一種高效節(jié)能的伺服液壓夾緊裝置設(shè)計*

趙 峰，苗玉剛，何 斌，傅明星，尹繼武

（陜西理工學(xué)院a.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室；b.機(jī)械工程學(xué)院；c.物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中 723000）

一種高效節(jié)能的伺服液壓夾緊裝置設(shè)計*

趙 峰a，苗玉剛b，何 斌b，傅明星c，尹繼武c

（陜西理工學(xué)院a.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室；b.機(jī)械工程學(xué)院；c.物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中 723000）

某企業(yè)梁式傳感器產(chǎn)品測試時，采用的是傳統(tǒng)的手動夾緊方式和液壓夾緊方式。手動夾緊方式存在工作效率低、勞動強(qiáng)度大等問題；液壓夾緊方式存在能量利用率低、易產(chǎn)生污染等問題。隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的手動、液壓、氣動夾具日益不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求，夾具正朝著自動化、智能化、柔性化及高效、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。針對此問題，設(shè)計了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的伺服液壓夾緊裝置，分析了其工作原理和基本結(jié)構(gòu)特征，推出了夾緊力、夾緊速度計算公式。該夾緊裝置集伺服、機(jī)械、液壓技術(shù)于一體，功能完善，結(jié)構(gòu)靈活，可實現(xiàn)夾緊力、夾緊速度的自動化、數(shù)字化控制，綜合效率是傳統(tǒng)夾具的2～3倍，節(jié)能效果達(dá)70%以上，并且無液壓泵和開放式油箱。

機(jī)電液一體化；伺服液壓技術(shù)；夾緊裝置

0 引言

夾具是機(jī)械加工和制造過程中必不可少的輔助裝備，主要起定位和夾緊作用。應(yīng)變式稱重/測力傳感器是現(xiàn)代工業(yè)中常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于工商業(yè)衡器、運(yùn)輸載重檢測系統(tǒng)、食品加工、航空航天等領(lǐng)域。應(yīng)變式稱重/測力傳感器在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行靜態(tài)性能測試，其中梁式傳感器在測試時，需要將其一端夾緊固定，另一端連續(xù)加載壓力，其測試示意圖如圖1所示。某傳感器生產(chǎn)企業(yè)目前對梁式傳感器測試采用的夾緊方式主要有兩種（如圖2所示），一種是使用氣動扳手、螺釘、壓板手工夾緊，另一種是使用液壓缸向上頂工作臺自動夾緊。手動夾緊方式工作效率低、勞動強(qiáng)度大，一個工人平均每小時只能完成十幾個產(chǎn)品測試，其中夾緊過程占據(jù)了大部分時間。液壓夾緊方式雖然工作效率高、勞動強(qiáng)度小，但是液壓油容易泄露，造成環(huán)境污染，液壓泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成噪聲污染和能量浪費。氣動夾緊方式雖然高效節(jié)能環(huán)保，但是壓縮空氣易泄露［2］，系統(tǒng)工作壓力低，夾緊力不能滿足要求。隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的液壓、氣動、手動夾具已不能滿足生產(chǎn)加工的需求，夾具正朝著自動化、高效化、智能化、柔性化以及綠色經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展［3］。高新新、肖瑩華、陳汐［4-6］等計了一種氣動-機(jī)械-液壓復(fù)合夾具。這些夾具整體結(jié)構(gòu)簡單，輸出力大，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，但是存在以下問題：壓縮空氣容易泄露，不能長時間保持壓力恒定；氣體具有可壓縮性，工作穩(wěn)定性差；夾緊力和夾緊速度不能精確控制。

圖1 梁式傳感器測試示意圖

圖2 某企業(yè)梁式傳感器夾緊方式

隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品已逐漸發(fā)展成為包含機(jī)械、液壓、驅(qū)動、控制、檢測反饋及信號處理等幾個部分的復(fù)合式機(jī)械系統(tǒng)［7］。交流伺服電機(jī)是一種數(shù)字化閉環(huán)控制電機(jī)，具有控制精度高、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點［8］，作為一種新興的執(zhí)行元件廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。吳國銀［9］等設(shè)計了一種液壓泵。該液壓泵利用伺服電機(jī)驅(qū)動絲桿，進(jìn)而帶動液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)增壓，大大提高了設(shè)備的自動化、智能化水平。

在上述研究的基礎(chǔ)上，采用組合創(chuàng)新設(shè)計方法，設(shè)計了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的伺服液壓夾緊裝置。該夾緊裝置以交流伺服電機(jī)為動力，滾珠絲杠副為傳動機(jī)構(gòu)，液壓缸為執(zhí)行元件，能分發(fā)揮伺服、機(jī)械、液壓三方面的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單、夾緊力大、控制精度高以及高效節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，可以實現(xiàn)工件的自動化、數(shù)字化快速夾緊。

1 夾緊裝置工作原理及結(jié)構(gòu)特征

1.1 工作原理

高效節(jié)能的伺服液壓夾緊裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要有增壓裝置和夾緊裝置兩部分組成［10］。增壓裝置主要有交流伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠副、滑板、軸承座、增壓油缸、電控單向閥等組成；夾緊裝置主要有工作油缸、復(fù)位彈簧、夾緊壓頭以及連接管路等組成?；?的一端和滾珠絲杠螺母4通過螺栓連接固定，滑板中部加工有通孔，通孔中裝有直線軸承，直線軸承和導(dǎo)桿10為高副間隙配合，導(dǎo)桿一方面對滑板起導(dǎo)向作用，另一方面阻止絲杠螺母在移動過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；滑板的另一端和增壓油缸11的活塞桿固定連接。減速機(jī)主要起到降速增扭的作用。電控單向閥主要起到停車保壓作用。增壓油缸11和工作油缸12之間通過管路連接，利用液體靜壓傳動技術(shù)實現(xiàn)力的傳遞與放大。

圖3 節(jié)能環(huán)保的伺服液壓夾緊裝置結(jié)構(gòu)原理圖

其工作原理為：交流伺服電機(jī)1正轉(zhuǎn)時，通過減速機(jī)15帶動滾珠絲杠3正轉(zhuǎn)，絲杠帶動絲杠螺母4向右運(yùn)動，絲杠螺母4通過滑板5帶動右增壓油缸11活塞向右移動壓縮液壓油，液壓油增壓后通過管路、右電控單向閥14作用到右工作油缸12活塞上，活塞下移帶動夾緊壓頭將右工位工件夾緊。同時，左電控單向閥14打開，左增壓油缸11活塞在滑板5作用下向右移動，左增壓油缸排出空氣吸入油液，左工作油缸活塞在復(fù)位彈簧13作用下，向上運(yùn)動排出油液，從而夾緊壓頭上移松開左工位工件。

當(dāng)右工位工件加工（測試）完成后，右電控單向閥打開，左電控單向閥關(guān)閉，控制系統(tǒng)控制交流伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)，絲杠螺母4帶動滑板5向左運(yùn)動，左夾緊壓頭下移夾緊左工位工件，右夾緊壓頭上移松開右工位工件，依次往復(fù)循環(huán)，交替夾緊工件。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

（1）交流伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠副、液壓缸等基本部件均已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟。因此，該夾緊裝置整體結(jié)構(gòu)簡單、加工制造容易、維修保養(yǎng)方便、成本低廉。

（2）該夾緊裝置夾緊力大、夾緊速度可微調(diào)，夾緊工件時沖擊振動小、穩(wěn)定可靠，能夠顯著提高工件夾裝效率，降低工人勞動強(qiáng)度，保障工件加工質(zhì)量。

（3）液壓油為封閉式靜壓傳遞，無液壓泵和開放式油箱，環(huán)境污染小、能量利用率高；電控單向閥可保證工件在被夾緊后伺服電機(jī)停機(jī)而工作油缸持續(xù)保持夾緊力恒定，因此節(jié)能效果顯著。

（4）兩個夾緊工位交替工作，即一個工件的切削加工（測試）時間和另一個工件的裝卸時間重合，能有效提高生產(chǎn)效率［11］。

（5）工作油缸采用管路連接，夾具系統(tǒng)整體布局柔性較大。夾緊壓頭既可以在豎直方向上將工件夾緊，也可以在水平方向上將工件從側(cè)面夾緊；并且增壓裝置可布置在工作臺底部，節(jié)省工作臺上方空間，使機(jī)器設(shè)備整體布局更加簡潔、和諧。

2 力學(xué)計算

2.1 夾緊力計算

設(shè)交流伺服電機(jī)輸出扭矩為TM，則傳遞到滾珠絲杠的扭矩T'a為

式中：i為減速機(jī)減速比；η1為減速機(jī)傳動效率；η2為軸承效率。

滑板和導(dǎo)柱之間的摩擦為滾動摩擦，可忽略其影響；復(fù)位彈簧壓力相對于輸出力很小，計算時不計其影響。故滾珠絲杠的驅(qū)動扭矩Ta為

式中：Fa為絲杠軸向載荷，N；Ph為絲杠導(dǎo)程，mm；η為絲杠傳動效率。

由帕斯卡定理可知，增壓油缸和工作油缸之間的力學(xué)關(guān)系為

聯(lián)立（1）、（2）、（3）式可得

2.2 夾緊速度計算

由交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速n為

式中：nM為交流伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

滾珠絲杠轉(zhuǎn)動速度和絲杠螺母移動速度之間的關(guān)系式為

式中：v為絲杠螺母移動速度，mm/s；n為絲杠轉(zhuǎn)動速度，r/min。

由增壓油缸的輸出流量等于工作油缸的輸入流量，可得

式中：v1為增壓油缸活塞移動速度，mm/s，v1=v；v2為工作油缸活塞移動速度，mm/s，即夾緊壓頭的夾緊速度。

聯(lián)立（5）、（6）、（7）式可得

由（4）、（8）式可知，夾緊壓頭的夾緊力、夾緊速度和交流伺服電機(jī)的輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速成正比，又交流伺服電機(jī)控制精度高、滾珠絲杠副傳動精度高、剛性好、液體具有不可壓縮性，故該伺服液壓夾緊裝置能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊力和夾緊速度的數(shù)字化精確控制。

3 應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用計算

某企業(yè)生產(chǎn)的一系列梁式稱重/測力傳感器產(chǎn)品在出廠之前都需進(jìn)行靜態(tài)性能測試，測試時將其一端夾緊固定，另一端逐級連續(xù)加載壓力，傳感器產(chǎn)品夾裝測試示意圖如圖4所示。根據(jù)傳感器產(chǎn)品測試時加載的壓力，計算出夾緊端所需夾緊力為10t～20t，同時為提高待測產(chǎn)品的夾裝效率，夾緊壓頭空行程速度不小于6mm/s。交流伺服電機(jī)參數(shù)為：額定功率PM= 2.3kW，額定轉(zhuǎn)矩TM=15N·m，最大轉(zhuǎn)矩Tmax= 45N·m，額定轉(zhuǎn)速nM=1500 r/min。減速機(jī)選擇RV系列蝸輪蝸桿減速機(jī)，具體參數(shù)為：輸入功率3kW，輸入轉(zhuǎn)速1400r/min，減速比i=10，傳動效率η1=0.7。滾珠絲杠參數(shù)為：公稱直徑d0=40mm，基本導(dǎo)程Ph= 10mm，傳動效率 η=0.9，軸承座中軸承效率η2= 0.99。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，選擇增壓油缸缸徑D1= 80mm，工作行程500mm；工作油缸缸徑D2=150mm，工作行程120mm。將上述有關(guān)參數(shù)代入公式（4）、（8）可得，F(xiàn)o=206.91 kN，v2=6.63mm/s，即夾緊壓頭最大夾緊力可達(dá)20.69t，最大夾緊速度可達(dá)6.63mm/s，能夠滿足自動化夾緊裝置的要求。

圖4 傳感器產(chǎn)品夾裝測試示意圖

3.2 高效節(jié)能環(huán)保分析

伺服液壓夾緊裝置單次完成待測傳感器產(chǎn)品夾緊的時間為15s左右，是手動夾緊方式的3～5倍；與液壓夾緊方式不差上下，但是伺服液壓夾緊裝置能夠連續(xù)交替完成兩個工位的傳感器產(chǎn)品夾緊，即一個工位產(chǎn)品的測試時間和另一個工位產(chǎn)品的裝卸時間重合，很大程度上減少了夾緊過程中不必要的輔助時間，總體效率是液壓夾緊方式的2～3倍。因此，伺服液壓夾緊裝置能夠滿足高效性要求。

伺服液壓夾緊裝置能夠完成產(chǎn)品的自動化快速夾緊，與手動夾緊方式相比，不僅降低了工人勞動強(qiáng)度，而且節(jié)省了勞動力成本；伺服液壓夾緊裝置完成產(chǎn)品夾緊后，電機(jī)可停止運(yùn)行，工作油缸在電控單向閥的作用下被可靠鎖緊而保持壓力恒定，液壓夾緊方式要保持持續(xù)的壓力，液壓泵需要不停運(yùn)轉(zhuǎn)，造成不必要的能量浪費。伺服液壓夾緊裝置完成一次工作（夾緊和松開）的時間為30s左右，消耗電能為2.3×30÷3600= 0.02 kWh；液壓夾緊方式完成一次工作（夾緊、保持和松開）的時間為50s左右，液壓泵電機(jī)為12kW，消耗電能為12×50÷3600=0.17 kWh。因此，伺服液壓夾緊裝置與傳統(tǒng)夾緊裝置相比，節(jié)能效果顯著。

伺服液壓夾緊裝置動力源為伺服電機(jī)，執(zhí)行元件為液壓缸，無液壓泵和開放式油箱。因此，環(huán)境污染小，噪聲低，符合綠色環(huán)保的要求。

4 結(jié)束語

高效節(jié)能環(huán)保的伺服液壓夾緊裝置綜合運(yùn)用伺服控制技術(shù)、機(jī)密機(jī)械傳動技術(shù)以及液壓傳動技術(shù)，已申請專利，與傳統(tǒng)的夾緊裝置相比，具有以下特點：

（1）該夾緊裝置利用機(jī)電液一體化技術(shù)，可實現(xiàn)夾緊力、夾緊速度的自動化、數(shù)字化控制，并且結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能環(huán)保，能較好的適應(yīng)現(xiàn)代裝備制造技術(shù)向高效化、經(jīng)濟(jì)化、綠色化、自動化、智能化方向發(fā)展的趨勢。

（2）該夾緊裝置和位移傳感器、測力傳感器、接近開關(guān)等元器件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)時，可實現(xiàn)對夾緊壓頭的速度、位移、輸出力等運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行精確控制。因此，該夾緊裝置不僅可以用在稱重/測力傳感器的靜態(tài)性能測試中，還可以用在機(jī)床夾具、壓力的精密加載、金屬材料的力學(xué)實驗以及校準(zhǔn)、壓入、沖壓等場合。

（3）如何采用優(yōu)化設(shè)計的方法，將電機(jī)、絲杠、液壓缸等基本部件有機(jī)集成為一體，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊、使用安裝更加方便，是目前課題組正在研究的問題。但是，這種夾緊裝置的設(shè)計思想、設(shè)計理念，為精密組合機(jī)床夾具、精密壓力加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了一種研究思路。

［1］吳凡，鐘康民.基于三次正交鉸桿增力機(jī)構(gòu)的綠色氣動夾具設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（14）：46-47.

［2］姚遠(yuǎn)，鐘康民.基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的雙向浮動夾緊氣動夾具［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2009（7）：110-111.

［3］王晨，王明娣.基于斜楔-鉸桿-偏心輪的沖擊式自鎖柔性夾具［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010（5）：121-123.

［4］高新新，郭旭紅，黃星.一種綠色化的氣動-液壓-機(jī)械復(fù)合傳動夾具［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（4）：110-111.

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［6］陳汐，馮志華.利用滾/滑-鉸桿增力機(jī)構(gòu)的雙工位夾具設(shè)計與分析［J］.機(jī)床與液壓，2014，42（2）：28-29.

［7］劉揚(yáng).伺服電機(jī)驅(qū)動的機(jī)電及機(jī)電液一體化壓力機(jī)研究［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

［8］夏春風(fēng)，鐘康民，楊麗琴.伺服電機(jī)驅(qū)動的基于齒輪-滾珠絲桿與鉸桿增力機(jī)構(gòu)的綠色化壓力機(jī)設(shè)計［J］.機(jī)械傳動，2013（2）：50-52.

［9］吳國銀，孫承峰，鐘康民，等.回轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)驅(qū)動的雙級雙作用液壓泵的設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（7）：84-85.

［10］王智勇，趙峰，苗玉剛，等.一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的氣液復(fù)合夾具設(shè)計［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，31（1）：6-10.

［11］鐘康民，竇云霞.氣液增壓雙工位高效夾具設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（22）：143.

（編輯 趙蓉）

Design of High-efficiency and Energy-saving Servo-hydraulic Clam ping Device

ZHAO Fenga，MIAO Yu-gangb，HE Binb，F(xiàn)U Ming-xingc，YIN Ji-wuc
（a.Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation；b.School of Mechanical Engineering；c.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi723000，China）

An enterprise tests beam type sensor products by using the traditionalmanual clamping method and hydraulic clampingmethod.Themanual clamping way has problems of low efficiency，high labor intensity；hydraulic clamping way has problems like low energy utilization rate，easy to produce pollution，etc. W ith the rapid development of industrial automation，traditional manual，hydraulic and pneumatic fixture cannotmeet the requirements ofmodern industrial production day by day.The fixture is developing toward automation，intelligent，flexibility，efficient，energy-saving and environmental protection.For this problem，we design a high-efficiency，energy-saving and environmental servo-hydraulic clamping device，analyze its working principle and basic structural characteristics，and derive the formula of clamping force and speed. The clamping device integrates technology of servo，machinery and hydraulic pressure.It is of perfect function and flexible structure，and can realize clamping force and speed automatic and digital control；its comprehensive efficiency is2-3 times of the traditional fixture，energy-saving effect over 70%and w ithout hydraulic pump and open oil tank.

mechatronics and hydraulics integration；servo-hydraulic technology；the clamping device

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）08-0153-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.039

2014-09-23；

2015-04-21

陜西省教育廳科研計劃項目資助（14JF004）；陜西理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金（SLGYCX1529）

趙峰（1979-），男，陜西安康人，陜西理工學(xué)院副教授，博士，研究方向為信號測量與控制，（E-mail）hfengzhao@126.com。