桥臂类零件自适应专用夹具的设计*

叶 俊

(浙江机电职业技术学院 智能制造学院，浙江 杭州 310053)

0 引 言

随着工业4.0的发展，复杂零件、异性零件的加工也越来越普遍，为保证该类零件的加工，业界对夹具的设计也提出了智能化、精准化的要求。夹具设计的合理性、有效性直接影响了复杂零件、异性零件加工的效率和产品的质量。其中，因为其自身具有夹紧稳定、操作简单等特点，液压夹具得到了大量应用。

张文凡等人[1]针对液压夹具易受外界干扰的问题，提出了一种自适应的液压夹具系统；邹德强[2]提出了一种用于柔性生产线的液压夹具。在气压夹具方面，王细洋等[3]研制了一种气动控制柔性快装夹具；马进中等[4]利用数控机床内的PLC控制器对夹具进行了研究，通过数控机床的电气系统来控制气动夹具动作，提出了一种气动多工位夹具。

某桥臂零件的加工量为500件/月，生产设备为数控加工中心，材料为铸件。该桥臂零件的毛坯表面粗糙，且外形不规则，加工时需人工花费大量精力进行找正、定位及装夹。为了解决该难题，通常需要借助于专用夹具进行装夹。为了减轻劳动强度，并确保一致的夹紧力，通常夹具应采用自动装夹的方式来夹紧工件，以在保证加工质量满足生产要求的基础上，尽量提高生产效率，并降低工人的劳动强度[5]。

针对以上问题，笔者将在对桥臂零件的图纸和加工工艺进行分析的基础上，设计一种桥臂替换的自适应专用夹具。

1 桥臂零件的分析

1.1 零件图分析

以某桥臂零件为研究对象，因其具有重要的导向和传递力的作用，对连接精度有很高的要求，其桥臂图(头部)如图1所示。

图1 某桥臂零件图(头部)

图1中，该桥臂零件的材料为铸铁，最大轮廓尺寸为419 mm×239 mm。其加工结构特征是：该桥臂头部共有7个尺寸不同的内孔，4个内孔对称分布在轴心线两端，另外3个内孔均匀分布在头部虚线圆的3等分处。

根据图1可知：零件头部需加工的7个小内孔皆有位置度要求，除了3个M6-6H螺纹内孔外，φ14内孔粗糙度要求达到6.3，φ10内孔粗糙度要求达到3.2。在加工中，针对7个内孔的位置度加工难以保证精准，由此需要设计一个专用夹具来满足其生产要求。

1.2 加工工艺分析

本文通过零件公差等级、加工表面尺寸确定工序余量，再确定表面加工方法，根据零件材料以及粗糙度要求选择合适的刀具。

桥臂(头部)加工方案如表1所示。

表1 桥臂(头部)加工方案

2 桥臂专用夹具的机械结构

该夹具主要是解决工件定位误差大和装夹困难等难题，因工件毛坯属于异形件，毛坯两侧存在高度差、毛坯整体尺寸较大的问题，在夹具设计中需要支撑元件支撑工件，利用浮动元件辅助毛坯进行夹紧。所设计的专用夹具主要由定位元件、夹紧元件、支撑元件、辅助元件等组成。

以桥臂零件的内孔为定位基准，为了简化夹具结构，保持基准统一，本文采用一面两销定位设计：支承板为第一基准限制x、y方向的转动和z方向的移动，圆柱销为第二基准限制x、y移动，菱形销限制z转动，限制了毛坯的6个自由度，属于完全定位。利用油压顶出型支撑元件辅助支撑毛坯，液压夹紧元件装夹工件。在底板上选择两销位置，将辅助元件支撑台放在内孔其中一定位销中，以另一定位销为圆心安置定位环；在支撑台上放置中部压紧油缸和浮动支撑，在其前端放上浮动支撑油缸；在前部和定位环两端放置前部压紧油缸和后部压紧油缸夹具。由于工件毛坯以货车桥臂的2个定位孔为基准进行粗定位，且具有浮动支撑，使毛坯的定位相对稳定可靠。

夹具整体结构如图2所示。

图2 夹具整体结构图

3 桥臂专用夹具的液压控制

夹具进行结构设计后，需对夹具的控制系统进行规划，由于人工操作存在定位误差大、耗时长、不统一等缺陷，结合零件加工所需，本文采用数控机床的液压系统实现毛坯的辅助定位、夹具的夹紧、夹具的松开等来解决存在的缺陷[6]。

3.1 夹具动作流程

笔者将工件放置在夹具的定位元件上后，启动数控程序，浮动支撑升起支撑工件。动作完成后，液压转向阀开始工作，夹紧装置启动，旋转液压缸带动压板向下压紧工件，此时将通过信号检测夹紧力，如夹紧力不够则停止所有工作并在数控系统中显示报警，如压力正常则继续启动数控加工程序，进行毛坯的切削加工。加工结束后，液压转向阀开始工作，浮动支撑缩回，压板松开工件并旋转至合理位置不干涉工件的取出。

桥臂零件专用夹具动作流程如图3所示。

图3 桥臂零件专用夹具流程

3.2 液压控制回路

当工件放置在夹具上，机床程序未运行时，此时液压泵输送的油液都被阻隔在三位四通换向阀下，所有的油缸油路都未接通，夹紧装置未启动，只有在接受收到指定的命令后，液压控制回路才会工作[7]。当得到信号后，1号电磁阀左端接通，打开回路，油液经过液控单向阀，到达浮动支撑油缸，使液压缸工作，带动支撑头上行，在碰到工件后立即停止上行并加压锁死支撑工件。接着2、3、4、5号电磁阀左端接通，油液通过单向阀进入使液压缸，使液压杆运动，从而带动压板压紧工件。

夹具夹紧液压图如图4所示。

图4 夹具夹紧液压图

在加工程序运行结束后，接收到信号后，5、4、3、2号4个电磁阀右端接通，改变油液通入方向使油液从另一端进入，提供反向推力带动压板松开上升，解除夹紧。最后接通1号电磁阀右端，同样转换油液方向，使支撑头下降返回原点，完成动作。夹具复位，此时可以取出工件，完成加工。

4 桥臂专用夹具的电气控制

夹具的控制有数控机床的程序代码进行控制，在完成了液压控制方案设计后，需对其电气控制进行设计[8-10]。可以利用机床上内置的PMC编程控制器进行二次开发，通过指定的M功能指令，来实现液压夹具工作动作，从而实现自动装夹，提高加工效率。具体流程如下：运行加工程序，利用自定义的M15指令，控制A缸动作，上升支撑工件，同时也检查支撑状态；同样地使用M25、M35、M45指令，控制B、C、D缸动作，锁紧工件并检查锁紧状态。工件加工完成后，使用M16、M26、M36、M46指令，A缸、B缸、C缸和D缸松开返回，取下工件，完成操作。

4.1 电气控制I/0口信号

依据夹具的工作过程还有加工安全可靠性的考虑，定义的M功能指令，I/O口信号地址，中间继电器以及电磁阀。

为实现夹具的自动装夹、松开，完成加工动作指令，本文通过自定义M指令控制夹具夹紧元件的压紧，松开；对I/O口输出信号的地址进行设定，选取符号，并添加注释；对中间继电器进行编号，对输出地址进行设定；对三位四通电磁阀进行编辑。

I/O口定义与说明如表2所示。

表2 I/O口定义与说明

当SP1闭合后，即表示液压回路不连通，液压控制回路液压欠压，机床发出报警信号，应立即停止机床工作；当SQ1接通后，回路连通，表示A缸锁紧信号到位，其代码动作指令完成。SQ2联通后，则显示B缸的夹紧动作完成，信号到位。

输出控制如图5所示。

图5 输出控制

当Y66.0线圈得电，中间继电器KA1得电，KA1的常开触点闭合让电磁阀YV1得电，使A液压缸油路接通执行动作；浮动支撑油缸支撑头上行碰到工件后停止并继续加压支撑工件。

之后的Y66.7线圈得电，输入控制信号如图6所示。

图6 输入控制信号

依据液压夹具的控制方案及数控铣床内置的PMC功能，实现液压夹具所需要控制动作的M指令的自定义、安全故障报警设置[11]。通过编制数控机床PMC梯形图实现上述功能。

4.2 夹具电气控制系统的实现

完成PMC程序编译后，可以将自定义的M指令嵌入工件加工程序，利用数控程序控制数控机床的PMC信号，实现利用数控加工程序控制夹具液压元件的执行目的。自适应夹具运行程序如下：

O4567；(数控加工程序名)

G21；(定义加工尺寸为公制)

G17 G40 G49 G80；(数控代码初始化)

M06 T02；(更换所需切削刀具)

G90 G55 X65 Y30 S1800 M03；(主轴转动，定义下刀点)

M15；(A缸上升支撑工件)

M25；(B缸夹紧工件)

M35；(C缸夹紧工件)

M45；(D缸夹紧工件)

……；(零件加工的数控加工程序略)

M46；(D缸松开工件并旋转复位)

M36；(C缸松松开工件并旋转复位)

M26；(B缸松开工件并旋转复位)

M16；(A缸下降复位)

M30；(程序停止)

5 桥臂专用夹具在生产中的验证

该桥臂零件自适应专用夹具在生产中已进行了验证。设备为浙江凯达机床股份有限公司生产的6540数控加工中心，系统为FANUC oi-MD系列。经过验证，该夹具在生产效率、加工质量上具有较为显著的效果，装夹效率提高了287%，定位调试效率提高了333%，产品报废率降低为0%。

人工装夹与夹具装夹定位的统计数据如表3所示。

表3 人工装夹与夹具装夹定位的统计数据表

6 结束语

结合企业生产所需，本文提出了自适应夹具的设计，对被加工零件进行图纸分析，结合加工工艺，对夹具进行了机械结构设计；对夹具的液压控制系统进行了设计，再者对夹具的电气控制系统进行了设计，最后利用数控机床的程序对夹具进行了夹紧及松开控制，达到了自动控制目的。

该专用夹具采用液压控制，其设计具有定位精确、节省人力的特点，能有效解决定位误差大、装夹不牢靠等问题，对桥臂零件的大批量生产带来便捷，提高效率，降低劳动强度。同时该夹具的开发也能为同类产品夹具的开发提供借鉴。