可移动自动式装夹、翻转托架机构的设计

赵树岩 陈征强 高忠宝

(1．齐重数控装备股份有限公司，黑龙江161005；2．中国第一重型机械股份公司，黑龙江161042)

在龙门铣床和落地镗床等机床加工大型转子或轧辊等轴类零件过程中，经常需要完成零件表面不同位置的平面、槽、孔、螺纹等加工工序。由于工件大小、长短、加工部位等不同，需要将工件装夹、松开、翻转、多次装夹，每次装夹后需要重新找正，费时又费力，增加了劳动强度。因此设计了可移动自动式压紧、翻转托架，可以在一定的规格范围内，自动实现工件的装夹、松开、翻转、再装夹等工作，操作即简单又便捷。实现了工件加工的准确性，提高工作效率，降低了劳动强度。

1—基板平台 2—工件 3—中心架 4—钢索或铰链5—软着陆托架 6—驱动电机 7—减速器8—驱动辊 9—锁紧油缸 10—调整伸缩油缸图1 可移动自动式压紧、翻转托架Figure 1 Movable automatic clamping and overturning bracket

1 结构组成

可移动自动式压紧、翻转托架机构的组成包括基板平台、中心架、钢索或铰链、软着陆托架、驱动电机、减速器、驱动辊、锁紧油缸、调整伸缩油缸，如图1所示。

2 工作原理和操作步骤

2.1 工作原理

本结构是根据液压缸缓冲阻尼及摩擦轮的工作原理进行设计的。

液压缸是将机械能与液压能相互转换的液压系统。其将作用在液压缸上的输出力转化为液压压力，液压缸输出力F为：

F=PA

式中，P为液压压力；A为液压压力作用下的缸体截面积。

摩擦轮是利用直接接触并相互压紧的两摩擦轮间的摩擦力，将主动轮的运动和转矩传递给从动轮，其传动功率N为：

式中，F为压紧力；μ为摩擦系数；D为工件轴径；n为工件转速；KA为工况系数。其结构简单，便于制造，使用方便，易操作。

2.2 操作步骤

根据工件重量，设定软着陆托架升降油缸的压力。驱动辊支撑工件，工件脱离中心架0.5～1 mm为宜。操作控制驱动电机，通过减速器驱动托辊带动工件，根据划线位置翻转工件，达到要求位置后，停止翻转，进行下一步加工工序。完成工序后，操作进行下一个翻转，直至全部工序完成，拆卸工件。具体操作步骤如下：

(1)根据工件重量确定装夹位置和装夹距离。

(2)操作控制调整伸缩油缸，将中心架移动到合适位置，中心架夹紧固定到基板平台上。

(3)操作升起软着陆托架，使软着陆托架高出中心架3～5 mm。

(4)工件放置在软着陆托架上，由于工件的重力作用，软着陆托架下沉，控制软着陆下降速度，将工件平稳落在中心架上。

(5)用钢索或铰链缠绕工件，建议在工件和钢索或铰链之间铺设软橡胶皮，防止损伤工件表面，控制锁紧油缸，拉紧钢索或铰链，使工件在中心架上夹紧。

(6)在机床上加工相应工序。

(7)加工完成后，控制锁紧油缸，放松钢索或铰链。

3 结构特征与参数选择

3.1 结构特征

(1)可移动自动式压紧、翻转托架机构共有两个中心架，一个中心架固定在基板平台上(也可采用移动式)，另一个中心架由调整伸缩油缸推动，根据工件支撑范围的位置进行调整。

(2)两个中心架支撑均采用V字型结构，与工件接触的支撑板可以采用铸造铜合金、铝合金、高强度尼龙、酚醛层板等硬度相对工件硬度低的材料。可以实现支撑板的调节和更换，避免工件起落、翻转过程中刮伤。

(3)中心架支撑内侧均装有具有软着陆作用的翻转托辊，托辊材料采用高强度塑木板，翻转托辊下部装有缓冲油缸。

(4)工件吊装时，首先工件落在翻转托辊上，由于翻转托辊下面的缓冲油缸的作用，减轻了工件对托架的冲击，避免工件与中心架的撞击，很好地保护了工件。

(5)工件平稳着陆后，由中心架内安装的锁紧油缸拉紧钢索或铰链实现工件的夹紧，钢索或铰链与工件间铺设橡胶皮，用以保护工件。

3.2 设计参数的计算与选择

该机构设计需要进行软着陆缓冲计算、翻转时托架顶起力计算、翻转时驱动电机计算。这三方面计算是机构液压设计和电气设计的前提与基础。

3.2.1 软着陆缓冲计算

软着陆托架缓冲控制采用液压阻力的工作原理。根据工件的重量调节液压阻尼力F1，由于软着陆托架为两套，因此液压阻尼力F1应按工件重量的一半考虑。设计计算时取液压阻尼力F1为工件重量W一半的80%～90%为宜。

例如：设定工件重量W=2000 kgf≈20 kN，油缸活塞直径D=60 mm。计算阻尼力和油缸供油压力。

液压阻尼力F1为：

F1=0.5×(0.8～0.9)W=8～9 kN

升降油缸液压阻尼压力P1为：

根据液压系统的要求，可以选择设置系统压力为3 MPa。

3.2.2 软着陆托架顶起力F2计算

翻转时，软着陆托架的顶起采用与软着陆同一套机构。软着陆托架的顶起力与缓冲阻尼力的作用方向反向，同样采用液压油缸的工作原理。由于托架为两套，因此软着陆托架的顶起力按工件重量的一半考虑。设计计算时，取软着陆托架的顶起力F2为工件重量一半的110%～120%为宜。工作时由于托架为两套调整液压阻尼缸，压力圆整取值，取P=3 MPa。

例如：设定工件重量W=2000 kgf≈20 kN。由于托架机构与缓冲阻尼是同一套机构，因此油缸活塞直径为D=60 mm。计算软着陆托架的顶起力F2为：

F2=0.5×(1.1～1.2)W=11～12 kN

升降油缸液压顶起供油压力P2为：

根据液压系统要求，可以选择设置升降油缸液压顶起系统供油压力为4 MPa。

3.2.3 驱动电机功率N的计算与型号选择

例如：设定工件重量W=2000 kgf≈20 kN；取F=0.5W；摩擦系数μ=0.25，工件支撑部位直径D=1200 mm，工件转速n=5 rmin，工况系数KA=1。

计算驱动电机功率N为：

因此电机选型为Y90S-4，额定功率为1.1 kW，转速为1400 rmin。

4 结语

原来每台机床每班加工1.5～2件，使用本套装夹设备后，每台机床每班可加工8件，有效地提高了生产效率，工作效率是通过天车翻转工作的5～10倍。

本结构设计具有一次安装多次装夹的功能，对于大型轴类零件的扁头、键槽、钻孔、铰孔等工序的装夹加工具有较好的作用，操作简单便捷，便于翻转装夹，减少了找正时间。并且翻转时工件不脱离机床本体，既减少了工件在离机翻转过程中的磕碰、损伤，又减轻了工作人员的劳动强度，同时也可以减小因翻转工件所需场地的要求。