数控机床拉钉器系列化设计

■常州机电职业技术学院（江苏 213164）郝 超

数控机床工具系统中的拉钉，尽管各个国家的标准不同，但用于加工中心自动换刀的松、拉机构基本相同：松拉元件钢球或弹簧爪作用、蝶形弹簧拉紧和液压缸松开。钢球是标准件极易配套，点接触不如弹簧爪线接触或面接触使用寿命长；蝶形弹簧组动作速度响应快，但体积大，特别是本身轴向尺寸大，与松刀油缸轴向串联安装尺寸更大，使便于实现自动控制的拉钉使用场合受到了极大限制。

本文提出了拉钉器的新概念，提取了以运动活塞直径为主参数，安装方式、检测方式、松拉程度、松拉行程和拉紧力等为技术参数，以寿命长的弹簧爪为松拉元件，直接用液压或气压缸实现松拉动作，研发了拉钉器的多种结构图谱，进行了系列化、标准化设计，作为数控机床新的基本功能部件，扩大应用范围，解决了类似于双工作台或托盘交换的定位夹紧、铣头自动更换定位夹紧、主轴自动更换定位夹紧等任意两个机械部件间复杂的自动离合松拉问题。

1.拉钉应用结构图谱设计

（1）安装设计：两个被拉钉所拉紧的部件称为可动部件和固定部件，本拉钉应用结构装置称拉钉器。拉钉常与可动部件通过螺纹固定联接，拉钉器的安装需要考虑宽泛性，暴露在固定部件之外的拉钉器安装空间大、管路布局方便，与固定部件间选用螺纹联接，简称螺接式（见图1）；安装在固定部件实体内孔的拉钉器选用轴孔配合联接，简称内嵌式（见图2），固定部件实体中还可以开设管道通路，结构紧凑。

（2）检测设计：为方便使用要求，拉钉器可以自带拉钉拉紧、松开位置检测感应块或行程撞块（见图3、图4），简称为检测式拉钉器，与用户安装的无触点开关或行程开关匹配，可以实现位置自动测量反馈功能，无检测功能的拉钉器名称中没有“检测字样”。

图1 螺接式拉钉器

图2 内嵌式拉钉器

图3 检测式拉钉器

图4 无检测式拉钉器

（3）松开程度设计：根据拉钉器与拉钉的松开程度不同，设计两种拉钉器（见图5、图6）。一种是松开后，拉钉器与拉钉能完全分离，简称离合式拉钉器；另一种是松开后，拉钉器与拉钉仅能离开一定距离，但始终连成一体、不能完全分离，简称松拉式拉钉器。

（4）拉钉器命名：可分为安装方式、检测方式和离合方式三大类，每类分两种排列组合，可获得8种拉钉器，分别命名为螺接测量离合式拉钉器、螺接离合式拉钉器、螺接测量松拉式拉钉器、螺接松拉式拉钉器、内嵌测量离合式拉钉器、内嵌离合式拉钉器、内嵌测量松拉式拉钉器和内嵌松拉式拉钉器。

（5）结构设计：以螺接测量离合式（见图7）为例设计拉钉器具体结构，其他拉钉器可以触类旁通。

缸体1用细牙螺纹与被离合某静止部件（图中未画）固定联接，拉钉7与可动部件（图中未画）也通过螺纹固定联接。两个部件靠近后由拉钉拉紧，松开拉钉后两个部件可分离。拉钉被拉紧、松开的两个位置由螺钉19固定在信号杆13上的信号块20触动用户安装的无触点开关或行程开关测量反馈信号。

当拉钉7插入拉钉器一定位置后，即到达弹簧爪6收缩能抓住拉钉的头部时，油口Ⅰ进、油口Ⅱ出压力油或压缩气时，推动运动活塞2前行挤压滑块3沿静止活塞4端面径向向心收拢，滑块3斜面推动内置拉钉5斜面带动其后退，后退的同时拉动弹簧爪6收缩入衬套8、可靠抓住拉钉7，滑块3继续径向下行移动的同时，逐渐被前行的运动活塞2的内腔所限位，信号杆13缩入拉钉器到位，完成拉紧动作。

当油口Ⅱ进、油口Ⅰ出压力油或压缩气时，推动运动活塞2后退逐渐解除对滑块3的径向限位，压力油或压缩气推动内置拉钉5前行的同时，其斜面顶起滑块3沿静止活塞4端面径向离心发散、推动弹簧爪6前行伸出衬套8而逐渐自动胀开，运动活塞2后退顶触堵盖15时，信号杆13伸出拉钉器到位，弹簧爪6完全胀开，完成松开动作，拉钉7可完全脱离拉钉器。

衬套8、16和两道活塞环11起耐磨支撑作用，挡圈17压紧堵盖15，橡胶密封圈9、12、14起密封作用。

（6）系列化参数设计：给定运动活塞一系列直径主参数作为拉钉器型号，分别拟定安装尺寸、外形尺寸、松拉程度等，计算松拉行程、在给定系统压力下的相应拉紧力大小等，可获得类似于标准件的拉钉器系列（见图8）。

2.拉钉器应用实例

图5 离合式拉钉器

图6 松拉式拉钉器

图7 螺接测量离合式拉钉器

图8 系列化参数设计图例

图9 托盘定位夹紧

图9所示100型内嵌离合式拉钉器应用于某高速高精度、630 mm×630 mm工作台的柔性制造单元的托盘定位夹紧机构，每一个托盘下用4 只，布置在500 mm×500 mm矩形的4个角上。内嵌离合式拉钉器9安装于工作台滑鞍10的配合孔中，中空短锥销6套在内嵌离合式拉钉器上，并用螺钉紧定于工作台滑鞍，锥形定位套4通过调整垫3用螺钉与托盘2固定联接，拉钉1螺接在锥形定位套上，锥形定位套和中空短锥销锥面、端面同时接触定位，内嵌离合式拉钉器通过拉钉拉紧托盘，内置拉钉8加修中孔，安置活动堵5、压缩弹簧7用于防尘，孔堵12、橡胶密封圈11用于密封气路，压缩空气将定位前的锥形销副清理干净。在70MPa系统压力下，实测得总夹紧力为685 kN，稳定的夹紧总行程为10.3 mm，剥离托盘本身高度误差后，托盘交换等高误差在0.013 mm内、定位精度0.017 mm、重复定位精度0.067 mm，托盘夹紧前后，其台面平面度变化误差在0.003 mm内，基本没有变形，获得了满意的应用效果。

3.结语

本系列拉钉器可以用于任意两个机械部件靠近拉紧、松开离开或分离的场合，也可以用于航天、航空和军工等领域的两个部件对接后自动拉紧，用途广泛。拉钉器结构紧凑、体积小，根据需要可以多点并列安装，能成倍扩大拉紧力；拉钉器图谱方便系列化研制，供用户像标准件一样选用；开放式设计，可以不断增加、完善结构品种和规格大小，满足更多场合的需求；精度高、拉紧行程一致性好、拉紧力大小波动小；松、拉速度快，安全可靠。

[1]周保牛，王晓强.多用途数控转台的设计与研究[J].机械设计与研究.2007，23（6）：113-118.

[2]袁贵栋，李翠英，任有志，等.利用一台数控车床和一台数控铣床组建柔性制造单元[J].组合机床与自动化加工技术，201l (11)：89-95.