楊朋朋 李權(quán)飛 魯鵬勇 劉世財(cái) 崔智博 張龍騫 彭文利

（嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314000）

0 引言

管材在各行業(yè)被大量使用， 而下料工序是管材后續(xù)加工的基礎(chǔ)，下料精度和效率的高低直接影響到相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量及成本的高低。管件定長切割加工，主要是將管材切割成要求的長度。 目前的管件切割方式多采用手工送料、手工夾緊的方式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了批量加工管材的要求,因此實(shí)現(xiàn)夾緊以及切割和送料自動(dòng)化顯得十分重要。

1 設(shè)計(jì)要求

夾緊裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊單根或多根不同尺寸的圓形和矩形截面的金屬管材。 管材長度一般不大于12m， 圓管直徑范圍為15～55mm，矩形管高不大于200mm，寬不大于35mm 的都能使用此裝置。該裝置能夠自動(dòng)夾緊，其夾緊后的管材不能滑動(dòng)，有效夾緊后不能損傷管材。 此外，該裝置還應(yīng)安全可靠，靈活高效，便于操作和維修。

2 夾緊裝置的總體設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 夾緊裝置的設(shè)計(jì)說明

該夾緊裝置采用氣動(dòng)的形式來完成夾具的自動(dòng)夾緊與松開。夾具體的設(shè)計(jì)是參考了虎鉗的夾緊原理，由一個(gè)矩形空心框2 和一塊可調(diào)夾板4 組成，這樣可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)夾緊多根和夾持不同形狀的管材的要求。 氣缸和夾具體都安裝在用一塊矩形鋼板做成的底座上，氣缸的安裝形式是腳架式， 氣缸活塞桿6 與可調(diào)夾板4 的連接形式為鉸接，底座再與機(jī)架用螺釘連接。 該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)夾緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 夾緊裝置的工作原理

本裝置可調(diào)夾板4 上的夾緊套3 有兩種形式，分別為矩形套和弧形套（圖2 所示）矩形套用于夾緊方形管材，弧形套用于夾緊圓形管材，可保證不同形狀管材的夾緊；兩種夾緊套為橡膠材料，橡膠制品有較大的彈性變形，實(shí)現(xiàn)了多數(shù)量管件的夾緊。自動(dòng)夾緊裝置工作流程：由送料裝置將管材送入夾緊裝置，此時(shí)氣泵開始驅(qū)動(dòng)，將氣體通入氣缸8，活塞桿6 在氣體的作用下，推動(dòng)可調(diào)夾板4 將管材夾緊，整體流程在PLC 系統(tǒng)控制下運(yùn)行。

圖2 夾緊套

自動(dòng)夾緊裝置需要配合送料裝置和切割裝置的運(yùn)行，因此總體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、移動(dòng)氣動(dòng)夾具、固定氣動(dòng)夾具、切割機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)。首先自動(dòng)送料裝置把管材送入移動(dòng)夾具內(nèi)時(shí)，移動(dòng)夾具夾緊管材；電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)使夾持著管材的移動(dòng)夾具往前移動(dòng)， 直到管材前段超過切割機(jī)指定尺寸時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)；接著固定夾具運(yùn)動(dòng)，把管材夾緊，此時(shí)管材已被正確固定，切割機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管材的切割，得到所需管件；之后移動(dòng)夾具松開管材，回到起始位置，再次夾緊管材；然后固定夾具松開管材，由移動(dòng)夾具夾持著管材到達(dá)指定位置，固定夾具夾緊管材，接著重復(fù)以上切割操作。 整個(gè)過程中管材的運(yùn)送、夾緊、切割都是在PLC 系統(tǒng)控制下，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的自動(dòng)化操作。

3 主要組成部分的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)所需管材的形狀尺寸與數(shù)量確定本裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸的流程如下：

3.1 夾緊裝置夾緊力的計(jì)算

以截面形狀為圓形的管材為受力分析圖，將分析中的弧形套夾緊方式簡化為V 形塊分析[1-3]，得到夾緊力為654N。

3.2 氣缸的設(shè)計(jì)

采用普通型單活塞桿雙作用氣缸，選擇氣缸的安裝方式為腳架式比較適合做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸[4-5]。通過計(jì)算得出氣缸內(nèi)徑90mm,壁厚在7mm,理論輸出力1307N。

3.3 活塞桿的尺寸設(shè)計(jì)

活塞桿是用來傳遞力的重要零件，要求能承受拉伸、壓縮、振動(dòng)等負(fù)載，可選活塞桿材料為45＃ 鋼，鋼材表面需鍍硬鉻及調(diào)制處理，28～32HRC，做出直徑設(shè)計(jì)[4]，確定出活塞桿直徑為16mm。 活塞桿計(jì)算長度為85mm。

3.4 耗氣量的計(jì)算

氣缸在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的壓縮空氣的量這就是氣缸的耗氣量，它與氣缸的性能無關(guān)，但這是用來確定氣動(dòng)回路耗氣量的重要參數(shù)之一。平均耗氣量是有氣缸容積和氣缸每分鐘往返次數(shù)算出的平均值[5]，得出值為 6.23L/min。

3.5 支承架的設(shè)計(jì)

自動(dòng)夾緊裝置在工作時(shí)必須與自動(dòng)送料裝置和切割裝置在同一工作面上，這樣就需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)架使得送料裝置、夾緊裝置、切割裝置能在同一工作面上。 機(jī)架的高度根據(jù)人體工程學(xué)，以男性為操作者將機(jī)架高度定為900mm 比較合適。安裝夾緊裝置部分的寬為300mm，長為795mm。

3.6 其它零部件的計(jì)算

上面以弧形套在夾緊過程中受到多個(gè)圓形管材受壓時(shí)受力分析，管材與夾緊套四個(gè)接觸點(diǎn)分別受徑向力與切向力。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出夾緊套最厚部分為20mm,最薄部分為10mm。

4 小結(jié)

根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求， 本文進(jìn)行了大量市場調(diào)研和資料查閱工作，提出了設(shè)計(jì)思路，完成了夾緊裝置總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并對其驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制方式進(jìn)行了詳細(xì)地分析和設(shè)計(jì)。 該夾緊裝置能夠?qū)崿F(xiàn)管材夾緊的自動(dòng)化，不但可以提高切割的精度和生產(chǎn)效率，而且適用于多種截面形狀和尺寸管材的夾緊。 因此在管材的加工過程中，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

［1］吳拓.現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］田培棠,石曉輝,米林.夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京： 國防工業(yè)出版社,2011.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2009.

［4］張利平.液壓氣動(dòng)技術(shù)速查手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

［5］王繼偉，章宏佳，黃宜.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.