机床夹具气动系统的改进*

李双成 陈兴媚

广东理工学院 智能制造学院 广东肇庆 526100

1 改进背景

机床夹具是现代机加工中必不可少的装置,能够确保零件在加工过程中处于正确位置,保证加工精度。目前,随着科学技术的不断发展,自动化生产已逐步渗入到各行各业。机床夹具由于结构简单,设计、布置灵活,自动化程度高,受到各大企业的广泛青睐。但在实际加工生产中,产品的外形复杂多变,有时候会出现现有夹具无法满足加工定位要求的情况,若重新设计夹具,不仅成本高,成型周期长,还无法保证交货日期。在不增加设计成本,不延长成型周期的前提下,改进现有机床夹具设备,以满足生产需求,显得尤为重要。笔者以机床夹具气动系统为例进行详细介绍。

2 机床夹具气动系统工作原理

某企业现有机床夹具气动系统原理如图1所示。被加工零件放至指定位置,定位锁紧缸活塞杆伸出向下,将零件锁紧。两侧的夹紧缸活塞杆伸出,夹紧零件。机床加工零件,加工完毕后各缸退回,松开零件。系统动作顺序为:零件置于机床工作台,定位锁紧缸锁紧零件,左右两个夹紧缸夹紧零件,机床加工零件,左右两个夹紧缸退回,定位锁紧缸退回。

图1 现有机床夹具气动系统原理

3 机床夹具气动系统改进

现该企业接到一批新零件订单,该批零件受外形限制,针对加工工艺过程,需对夹具动作进行改进,将原有的定位锁紧缸和两个夹紧缸进行功能互换。改进后系统动作顺序为:零件置于机床工作台,两个定位锁紧缸定位锁紧零件,夹紧缸夹紧零件,机床加工零件,两个定位锁紧缸退回,夹紧缸退回。针对上述动作循环,在不增加夹具气动系统过多成本,不延长设计周期的基础上,改进设计。

观察图1,两个夹紧缸动作同步,保留两个夹紧缸的连接形式及供气主气泵,同时考虑相关阀体动作控制要求,即二位五通脚踏换向阀左位接入系统,两个夹紧缸活塞杆同时伸出锁紧零件,反之则缩回松开零件。

由此,保留二位五通脚踏换向阀,设计定位锁紧气压系统动作回路,如图2所示。分析图1中定位锁紧缸的动作及阀控要求,与图2中两个定位锁紧缸的动作及阀控要求完全相同。绘制夹紧气压系统动作回路,如图 3所示。根据图2、图3功能,将两者组合在一起,绘制改进后的气压组合系统,如图4所示。

图2 定位锁紧气压系统动作回路

图3 夹紧气压系统动作回路

当踩下二位五通脚踏换向阀脚踏板时,系统需按要求完成预定动作顺序。分析图4,当二位五通脚踏换向阀左位接入系统后,压缩空气同时进入各缸的无杆腔,夹紧缸为缸上杆下的立式布置,两个定位锁紧缸为水平布置,夹紧缸先于两个定位锁紧缸动作,且其有杆腔气体无背压,夹紧块有俯冲撞击零件的危险,易损坏系统元器件及零件表面,各缸运动顺序也较混乱,因此无法满足动作顺序要求,需对图4的不足进行分析。在各管路上加入相应阀件,以控制动作顺序及活塞的运行速度。根据夹紧缸的布局及气压传动存在泄漏量大,易产生误动作等不足,在进出气路上分别安装单向节流阀。加装单向节流阀的气压系统如图5所示。

图5 加装单向节流阀气压系统

两个单向节流阀阀口开度可调,夹紧缸各腔气体流速可控,因此可以有效避免夹紧缸活塞杆下行俯冲的危害。对图5进一步分析,当二位五通脚踏换向阀处于左位时,气泵中气体分别流向各缸无杆腔,由于两个定位锁紧缸为同参数、等高位串联,因此运行速度同步。夹紧缸在进出气路背压的作用下,暂时未动。两个水平定位锁紧缸先行定位锁紧零件,之后夹紧缸才完成夹紧动作。各缸活塞杆到达行程终点后,系统压力进一步增大。主气路未安装任何卸压元件,根据气压传动特性,系统易损坏气压元件及管道,设计不合理,需进一步改进设计。在主气路中安装卸荷阀,以保护元器件。卸荷阀开启压力需要远大于夹紧缸上行压力,否则各缸易出现误动作。为避免两个定位锁紧缸动作过快影响零件的定位精度,在其进出气路上加装可调节流阀。绘制加装可调节流阀和卸荷阀的气压系统,如图6所示。

图6 加装可调节流阀和卸荷阀气压系统

分析图6,二位五通脚踏换向阀的右侧为气动式换向口,且该口未连接任何信号源,零件加工完毕后,无法实现阀口换向,各缸活塞杆无法有序退回,零件也无法取出,图6仍需进一步改进设计。考虑当机床刀具完全退出后,松开二位五通脚踏换向阀脚踏板,阀口能够实现自动换向,各缸活塞杆能够按顺序退出,引入二位三通气控换向阀。将二位三通气控换向阀左位常通口与二位五通脚踏换向阀右侧的气控口K及大气连接,以保证二位五通脚踏换向阀左位阀口接入系统时右侧气控口多余气体能流入大气。另外,将二位三通气控换向阀左位常闭口接至主气路,当其右位阀口接入系统后,二位五通脚踏换向阀阀口即实现自动换向。考虑各缸的动作顺序,将二位三通气控换向阀右侧的气控口K与各缸的无杆腔并联。为避免加工事故,机床完成加工且刀具完全退出后,二位五通脚踏换向阀阀口才允许换向。考虑二位五通脚踏换向阀的换向时间,在二位三通气控换向阀气控回路上接入储气罐,当二位五通脚踏换向阀左位阀口工作时,气泵中的气体除进入各缸的无杆腔,驱动活塞杆伸出外,同时还为储气罐供气。零件被定位、夹紧后,机床开始加工零件,此时泵中气体全部流向储气罐。零件加工完成且退出后,储气罐中气体刚好储满,此时二位三通气控换向阀在右侧高压气体作用下压缩左侧弹簧,驱动右位阀口接入系统,泵中气体经二位三通气控换向阀右位阀口流入二位五通脚踏换向阀右侧的气控口,驱动自动换向,各缸活塞杆自动退出并松开零件。与此同时,储气罐中的气体经二位五通脚踏换向阀右位阀口开始卸荷,二位三通气控换向阀右位压力逐步减小,在左位弹簧的作用下实现阀口的自动复位。当再次踏下二位五通脚踏换向阀的脚踏板时,重复上述动作。加装储气罐和二位三通气控换向阀的气压系统如图7所示。至此,按要求完成所有改进设计,改进后的机床夹具气动系统如图8所示。

图7 加装储气罐和二位三通气控换向阀气压系统

图8 改进后机床夹具气动系统

4 仿真分析

根据图8,在Automation Studio 7.0 Professional软件中进行机床夹具气动系统建模,其界面如图9所示。根据各缸的动作顺序要求,设置各气动元器件参数,见表1。

表1 气动元器件参数

图9 机床夹具气动系统建模界面

将表1中数据输入软件,仿真活塞杆伸出、缩回系统,分别如图10、图11所示,得到各缸的线性速度、位置、时间特性曲线,如图12所示。

图10 活塞杆伸出系统仿真

图11 活塞杆缩回系统仿真

图12 各缸线性速度、位置、时间特性曲线

各缸的线性速度与时间特性曲线如图13所示。当踩下二位五通脚踏换向阀脚踏板启动系统时,两个定位锁紧缸先行同步伸出,定位零件。活塞杆伸出长度与时间成光滑抛物线递增关系,在0.65 s内完成定位,速度峰值为50 cm/s。夹紧缸在两个定位锁紧缸定位完成0.077 s后开始启动。夹紧缸在刚启动时,速度有波动,启动峰值为8.78 cm/s,谷值为5.9 cm/s,差值为2.88 cm/s,波动持续时长为0.03 s,之后成光滑平缓抛物线递增关系。这是因为系统中气体由开始时同时向三个缸供气突然转入仅向一个夹紧缸供气,导致其无杆腔气体压力突然增大。由于波动持续时间极短且波动段活塞缸尚未接触到零件,因此对零件夹紧无影响,可以忽略。夹紧缸自起步至行程终了持续时长为2.5 s。

图13 各缸线性速度与时间特性曲线

两个定位锁紧缸同步退出持续时间为0.78 s,速度波动在初始时较大,谷值为0,峰值为-154.15 cm/s,差值为154.15 cm/s,之后逐步递减,退出速度从开始至结束均呈不规则递减阶梯状。这是因为二位五通脚踏阀在高压气体作用下阀口突变,并且储气罐和三个缸的回路同时并联汇入同一排气口,这四路气体因受节流口开度及压强递减的影响,在定位锁紧缸的排气口形成气体扰动。由于此过程为两个定位锁紧缸退出状态,因此对零件定位无影响。夹紧缸在退出初始阶段速度波动较大,峰值为50.76 cm/s,谷值为-70.61 cm/s,差值为121.37 cm/s。这是因为夹紧缸除受到上述两个定位锁紧缸的波动外,还受到自身竖直布局的影响,活塞在上行过程中需克服自重,导致速度波动范围较大。后续由于系统压强趋于稳定,速度逐步递增。这是由于两个定位锁紧缸运行速度大于夹紧缸,两缸活塞杆先行退出,此时气泵的气体全部流向夹紧缸,夹紧缸退出时运行速度会逐渐增大。夹紧缸的整个运行曲线也呈阶梯状变化,说明夹紧缸在活塞杆退出过程中速度不稳定,这是由系统压力经历多次突变导致的。这一过程为活塞杆退出阶段,对零件定位夹紧无影响,可以忽略。

各缸位置与时间特性曲线如图14所示。当踩下二位五通脚踏换向阀脚踏板启动系统时,两个定位锁紧缸先行伸出,定位零件。活塞杆伸出长度与时间成光滑线性递增关系,活塞杆从伸出到定位所用时长为0.7 s。夹紧缸在两个定位锁紧缸完成定位0.77 s后开始启动,活塞杆从伸出到锁紧完成持续时间为2.5 s。两个定位锁紧缸的曲线斜率远大于夹紧缸,即夹紧缸的运行时间长于两个定位锁紧缸的运行时间。这是因为夹紧缸为竖直布置,为防止活塞杆俯冲损坏零件和影响零件定位精度,将单向节流阀1的开启压力调为0.1 MPa,可保证平稳下行。

图14 各缸位置与时间特性曲线

两个定位锁紧缸退出所用时长为0.79 s,夹紧缸退出所用时长为1.25 s。退出过程中,在初始212.8～250 mm范围内三个缸的退出速度相同,在0～212.8 mm范围内夹紧缸速度开始减慢。夹紧缸落后两个定位锁紧缸时间为0.46 s左右,这是因为夹紧缸为竖直布置,驱动上升需克服活塞杆重力。各缸退出过程中,曲线呈细小锯齿状,这是因为二位五通脚踏换向阀换向后各缸有杆腔压力突变,同时可调节流阀2的开口内径小于可调节流阀1的开口内径,节流口开口内径减小,气体受到的摩擦阻力和压缩作用更加明显,流速变化更大,进而使系统流量波动和变化更加剧烈,流量的稳定性更差。两个定位锁紧缸运行曲线重合,即同步进退,这是由于两个定位锁紧缸进出气的两个可调节流阀1和两个可调节流阀2的参数调节相同。定位锁紧缸同步运行可以有效保证零件定位的准确性。

5 结束语

对比改进前后的机床夹具气动系统,进行总结。

原机床夹具气动系统结构较复杂,涉及的气动元器件多,系统占地面积大。改进后机床夹具气动系统结构简单,涉及的气动元器件少,占地面积小。

改进使用的气动元器件少,维护、保养、设计、制造费用低,原系统的气动元器件较多,维护、保养、制造成本较高。

原系统使用两个气泵,主气泵用于为主气路供气,副气泵用于为主气路换向,系统的调压范围大,系统压力调整容易。改进后使用的气动元器件少,主系统及换向阀均由一个泵供气,系统的调压范围小,在协调各缸顺序动作及换向阀开启时间上要求较高,系统压力调整复杂。

原系统使用的气动元器件多,系统的泄漏量大,故障率高,出现故障后不易诊断。改进后系统使用的气动元器件少,系统泄漏量小,故障率低,系统故障后诊断容易。

机床夹具气动系统动作迅速,灵敏,生产效率高,以大气作为工作介质,空气获取方便,可直接排入大气,无污染。