四轴数控机床自动定心夹具设计

陆龙福，曹明顺

四轴数控机床自动定心夹具设计

陆龙福，曹明顺

（黄冈职业技术学院 智能制造学院，湖北 黄冈 438002）

四轴数控机床自动定心夹具，主要用于夹紧、定位机器人夹持套类零件的加工，它解决了现有夹具定心不准、装夹不够稳定可靠、自动化程度低等问题，夹具在整个夹紧、松弛过程中动作一气呵成，由液压缸自动控制，锥度挤压夹紧稳定性高，具有结构简单、通用性强、易于制造、成本低等优点，稍加改造便可适用于绝大部分数控机床的自动定心装夹加工。

自动定心；夹紧装置；夹具设计；数控机床

近年来，制造的快速发展，制造行业由工人、机床设备逐步转变为机器人、机床设备，四轴数控机床自动定心夹具主要使用在机器人，四轴数控机床加工工件时，机器手对工件的夹持、松开定位以及工件的自动定心动作，实现加工中的自动化和一体化。任何零件产品的加工都离不开夹具，夹具定位的可靠性、稳定性、可操作性、便捷性直接决定了加工后产品的质量、加工的效率和加工成本。本夹具设计的目的主要是为了解决常规夹具中定位不准，装夹不够稳定可靠，自动化程度低等问题。

1 设计理念

在机械加工中，为了使得工件的生产效率得到有效提高，控制加工精度成本，减少装夹工件设备磨耗和运行时间，提高产品加工精度和质量的稳定性，减少废品率，降低劳动强度。需要把难于定位、自动化程度低、复杂、耗时多的装夹、定位过程简单化。为此，特设计四轴机床自动定心夹具来优化工件装夹、定位过程，以达到安全、快速、简洁、高效的工作过程。

1.1 创新性

目前，工件内孔定位加工主要采用的夹具有定位销、定位心轴、圆锥销、弹性夹具、内胀夹具等，根据工件的不同需求分别选用不同的夹具和定位方式，这些夹具的特点是定位的自动化程度不高，安装不够方便，费时费力，部分夹具比如弹性夹具解决了定位精度高但稳定性和承受力的强度方面存在缺陷。夹具存在的短板很难满足目前数控加工自动化的发展趋势。

设计目的在于提供一种结构简单、通用性强、易于制造、成本低、自动化程度高的四轴数控机床自动定心夹具。

（1）易于实现自动化 所设计的夹具自动化程度高，夹具在整个夹紧、松弛过程中动作一气呵成，由液压缸背压力自动控制。

（2）原理简单、实用性强 充分利用四轴机床上卡盘设置导的滑槽、通过液压缸连接，驱动锥度轴水平运动转化为三瓣式自动定心夹具定心运动。

（3）定位可靠、精度高 采用二级锥度式的锥度轴和三瓣式自动定心夹具组合定心，其运动平稳可靠。

1.2 自动化程度高

（1）所设计的四轴数控机床自动定心夹具设计属于机器人制造专用夹具领域，尤其是涉及到一种能够实现内孔和外圆同轴度要求高的工件，自动定心、自动装夹加工工件的夹具。

（2）工件的夹持和放置均使用机械手实现，能够与机器人实现无缝对接。

1.3 适应性强

夹具稍加改造便可适用于绝大部分数控机床的自动定心装夹加工。对于三轴机床，可以采用原理相同，立式夹具即可实习自动装夹加工；对于车铣复合或者数控车，直接更改连接处卡盘均可实现。

2 功能的实现

2.1 夹具结构及组成

如图1所示，四轴数控机床自动定心夹具主要由夹具主体、安装盘、夹紧装置三大部分组成。

（1）夹具主体 夹具主体由锥度轴2、三瓣式自动定心夹具3、压簧5、压簧端盖8、端盖螺钉9、导滑槽盘9组成，三瓣式自动定心夹具3内表面呈锥度圆弧形，其锥度与锥度轴2相同，内圆弧小端设置了T形滑块，导滑槽盘10的端面圆周方向均匀设置了三个120°的T形导滑槽，三瓣式自动定心夹具3内圆弧小端部的T形滑块分别安装于导滑槽盘10三个T形导滑槽内，并在导滑槽内的T形滑块上方放置了压簧5，通过压簧端盖8和端盖螺钉9使三瓣式自动定心夹具3内表面紧贴于锥度轴2的锥面。

（2）安装盘 安装盘由花盘6、第4轴箱体7、花盘螺钉11、花盘螺母12组成，花盘6中心设置了轴孔，紧固安装在第4轴箱体7的一侧壁面上，导滑槽盘10通过花盘螺钉11和花盘螺母12紧固于花盘6的端面。

（3）夹紧装置 夹紧装置由锁紧螺钉1、锥度轴2、活塞杆定位装置13、活塞杆14、连接装置15、液压缸16组成，活塞杆14通过连接装置15与液压缸16连接，锥度轴2通过锁紧螺钉1与穿过第4轴箱体7和花盘6上轴孔的活塞杆4紧固连接，活塞杆14轴心线的位置由设置在第4轴箱体7另一侧壁面上的活塞杆定位装置13进行调整。

2.2 功能实现

为了便于其功能实现描述，将结合图1的b和c三维模型加以介绍。

根据工件内孔孔径及工件的厚度，分别选用或设计一定范围内的三瓣式自动定心夹具的外径和工作宽度。加工前，机器人将工件置于三瓣式自动定心夹具的外圆表面，液压缸通过与活塞杆连接的锥度轴移动迫使三瓣式自动定心夹具在导滑槽盘的T形滑槽内向外移动夹紧工件，夹紧力度由液压缸的流量自动控制，当夹紧力达到预定值后，液压缸保压，活塞杆将停止移动，机器人的机械手松开工件，四轴数控机床便可对工件同轴度要求较高的外圆表面进行车、铣削复合加工。加工完毕后，机械手夹持工件，液压缸控制与活塞杆连接的锥度轴往右端移动，与三瓣式自动定心夹具内表面配合的锥度轴外径逐步变小，此时固定在导滑槽盘上的压簧挤压安装于导滑槽盘的T形滑槽上的三瓣式自动定心夹具内圆弧小T形滑块，使三瓣式自动定心夹具内表面向轴心线移动紧贴于锥度轴的锥面，三瓣式自动定心夹具外表面与工件内孔松开，机械手夹持工件移开，夹具准备就绪，进入下一个循环加工环节。

3 拟解决的技术难题

3.1 二级锥度轴锥度值和行程间关系控制

夹具开始工作时，起始阶段，为了让液压缸行程尽量短，夹紧快速，一级锥度设置为10°～15°，进入夹紧后段，需要保证夹紧的平稳和可靠，二级锥度设置为2°～4°，这样既提高效率，又避免因为锥度过大造成夹紧不可靠、不稳定。

3.2 三瓣式自动定心夹具内、外表面的设计

三瓣式自动定心夹具内表面设计成与锥度轴二级锥度相一致的尺寸值，更利于相互间配合及运动精度的确定，其外表面设置成圆柱形表面，根据加工工件内径大小，分别设计不同的外径组件，既保证了装夹的稳定可靠，又保证了装夹的精度和保护加工工件不易于受损。

3.3 夹具自动复位功能

为了实现夹具自动复位功能，三瓣式自动定心夹具后端的T形滑块上方开设了压簧孔，当锥度轴与三瓣式自动定心夹具松开时，在压簧作用下自动复位贴紧锥度轴外表面。

3.4 三瓣式自动定心夹具内圆锥面、外圆柱面及导滑块的加工方法

三瓣式自动定心夹具为整体式加工所得，自动定心要求高，需要三个零件一起加工，然后再通过线切割方法，切割成尺寸一致的三瓣式自动定心夹具。后端T形滑块，可利用慢走丝进行加工。

4 结语

所设计的夹具属于机器人制造专用夹具领域，尤其是涉及到一种能够实现内孔和外圆同轴度要求高的工件，由于机器手夹持工件位置固定，这就要求夹具在确定的位置具有自动定心、自动夹紧功能，夹具中的三瓣式自动定心夹具3、锥度轴2刚好满足所述要求，机器手完成工件的夹持、松开动作后，动力源由调节好的液压缸背压力自动控制夹具夹紧或松弛工作，整个夹紧、松弛过程中，动作一气呵成。通过锥度轴的挤压，夹紧工件的稳定性更高，所用锥度轴零件为常见的典型零部件，具有结构简单、通用性强、易于制造、成本低等优点，稍加改造便可适用于绝大部分数控机床的自动定心装夹加工，具有很高的推广价值。

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Design of Automatic Centering Fixture for Four-axis NC Machine Tool

Lu Longfu, Cao Mingshun

(Huanggang Polytechnic College, Huanggang 438002 Hubei)

The automatic centering fixture of four-axis NC machine tool is mainly used for the processing of clamping sleeve parts of clamping and positioning robot, which solves the problems of inaccurate centering, unstable and reliable clamping and low degree of automation of the existing fixture. The fixture acts in the whole clamping and relaxation process, which is automatically controlled by hydraulic cylinder, with high taper extrusion and clamping stability. It has the advantages of simple structure, strong universality, easy manufacture and low cost as well, which can be applied to the automatic centering and clamping processing of most NC machine tools with a little modification.

Automatic centering; Clamping device; Numerical control machine tool

TP311.51

A

1672-1047（2022）02-0108-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2022.02.26

2022-03-05

陆龙福，男，贵州独山人，副教授。研究方向：模具设计及制造。

[责任编辑：刘良瑞]