经济型模块化机床智能装卸夹片机的设计与应用

尹海宜

（柳州市威尔姆预应力有限公司，柳州 545005）

目前，预应力锚具大量应用于路桥建设、电站建设、高层建筑、岩土锚固、深基坑支护、超大超重构件提升、顶推、转体等诸多领域的建设和施工中。预应力锚具中的关键零件夹片有多个主要参数，如锥度、牙形、硬度、表面粗糙度等，其中锥度是最重要的设计指标，它表明了在允许锥度变化范围内的情况下，夹片所产生的夹紧力用以克服预应力筋承受桥梁荷载所需要的拉力，同时又不至于产生过大的载荷而使夹片变形。

现有加工机床在加工流程中主要经过以下9道工序：锯→锻造→车锥①→车端面②→冲字→磨外锥→攻螺纹→锯弹性槽→锯开（分为均匀两片）。其中，标记为①～②数字的工序为工人人工将夹片送上数控车床高速旋转的主轴的胀紧套上。由于车床主轴高速旋转，手工上料的操作工人面临极大的安全隐患。工人每天劳动8h，不断重复上料、下料、检测，工作很容易造成疲劳，一旦分神将会威胁人身安全。预应力锚具生产厂家决定设计夹片车外锥的自动装置，实现优质、高产、低成本的夹片生产。

中国的锚具生产基地主要有柳州、杭州、天津、成都和开封等城市，这些城市的预应力生产企业支撑着我国预应力结构工程（主要是新建高速铁路、高速公路和城际铁路）的紧张施工，贡献重大。近几年，我国基础建设项目猛增，市场对预应力锚具的需求量供不应求，所以大幅度降低夹片的生产制造成本同时提高夹片的生产量迫在眉睫。目前对夹片自动上下料机构实物研制的工作尚未见报道，其研究主要针对车外锥这个工序，而本设计则利用夹片机加工本体设备，实现了低成本、模块化、柔性化的智能生产。

1 设计内容

经济型模块化机床智能装卸夹片机由普通数控机床、电箱和夹片自动上下料机三部分组成，如图1所示。夹片自动上下料机分别与普通数控机床和电箱连接，其结构如图2所示。普通数控机床包括车床主轴、刀具和刀架，车床主轴、刀具和刀架均设置于普通数控机床上，车床主轴通过电机带动转动，刀具设置于刀架上。电控箱包括单片机、输入显示器和状态灯，输入显示器和状态灯与单片机连接。

夹片自动上下料机包括支撑板、下料管、给料器、推料气缸、运料气缸、给料板、给料气缸、下料拔叉、下料气缸和下料滑道，下料管为两端开口中空的管道结构，推料气缸设置于支撑板上，下料管固定设置于支撑板的上方，并且该下料管的下端口与支撑板之间的间距形成出料口，推料气缸设置于支撑板上并位于该出料口一侧，给料板位于该出料口另一侧，给料器为两端开口中空结构，该给料器顶部开设有进料口，下料管固定设置于给料器顶部并通过进料口与给料器相贯通，该给料器靠近给料板的一端口即为出料口。

图1 经济型模块化机床智能装卸夹片机的结构

运料气缸设置于支撑板上，给料板与运料气缸连接，给料气缸设置于给料板上，给料板上设有运料槽，运料槽包括槽板Ⅰ和槽板Ⅱ，槽板Ⅰ和槽板Ⅱ相对固定设置于给料板上，该槽板Ⅰ和槽板Ⅱ之间的间距形成运料槽，该运料槽一端口与出料口相对，运料槽中设有推板，该推板可沿着运料槽中移动，并且该推板与给料气缸连接。给料板通过导向限位杆设置于支架的支撑板上，支撑板上开设有与给料板大小相等的给料板通孔。下料气缸设置于支撑板上，下料拔叉与下料气缸连接，下料拔叉一端设有U形槽，支撑板通过安装板固定设置于普通数控机床上，支撑板位于车床主轴上方，下料拔叉的U形槽位于车床主轴处，下料滑道设置于机床上，下料滑道为有滑板、挡板Ⅰ和挡板Ⅱ构成的半开放式滑槽，该下料滑道的入口靠近车床主轴并位于车床主轴的下方处。通过下料滑道可将机床加工好的夹片运输到其他工序中，使得加工机床与其他工序连成整条的夹片自动生产线。

图2 夹片自动上下料机的结构

夹片自动上下料机上的各个气缸分别与电箱的单片机连接。使用时，夹片放置于下料管中，可将多个夹片依次排列放置，夹片较大一端朝下，通过推料气缸将夹片推送至给料板上（此时夹片翻转90°），通过运料气缸将给料板推至与车床主轴水平对齐处，再通过给料气缸将给料板的夹片推送至车床主轴上，车床主轴高速运转，车床上的刀具对夹片进行加工，夹片完成机加工后由下料气缸带动拨叉运动，将夹片从车床主轴上推落下来，再进行下一个夹片加工。

装配过程：用螺栓将夹片自动上下料机构固定在普通数控车床上。将电箱放置在普通数控车床上容易操作的地方即可。

工作过程：夹片加工结构均为锥形，将夹片小端面朝上依次进入下料管中，可通过振动盘保障夹片正确有序地进入下料管中，通过夹片自动上下料机构中不同的气缸进行正确定向，保证夹片内孔（夹片大端面内孔）对准车床内涨式心轴且大端面为定位面时进行自动上料；当夹片加工完毕后通过夹片自动上下料机构自动卸料（即将加工好的夹片通过下料拔叉从内涨式心轴中拔下），同时自动卸料的夹片具有一定的弹射距离和高度，使夹片实现大端面作为定位面坠落到下料滑道上，保证夹片坠落到自动输送线从而正确有序地输送到下个工序。

2 应用与效果

本设计就是在普通数控机床的基础上增加电控箱和夹片自动上下料机，使用时，夹片放置于下料管中，夹片较大一端朝下，通过推料气缸将夹片推送至给料板上，通过运料气缸将给料板推至与车床主轴水平对齐处，再通过给料气缸将给料板的夹片推送至车床主轴上。通过夹片自动上下料机，人们可以实现夹片加工过程中的机械自动上下料，解决现有手工上下料的问题。本设计使用安装简单，提高了生产的安全性、可靠性和稳定性，减轻了劳动工人劳动强度，改善了工人工作环境，可直接用在生产线上。因其成本低，回报高，市场前景广阔。

本设计通过电箱对夹片自动上下料机进行控制，减少电气元件的装配工作量。电气连接和线束组装采用触摸屏PLC继电器集成的一体机，只需配电源和按钮即可。此应用主要是减少电箱总的组装时间，目的是为了指导设计者减少成本和更容易地制造产品。利用夹片机加工本体设备不专门针对某种型号机床设备，满足了低成本、模块化、柔性化智能生产的需要。

降低生产制造成本：夹片车锥这道工序，如果采用专门定制的专用数控精密车床来生产，按照月产100万孔计算，专机需要12台，每台成本13万，大概需要投资170万元。如果采用本套模块装置在普通数控机床上改造，本设计每台成本低于6000元，同样按月产100万孔夹片计算，投资这道工序只需70万元，远远低于市场上同类产品，性价比非常高，经济效益显著。和原来老式工艺相比，工人由原来的16人减少至4人，每年至少减少人工成本60万元。同时，这有助于推进企业技术的更新换代，加快企业的发展步伐，提高市场竞争力。

3 结语

经济型模块化机床智能装卸夹片机构造复杂，包括普通数控机床、电箱和夹片自动上下料机，自动上下料机分别与夹片机床、电箱连接。其中，夹片自动上下料机包括支撑板、下料管、推料气缸、运料气缸、给料板、给料气缸、下料拔叉和下料气缸。本设计利用夹片机加工本体设备，实现了夹片加工过程中的机械自动上下料，达到了低成本、模块化、柔性化智能生产的目的。