一种U型梁浮动夹紧送进机构

王菁华，王易楠，杨新文，于学军，武晓东

(国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250022)

0 前言

U型梁广泛应用于轻卡、重卡等卡车车架的制造加工中[1]，在卡车车架U型梁自动加工制造生产线上，设备的前、后端一般都会安装U型梁数控夹紧及长距离送进机构。

U型梁在生产时，其结构外形在全长范围内会有合理的尺寸公差，如翼面高度尺寸公差、腹面纵向直线度公差、扭曲挠度等。通常在U型梁二次加工时，在送进过程中是靠一个翼面做侧基准面，内腹面做底面支撑基准面[2]，对两个基准面实施定位的机构是有一定间距的若干个在一条直线上的旋转支撑轮，如图1所示。因此U型梁在紧靠两组旋转支撑轮送进时，U型梁定位的翼面、内腹面上的支撑点不断后移，而这些支撑点的位置尺寸会因U型梁的外形尺寸公差产生波动，所以U型梁在全长送进过程中，反映到整个U型梁上就是其上每个结构部分都是在微量振动或摆动。负责夹紧输送U型梁的夹钳，在U型梁全长送进中存在一定量的上下、左右方向运动以及微量扭转摆动。国机铸锻机械有限公司研发出一种U型梁浮动夹紧送进机构，用于U型梁数控加工设备生产线，可大大提高U型梁加工的成品率和精度。

1 U型梁的外形和制造精度公差

U型梁在送进过程中对两个基准面实施定位的旋转支撑轮如图1所示。U型梁的外形如图2所示，一般U型梁的腹面内开口尺寸180～360 mm，公差A±0.5；翼面高度50～108 mm，偏差C±2；腹面纵向直线度偏差0.1%(10 m内小于7 mm)，翼面纵向直线度偏差0.1%(10 m内小于5 mm)，端头200 mm范围外角度偏差±0.7°，全长最大扭曲挠度4 mm(10 m内)，材料厚度4～10 mm[3]。

图1 U型梁浮动夹紧送进工作图

图2 U型梁外形图

2 U型梁浮动夹紧送进机构结构

2.1 浮动夹钳设计依据

在U型梁的二次加工过程中，通常会使用夹钳对各种梁工件进行长距离夹持并通过送进装置来实现梁工件的转移运输，如果夹钳直接固定安装在送进装置上，在夹装诸如长梁工件时，长梁工件长度方向上因本身制造产生的公差或误差会给工件的夹持送进夹钳带来很大的受力，使夹钳在送进过程中发生偏扭，与夹钳结构产生相互挤压，轻则降低夹钳的使用寿命，重则使夹钳发生损坏。

浮动夹钳[4]能在夹持工件的同时，配合工件产生三个方向自由度的浮动，避免由于工件外形偏差原因导致送进过程中与夹钳发生挤压的情况，不仅使夹钳传动灵活自如，还能在一定程度上提高夹钳的使用寿命。

2.2 浮动夹钳结构

U型梁浮动夹紧送进结构主要由浮动夹钳[5]、悬臂梁、气液增压缸[6]、上、下驱动部分、移动梁、纵向驱动部分、横向驱动部分、底座部件、液压系统、电控系统等组成。如图3所示。

图3 U型梁浮动夹紧送进结构

浮动夹钳主要由夹钳座和浮动座等组成，夹钳座相对于浮动座和悬臂梁之间具有三个自由度的相对浮动，能够消除U型梁工件精度公差给移送机构带来的不利影响[7]。在夹钳座前面板的一侧安装固定夹头，在夹钳座内安装驱动油缸，驱动油缸的活塞杆上安装有滑板，夹钳座连接导向轨，滑板与导向轨相配合，滑板上安装活动夹头，夹钳座的前面板上开设有与活动夹头相配合的避让槽，活动夹头经由避让槽伸出夹钳座，驱动油缸的活塞杆伸出时能带动活动夹头向固定夹头移动靠近，从而实现对工件的夹紧固定。如图4、图5所示。

图4 浮动夹钳及送进示意

图5 夹钳钳口结构示意

2.2.1 夹钳的左右浮动结构

浮动座的后侧面上安装有两组左右浮动机构，保证了夹钳座和浮动座相对夹钳送进装置上的连接臂产生左右浮动，以满足工件移送过程中由于生产制造公差而造成的的左右轻微晃动。每组左右浮动机构均包括安装在浮动座上的直线轴承，直线轴承与光轴配合[8]，浮动座和直线轴承均能沿光轴长度方向移动。光轴的两端均设有轴支座，轴支座与送进装置上的连接臂固定连接，在轴支座上有浮动护罩，浮动护罩能避免灰尘等杂物进入到左右浮动机构内，轴支座和直线轴承之间的光轴外周套装有弹簧，通过弹簧的弹力来使直线轴承与轴支座之间产生相互作用力来驱动左右浮动，使浮动座能相对轴支座发生相对左右移动[9]。如图6、图7所示。

图6 夹钳左右浮动结构剖分图

图7 浮动夹钳后视图

2.2.2 夹钳的上下浮动结构

浮动座上有焊接平板，导向套和平板为一体焊接而成，导向套内配合安装有铜套，铜套的上端设有折边，折边配合在导向套的上端面上。铜套内配合安装有浮动轴[10]，浮动轴能在铜套内竖向移动，浮动轴穿出铜套的上端设有螺柱，螺柱上配合安装有圆螺母，圆螺母底部的的螺柱外周套装有垫片，垫片位于折边上，从而将浮动轴吊装在铜套上。浮动轴的下端穿出导向套并连接有第一法兰盘，第一法兰盘和浮动轴可以为一体焊接而成，第一法兰盘固定安装在夹钳座的上面板，相当于通过浮动轴将夹钳座吊装在浮动座上。如图6所示。

夹钳座的上面板上还开设有与浮动轴相配合的孔，第一法兰盘上安装有下防护罩，其中导向套位于下防护罩内，在夹钳座的重力作用下，垫片始终压紧在折边上，导向套的底部与第一法兰盘之间留有间距。平板上安装有第二法兰盘，中间的结构孔，限位环的材料为红铜，此件能更好的为圆螺母提供预紧力，较软的材质可以减少上下浮动的冲击，降低噪音[11]。结构孔的内径大于垫片的外径，螺柱及垫片能在第二法兰盘内自由进出，在第二法兰盘上安装有上防护罩。

在夹持工件的情况下，由于重力作用，垫片压紧在折边上，导向套与第一法兰盘之间的间距最大，当工件移送过程中产生上下微动，导致夹钳座相对浮动座上移时，第一法兰盘和浮动轴能带动螺柱、垫片和圆螺母同步上移，螺柱在上防护罩内上升一定距离，第一法兰盘和下防护罩相对导向套上移，第一法兰盘与导向套之间的间距减小，从而实现夹钳座和浮动座之间的竖向浮动。

轴支座安装在夹钳送进装置上，也就是整体浮动夹钳安装在夹钳送进装置上，通过夹钳送进装置来实现浮动夹钳带动工件的移动。而夹钳送进装置能分别实现横向、纵向及竖向的位置移动。

2.2.3 夹钳的旋转浮动结构

夹钳座连同轴及夹钳下部可以相对浮动座产生旋转。夹钳的旋转浮动结构在浮动座前侧面上设置有两个立板，对应于每个立板的位置，在夹钳座的上面板上安装有固定板，固定板位于立板外侧，固定板上均配合安装有球面端紧定螺钉[12]，调节螺钉的球面与立板的间隙，就可以调整浮动转角量。如图5所示。

2.2.4 夹钳的横向、纵向和垂直进给结构

夹钳送进装置包括横向底座，横向移动座上安装有能沿横向移动座长度方向移动的横移板，横向移动座上设有横移滑轨和横移齿条，横移板上安装有与横移滑轨相配合的横移滑块以及横移电机。横移齿条啮合横移齿轮，横移电机启动能带动横移板在横向移动座上移动。如图4所示。

在横移板上安装有纵向移动座，纵移座底部设有纵移滑轨和纵移齿条，横移板上安装有与纵移滑轨相配合的纵移滑块以及纵移电机，纵移电机的输出轴上安装的纵移齿轮与纵移齿条相啮合，纵移电机启动能带动纵移座在横移板上纵移。在纵移座上安装有竖移座，竖移座的一端与轴支座相连接，竖移座的另一端设有竖移滑块和竖移齿条，纵移座上安装有与竖移滑块相配合的竖移滑轨以及竖移电机，竖移电机的输出轴上安装有与竖移齿条相啮合的竖移齿轮，竖移电机启动能带动竖移座在纵移座上竖向移动。夹钳送进装置通过三个电机来实现浮动夹钳在横向、纵向及竖向的移动，以便于将工件移送至合适的加工位置。如图8、图9、图10、图11所示。

图8 移动结构示意图

图9 竖移结构示意图

图10 横移结构示意图

图11 纵移结构示意图

2.3 送进结构

U型梁在二次加工时，一般是开口向下，依靠两个基准面进行支撑和定位[13-16]，通过上文所述的浮动夹钳夹紧U型梁，依靠夹钳的横移机构进行输送。U型梁的支撑和定位由多组支撑组成，如图1所示。在每组支撑上均安装有三个旋转支撑轮，每个旋转支撑轮均由轴承和包胶辊组成。三个旋转支撑轮分别为：U型梁翼面基准侧水平支撑轮、U型梁内腹面竖直方向支撑轮、U型梁翼面非基准侧水平支撑轮，如图12所示。翼面基准侧水平支撑轮和竖直方向支撑轮为固定基准轮，设备安装时要求所有支撑上的水平基准轮、竖直方向支撑轮均需在同一平面上，以保证梁送进时的精度；非基准侧的水平支撑轮可活动，当梁放入支撑时非基准侧水平支撑轮压紧梁，把梁压紧在基准轮上，根据梁的腹面开口尺寸不同，非基准侧水平支撑轮的停止位置不同。

图12 送进支撑

3 结束语

(1)本文的浮动夹钳能在夹持工件的同时，配合工件产生三个方向自由度的浮动，避免由于工件外形偏差原因导致送进过程中与夹钳发生挤压的情况，不仅使夹钳传动灵活自如，还能在一定程度上提高夹钳的使用寿命。

(2)浮动夹钳可有效避免因U型梁自身公差原因所造成的二次加工成品工件误差。浮动夹钳可极大提高U型纵梁二次加工的成品率，节约生产成本。