.10叶寒,郭映芝,刘华，等.制动器箱体零件液压自动夹具的设计 J.组合机床与自动化加工技术,2 0 1 6（5）：1 47-1 50.11黄全印.超精端面磨床夹具的改进设计J.现代车用动力,2 0 1 0(1):50 -52.12张艳,黄乾贵，任丽华.齿形磨削通用组合夹具的改进设计 J.煤矿机械,2 0 0 2(9):55-56.13王以平.滤芯孔枪钻机床钻模改进设计 J.现代车用动力,2 0 0 0(2):41 -50.