基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的平口鉗設(shè)計(jì)*

□李金亮淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東淄博 255314

基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的平口鉗設(shè)計(jì)*

□李金亮
淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東淄博 255314

研制了一種操作便捷、安全可靠、高效的基于自動(dòng)化控制的平口鉗，介紹了該設(shè)備的工作原理。在滿足設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況的條件下，通過(guò)力學(xué)分析、試驗(yàn)檢測(cè)等方式，對(duì)整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。滿足自動(dòng)裝夾、夾緊調(diào)節(jié)功能，保證了加工精度，提高了裝夾效率。

在現(xiàn)代裝備制造業(yè)中，平口鉗是每個(gè)企業(yè)不可或缺的夾具器械，其作為通用夾具，常固定在機(jī)床工作臺(tái)上，用來(lái)夾持工件進(jìn)行切削加工。

平口鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉，是機(jī)加工中常用的夾具。其缺點(diǎn)是：傳動(dòng)速度緩慢，加工效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，夾緊力大小、方向很難控制，常出現(xiàn)因夾緊工件力度過(guò)大而損壞工件的現(xiàn)象，大大降低工作效率。在批量裝夾時(shí)，若被夾緊工件的尺寸大小變化大，或者夾緊放松動(dòng)作十分頻繁，將導(dǎo)致非工作時(shí)間的延長(zhǎng)，使工作效率大大降低。目前數(shù)控加工水平越來(lái)越高，對(duì)工件的裝夾精度也要求越來(lái)越高，裝夾時(shí)間、夾緊力大小及方向都是直接的影響因素。傳統(tǒng)的平口鉗所產(chǎn)生的夾緊力是根據(jù)生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證的，產(chǎn)生廢品的幾率比較大。

筆者著重從提高平口鉗的裝夾效率、精確控制夾緊力大小及方向方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，以解決平口鉗的傳動(dòng)速度慢、易損傷工件的缺陷，使平口鉗的夾緊效率得以提高，夾緊力得以控制。目前，在市場(chǎng)中與普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床配套的帶自動(dòng)化控制系統(tǒng)的平口鉗應(yīng)用較少。

1 設(shè)計(jì)方案

在普通平口鉗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、控制電路、壓力傳感器等，設(shè)計(jì)利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、裝夾可控的新型平口鉗。由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)平口鉗螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩軸之間用鏈輪傳動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)鉗口的前后運(yùn)行。平口鉗可根據(jù)待裝夾工件尺寸自動(dòng)調(diào)節(jié)鉗口的位置，夾緊工件時(shí)，當(dāng)夾緊力達(dá)到設(shè)定值后，由壓力傳感器輸出信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)平口鉗夾緊所需要的力和鉗口移動(dòng)速度，選擇功率為60 W、轉(zhuǎn)速為108 r/min的兩相電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)上安裝一個(gè)鏈輪來(lái)帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)平口鉗的運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)直徑100 mm、長(zhǎng)190 mm，鏈輪大徑45 mm、齒數(shù)21。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平口鉗的整體結(jié)構(gòu)

2 工作原理及性能分析

平口鉗是安裝在機(jī)床工作臺(tái)上、裝夾工件后進(jìn)行切削加工的一種通用夾具。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)控制系統(tǒng)的平口鉗由普通平口鉗、電動(dòng)機(jī)、控制面板、壓力傳感器、限位開(kāi)關(guān)等組成，電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)（如圖2所示）帶動(dòng)鉗口前后移動(dòng)。

2.1 工作原理

平口鉗由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)平口鉗螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，大鏈輪和電動(dòng)機(jī)軸的連接是通過(guò)鍵連接，鏈輪和平口鉗螺桿的連接也是通過(guò)鍵連接，通過(guò)鍵連接更加穩(wěn)定牢固。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)鉗口前后運(yùn)動(dòng)，夾緊工件時(shí)，當(dāng)鉗口遠(yuǎn)離工件時(shí)，可以按下快進(jìn)按鈕，使活動(dòng)鉗口快速靠近需要夾緊的工件，距離工件較近時(shí)，按下慢速按鈕，使移動(dòng)鉗口慢慢夾緊工件。在活動(dòng)鉗口上安裝壓力傳感裝置，如圖3所示，當(dāng)兩鉗口夾緊工件的力度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，繼電器自動(dòng)斷電，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到自動(dòng)夾緊的目的。

圖2 鏈傳動(dòng)

1.鉗口 2.壓力傳感器圖3 壓力傳感器裝置

2.2 性能分析

在機(jī)床上加工工件時(shí)，必須先確定工件相對(duì)于刀具的正確位置，這一過(guò)程稱為定位。將工件夾緊，就是對(duì)工件施加作用力，使其在應(yīng)該確定好的位置將工件可靠地夾緊，這一過(guò)程稱為夾緊。從定位到夾緊的過(guò)程，稱為裝夾。機(jī)床夾具的主要功能就是完成工件的裝夾工作，工件裝夾情況的好壞，將直接影響工件的加工精度，具體功能介紹如下。

2.2.1 對(duì)工件進(jìn)行精確裝夾

（1）保證定位精度。該平口鉗固定安裝，可以準(zhǔn)確地確定工件與機(jī)床、刀具之間的相互位置，工件的位置精度由其上的夾具定位元件保證，不受工人技術(shù)水平的影響，其定位精度高而且穩(wěn)定。

（2）提高生產(chǎn)率，降低成本。該平口鉗使工件迅速定位和夾緊，顯著減少了輔助工時(shí)，用該平口鉗裝夾工件，提高了工件的剛性，因此可加大切削用量。2.2.2 對(duì)工件的自動(dòng)夾緊

（1）通過(guò)對(duì)電路的控制，使機(jī)用平口鉗實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。整個(gè)電路包括壓力傳感器、繼電器、按鈕開(kāi)關(guān)、電位器、變壓器等元件，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，快/慢速進(jìn)給（將要加工的工件放在鉗口的支架上，按下開(kāi)關(guān)，使電動(dòng)機(jī)快速進(jìn)給。當(dāng)接近工件的時(shí)候，按下慢速進(jìn)給按鈕，使鉗口慢慢接近工件，直到夾緊工件為止）。電路的控制面板如圖4所示。

1.調(diào)速開(kāi)關(guān) 2.調(diào)速器開(kāi)關(guān) 3.復(fù)位/停止 4.手動(dòng)/自動(dòng) 5.后退6.夾緊 7.夾緊力度調(diào)節(jié)旋鈕圖4 電路控制面板

（2）改善工人的勞動(dòng)條件。用該平口鉗裝夾工件，具有方便、省力、安全的優(yōu)點(diǎn)，可減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。

2.3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 自動(dòng)平口鉗的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間計(jì)算

電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)平口鉗的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使活動(dòng)鉗口實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到一定程度時(shí)，可以通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，也可以由壓力傳感器控制活動(dòng)鉗口的運(yùn)動(dòng)，鉗口運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間的計(jì)算如下：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：n=108 r/min，螺桿螺距：p=4.0 mm，行程s=150 mm。則平口鉗運(yùn)動(dòng)的速度：

v=np （1）

v=7.2 mm/s

運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間：

t=s/v （2）

t=20.83 s

2.3.2 計(jì)算鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比

在圖2中，小鏈輪的齒數(shù)z1=16；大鏈輪的齒數(shù)z2=21，傳動(dòng)比：

i=z2/z1（3）

當(dāng)i=0.76時(shí)，鏈輪可以帶動(dòng)螺桿使活動(dòng)鉗口自由運(yùn)動(dòng)。

3 電路設(shè)計(jì)

（1）實(shí)現(xiàn)平口鉗的快速夾緊和慢速夾緊，如圖5所示。在手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)下，按下自動(dòng)/手動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)虎鉗前進(jìn)/后退的功能，在活動(dòng)鉗口前進(jìn)/后退的過(guò)程中，調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕，可以快速或者慢速前進(jìn)，主要用到變頻調(diào)速系統(tǒng)。

（2）控制面板中各個(gè)按鈕的作用，如圖5所示。常按前進(jìn)/后退按鈕，可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)鉗口的移動(dòng)；按下自動(dòng)/手動(dòng)按鈕，可以達(dá)到活動(dòng)鉗口自動(dòng)前進(jìn)/后退的功能；旋轉(zhuǎn)夾緊力旋鈕，可以調(diào)節(jié)壓力傳感器對(duì)工件的夾緊力度。

圖5 實(shí)物裝置

（3）在平口鉗固定機(jī)體上裝有限位開(kāi)關(guān)，控制活動(dòng)鉗口的前后行程，避免干涉碰撞。

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種基于自動(dòng)控制的平口鉗，達(dá)到自動(dòng)操作、手動(dòng)操作的切換。應(yīng)用繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平口鉗的自動(dòng)化運(yùn)行，并可與數(shù)控機(jī)床協(xié)同運(yùn)行。通過(guò)樣機(jī)制作、實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目的。自動(dòng)化平口鉗的應(yīng)用，減少了人力物力，提升了機(jī)加工效率。

［1］鄭文偉，吳克堅(jiān).機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，1997.

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［4］鐘俊文，俞濤.基于數(shù)控車(chē)床典型零件的工藝分析和夾具設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008（6）：8-9.

［5］安杰，鄒昱章.UG后處理技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

We developed the flat-nose pliers with an introduction ofits operational principle.It is controlled by automation and features convenient，safe，reliable and efficient.In consideration to satisfy the design requirements and the actual working conditions and by mechanical analysis，test and detection the entire control system was developed and designed to meet the functions for automatic clamping and clamping adjustment，so that the machining accuracy could be ensured and the clamping efficiency may be improved.

平口鉗；自動(dòng)裝夾；夾緊調(diào)節(jié)

Flat Nose Pliers；Automatic Clamping；Clamping Adjustment

TH122

A

1672-0555（2015）04-061-03

*山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：J14LB63）

2015年8月

李金亮（1981-），男，碩士，講師，主要從事機(jī)構(gòu)學(xué)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究