一种多功能宽适应电动装夹平台的研究

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在机械加工中，工件的定位与夹紧是重要的工艺步骤，对于加工质量和加工效率的提高均有直接的影响，提高定位和夹紧的效率-直是工艺技术人员不断努力的方向。在大批量生产中，开发设计专用夹具是提高装夹效率较为有效的途径。但对于以单f牛/小批量生产为主的冶金机械、矿山机械等零件的加工，采用专用夹具会因专用夹具的制造费用高而使单件制造成本增加，经济性较差。因此发展具有通用性好的夹具是较好的选择，可以提高夹具的利用率，降低工件的夹具费，从而降低工艺成本。在工件装夹中，平口虎钳的利用频率较高，但平口虎钳在使用中存在-些问题：如不便装夹轴类零件，受钳口大小的限制装夹范围有限，虎钳高度方向上工件调整不便等。为改善工件的装夹条件，本文开发出多功能宽适应电动装夹平台，该平台具有以下特点：采用电动机提供动力对工件进行夹紧，且夹紧力可调；装夹适应范围宽，既可装夹短轴类零件、板类零件，组合后也可装夹长轴类零件和梁类零件。

1 装夹平台总体方案设计1.1 夹紧方案设计在生产中，轴类零件常采用 V形块实现装夹，板类零件常采用平口虎钳实现装夹。V形块难以对板类零件进行装夹，装夹轴类工件的尺寸范围也不大；同样平口虎钳难以对轴类零件进行装夹，受钳口调节范围限制，装夹板类工件范围也较小，这便限制了装夹工具的利用率，适应性差。为提高装夹装备的利用率，提高其通用性，本文设计-种装夹方案，如图1所示，该装夹方案夹紧尺寸范围宽、通用性好 ，可以装夹轴类零件，也可装夹板类零件。

装夹轴类零件如图1 a所示，该夹紧机构主要工作部分由升降底板、可调夹块和动力夹块组成。升降底板可以实现上升和下降(y方向)，其工作面上设计有- 小 V形槽，实现对轴类零件的防滚作用和初始对心作用，但不起定位作用∩调夹块为平 口钳，可左右伸缩( 向)，实现对轴类零件的左限位；动力夹块可以实现左右伸缩 ( 向)，动力夹块夹持工作面为-圆弧面。当夹持工件时，在高度方向上(y方向)，使工件中心处于动力夹块夹持点的下方，如图1a中装夹小直径轴的尺寸 h 和装夹大直径轴的尺寸 。对小直径轴作受力分析，由于 h 的存在，动力夹块提供的夹持力 在y方向的分量F 垂直向下，与重力G重的方向-致，有利于工件的夹紧。

装夹板类零件如图lb所示，其装夹方式与普通平口虎钳的区别是：升降底板、可调夹块、动力夹块均可以大范围移动，大大提高了装夹工件的尺寸范围。

832013年第3期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)f ， . Ⅳ、 -广 /，.] /- y.上'l /， I 、 I l I 1 ～：/ 可、- ～ -，，iy j 、 底板[ - . ，Ja)装夹轴类零件L-、、.-b)装夹板类零件图1 夹紧方案1.2 平台总体结构设计为实现图1所示的夹紧方案，设计了装夹平台，其结构如图2所示。该装备通用性好、利用率高，每-工件的分摊夹具费用低，采用电动夹紧降低了劳动强度。动力夹块6的左右伸缩和升降底板30的上升下降均由减速电动机1提供，两者不同时动作。

在工件定位时，通过手柄 11的逆时针旋转，使端面凸轮 13旋转，从而带动安装在拨叉 10上的销子向下运动，即拨叉 10向下运动，使滑移齿轮 23与齿轮25啮合，从而将减速电动机 1的动力经过蜗轮 20、蜗杆套21及滑移齿轮23传人轴26，轴26上部为螺纹，与升降导柱2形成螺纹配合状态，由于升降导柱2受键3的限制，不能旋转，只能轴向移动，当轴26旋转时，便能带动升降底板上升或下降，从而调整工件高度方向的位置。

在工件夹紧时，将手柄 11顺时针旋转，使滑移齿轮23与齿轮9啮合，减速电动机1的动力便会通过蜗轮20、蜗杆套2l及滑移齿轮23传人轴19，轴19上部为螺纹，与导柱8形成螺纹配合状态，由于导柱8不能旋转，只能轴向移动，便带动杠杆7产生旋转，从而带动动力夹块 6伸或缩，实现工件的夹紧或松开。

84图2 装夹平台结构1.减速电动机 2.升降导柱 3.键 4.手轮 5.可调夹块6，动力夹块 7.杠杆 8.导柱 9.齿轮 1O.拨叉 11.手柄12.钢球 l3.端面凸轮 14.调节螺栓 15.推块 16.轴17.弹簧 18.限位开关 19.轴 20.蜗轮 21.蜗杆套22.轴 23.滑移齿轮 24.轴 25.齿轮 26.轴 27.推块28.刻度盘 29.调整螺杆 30.升降底板由于杠杆 7的夹紧行程不大，为增大动力夹块 6的夹紧行程范围，将动力夹块6的结构设计成可调形式，在动力夹块 6的下端加工出锯齿形螺纹，与推块27上的锯齿形螺纹形成配合，通过手工调整二者之间的相互位置，可以调整动力夹块6的初始位置∩调夹块 5也设计成可调结构，由手轮 4手动实现可调夹块 5的伸缩，可调夹块 5不提供夹紧力，只起限位作用。

2 主要参数的设计计算2.I 弹簧调定弹力的计算为实现夹紧力的调整并使达到夹紧力时减速 电动机停转，在蜗轮蜗杆副的设计上有别于传统结构。

如图2所示，将蜗杆套 21通过内孔花键套装在轴24上，蜗杆套2l左端靠在轴肩上，右端靠在弹簧 17上。

当夹紧力较小时，弹簧 17的调定弹力大于蜗杆套 21啮合时产生的轴向分力，蜗杆套21不会产生向右的轴向移动，便不能压下限位开关 18，夹紧动作将继续进行。当夹紧力过大时，蜗轮20对蜗杆套2l产生的轴向推力超过弹簧17的调定弹力时，蜗轮20便会推动蜗杆胡运林 ：-种多功能宽适应电动装夹平台的研究 2013年第 3期套21克服弹簧弹力向右移动并压下限位开关18，从而使减速电动机1停转。弹簧17弹力的调定是通过调节螺栓 14实现的。拧动调节螺栓 l4，会推动推块 15，推块 15又会推动弹簧17并使之产生压缩变形，从而使弹簧17产生弹力。以下将对弹簧17的调定弹力进行计算。

设工件所需水平夹紧力为 F ，杠杆 7的两力臂为等长，则由轴 19上端螺纹产生的上举力等于 F 。由此可得用于克服螺纹副间的螺纹转矩 为：鲁tan( )式中：d 为轴 19上端螺纹中径 ； 为轴 19上端螺纹升角；p 为当量摩擦角。

根据力矩平衡条件，转矩 与蜗轮所受转矩 大小相等、方向相反，因此可得蜗轮所受转矩 T1，则蜗杆套所受轴向力 为： tan(帅 ) 诅 式中：d 为蜗轮分度IN直径。

螺母材料的强度低于螺杆，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏 多发生在螺母处，根据螺母 弯曲强度条件有：≤ Z0，rrdb 。 。 (7)式中：Q。为螺母承受的轴向力；ho为螺纹牙宽度，h。

0.75p4.5ram，P为导程，P6mm； o为旋合圈数，z08；d 为螺母卸，d 31mm；6为螺纹牙根部宽度，60.74p4.44mm；[ ]为材料的抗拉强度，[ ]54N/mm 。

将上述数据代入式(7)，可得出螺母所能承受的极限轴向力 Q 61 405N。

考虑到安装工件时会有-定的冲击振动，因此取装夹平台的承重能力为5 X 10。kg。

(2) 3 装夹平台的特点蜗杆套所受轴向力 F 与设定的弹簧弹力应大小相等，产生的弹力 为：F (3)式中： 为弹簧弹性系数，N/mm；x为弹簧调定变形量。

将式(2)代人式(3)有：： s： 丝 (4)， ， ， 、 。，U 设计轴 19上端螺纹为 M30，则 d 27.727mm，2.302。，P 6.587，d 120mm，将数据代入式(4)有： 2 7 67k (5) d口 。

、取弹簧中径 D：52ram，有效圈数 z8，弹簧丝直径 d6ram，弹簧丝的剪切弹性模量 G80 O00N/mm ，则弹簧弹性系数 .i为：： ： 80 00064：11.52 - - - 08D2 8×52 ×8将 南11.52代入式(5)，有：xFJ319 (6)根据具体加工对象和加工条件，可以估算出所需夹紧力F ，然后根据式(6)，可以对弹簧的压缩量进行调定。

2.2 平台的承重计算由图2所示，轴26上端的螺纹及其配合螺母上承受了工件的重量。设计轴 26的螺纹为锯齿形螺纹在使用时，如是轴类零件的装夹，需首先通过电动方式调整升降底板的位置，如需精确调整，可以点动调整，也可以通过轴 24右端设置的扳手位置，通过扳手拧动轴 24来进行手动微量调整。上下位置调整好后 ，可以通过转动手轮 4进行 方向的定位，当转动手轮4时，装在调整螺杆29上的刻度盘28也-同旋转，通过控制刻度盘28上的旋转刻度，便能控制可调夹块 5在 方向的位置。设计调整螺杆29为 T型螺杆 ，其 螺 距 为 6mm√ 度 盘 28外 圆尺 寸 为b250mm，其上等分圆周的刻线数 目为 120，则每转动- 个刻度，可调夹块 5在 方向的移动距离为0.05Inm。如需精确调整，可利用深度游标尺测量并通过转动手轮 4来控制可调夹块 5的伸出量。在 和 y两个方向的位置确定好后，采用电动方式使动力夹块6左移实现自动夹紧。

装夹板类零件与装夹轴类零件的步骤-样。该装夹平台在使用上，可以夹持轴类零件和板类零件，图3a所示为夹持短轴类零件，图 3b所示为夹持短钢板类零件。通过两装夹平台组合，可以夹持长轴和长板类、梁形结构零件，如图3c和图3d所示。

该装夹平台夹持轴类零件的尺寸范围为 50mm～b320mm，夹 持板 类、梁 类零 件 的宽度 为 50ram ～320mm，高度应大于50mm。该装夹平台主要用于大型落地式镗床、龙门镗铣床等重型镗铣类机床∩以完成轴类、板类和梁类零件或部件的组装、攻丝、清整等装配工作。

852013年第3期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)ⅡJ llhr bE]目b)夹持短钢板、钢椴L Ⅱj1n I白匕圄- 梁圈ⅡJ ln I 上J l to ，b。 ! b图3 装夹示意d)夹持梁能、宽适应电动装夹平台的设计思路和技术路线，设计出能满足轴类、板类和梁类零件装夹的通用装置。

该装置改变了传统轴类零件装夹和板类零件装夹夹具的布置结构，静钳口、动钳口和底板均能实现位置的快速重调；使用电动机提供夹紧动力，并通过蜗杆组件的柔性化设计，可保证夹紧力的有效调整。