一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计_赵峰

一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计
赵
a b 峰， 苗玉刚 ， 何 b c c 斌 ， 傅明星 ， 尹继武
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（ 陕西理工学院 a． 陕西省工业自动化重点实验室； b． 机械工程学院； c． 物理与电信工程学院， 陕西 汉中 723000 ） 摘要： 某企业梁式传感器产品测试时， 采用的是传统的手动夹紧方式和液压夹紧方式。 手动夹紧方 式存在工作效率低、 劳动强度大等问题； 液压夹紧方式存在能量利用率低、 易产生污染等问题。 随着 工业自动化的快速发展， 传统的手动、 液压、 气动夹具日益不能满足现代工业生产的需求， 夹具正朝 着自动化、 智能化、 柔性化及高效、 节能、 环保的方向发展。针对此问题， 设计了一种高效、 节能、 环保 的伺服液压夹紧装置， 分析了其工作原理和基本结构特征 ， 推出了夹紧力、 夹紧速度计算公式。 该夹 紧装置集伺服、 机械、 液压技术于一体， 功能完善， 结构灵活， 可实现夹紧力、 夹紧速度的自动化、 数字 化控制， 综合效率是传统夹具的 2 3 倍， 节能效果达 70% 以上， 并且无液压泵和开放式油箱。 关键词： 机电液一体化； 伺服液压技术； 夹紧装置 中图分类号： TH122 ； TG65 文献标识码： A
紧固定， 另一端连续加载压力， 其测试示意图如图 1 所 示。某传感器生产企业目前对梁式传感器测试采用的 一种是使用气动 夹紧方式主要有两种（ 如图 2 所示） ， 、 、 扳手 螺钉 压板手工夹紧， 另一种是使用液压缸向上 顶工作台自动夹紧。 手动夹紧方式工作效率低、 劳动 强度大， 一个工人平均每小时只能完成十几个产品测 试， 其中夹紧过程占据了大部分时间。 液压夹紧方式 虽然工作效率高、 劳动强度小， 但是液压油容易泄露，
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结构特征
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夹紧装置工作原理及结构特征
工作原理
高效节能的伺服液压夹紧装置结构原理如图 3 所
（ 1 ） 交流伺服电机、 减速机、 滚珠丝杠副、 液压缸 、 等基本部件均已标准化 系列化， 生产技术较为成熟。 因此， 该夹紧装置整体结构简单、 加工制造容易、 维修 保养方便、 成本低廉。 （ 2 ） 该夹紧装置夹紧力大、 夹紧速度可微调， 夹紧 工件时冲击振动小、 稳定可靠， 能够显著提高工件夹装 效率， 降低工人劳动强度， 保障工件加工质量。
图1
梁式传感器测试示意图
1． 交流伺服电机 2． 轴承座 3． 滚珠丝杠 4． 滚珠丝杠螺母 5． 滑板 6． ZKLN 组合轴承 7． 轴承端盖 8． 锁紧螺母 9． 轴套 10． 导杆 11． 增压油缸 12． 工作 油缸 13． 复位弹簧 14． 电控单向阀 15． 减速机
图3
节能环保的伺服液压夹紧装置结构原理图
图2
某企业梁式传感器夹紧方式
机械产品已逐渐 随着机电液一体化技术的发展， 发展成为包含机械、 液压、 驱动、 控制、 检测反馈及信号 ［ 7 ］ 处理等几个部分的复合式机械系统 。交流伺服电机 是一种数字化闭环控制电机， 具有控制精度高、 调速范 ［ 8 ］ 围宽、 运行平稳、 响应速度快、 过载能力强等优点 ， 作 为一种新兴的执行元件广泛应用于自动控制领域。吴 ［ 9 ］ 国银 等设计了一种液压泵。该液压泵利用伺服电机 进而带动液压缸活塞往复运动实现增压， 大 驱动丝杆， 大提高了设备的自动化、 智能化水平。 在上述研究的基础上， 采用组合创新设计方法， 设 计了一种高效、 节能、 环保的伺服液压夹紧装置。该夹 紧装置以交流伺服电机为动力， 滚珠丝杠副为传动机 构， 液压缸为执行元件， 能分发挥伺服、 机械、 液压三方 面的优点， 具有结构简单、 夹紧力大、 控制精度高以及 高效节能环保等优点， 可以实现工件的自动化、 数字化 快速夹紧。
其工作原理为： 交流伺服电机 1 正转时， 通过减速 机 15 带动滚珠丝杠 3 正转， 丝杠带动丝杠螺母 4 向右 运动， 丝杠螺母 4 通过滑板 5 带动右增压油缸 11 活塞 向右移动压缩液压油， 液压油增压后通过管路、 右电控 14 12 单向阀 作用到右工作油缸 活塞上， 活塞下移带 动夹紧压头将右工位工件夹紧。 同时， 左电控单向阀 14 打开， 左增压油缸 11 活塞在滑板 5 作用下向右移 动， 左增压油缸排出空气吸入油液， 左工作油缸活塞在 复位弹簧 13 作用下， 向上运动排出油液， 从而夹紧压 。 头上移松开左工位工件 当右工位工件加工（ 测试） 完成后， 右电控单向阀 打开， 左电控单向阀关闭， 控制系统控制交流伺服电机 1 反转， 丝杠螺母 4 带动滑板 5 向左运动， 左夹紧压头 下移夹紧左工位工件， 右夹紧压头上移松开右工位工 件， 依次往复循环， 交替夹紧工件。
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引言
夹具是机械加工和制造过程中必不可少的辅助装 备， 主要起定位和夹紧作用。应变式称重 / 测力传感器 是现代工业中常用的一种传感器， 广泛应用于工商业 衡器、 运输载重检测系统、 食品加工、 航空航天等领域。 应变式称重 / 测力传感器在生产过程中需要进行静态 性能测试， 其中梁式传感器在测试时， 需要将其一端夹
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峰， 等： 一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计
Q = S1 v 1 = S2 v 2
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（ 3 ） 液压油为封闭式静压传递， 无液压泵和开放 式油箱， 环境污染小、 能量利用率高； 电控单向阀可保 证工件在被夹紧后伺服电机停机而工作油缸持续保持 夹紧力恒定， 因此节能效果显著。 （ 4 ） 两个夹紧工位交替工作， 即一个工件的切削 加工（ 测试） 时间和另一个工件的装卸时间重合， 能有 ［ 11 ］ 效提高生产效率 。 （ 5 ） 工作油缸采用管路连接， 夹具系统整体布局 柔性较大。 夹紧压头既可以在竖直方向上将工件夹 紧， 也可以在水平方向上将工件从侧面夹紧； 并且增压 装置可布置在工作台底部， 节省工作台上方空间， 使机 器设备整体布局更加简洁、 和谐。
示， 主要有增压装置和夹紧装置两部分组成 。增压装 减速机、 滚珠丝杠副、 滑板、 轴承 置主要有交流伺服电机、 座、 增压油缸、 电控单向阀等组成； 夹紧装置主要有工作油 缸、 复位弹簧、 夹紧压头以及连接管路等组成。滑板 5 的 一端和滚珠丝杠螺母 4 通过螺栓连接固定， 滑板中部加工 有通孔， 通孔中装有直线轴承， 直线轴承和导杆 10 为高副 间隙配合， 导杆一方面对滑板起导向作用， 另一方面阻止 丝杠螺母在移动过程中发生旋转运动； 滑板的另一端和增 压油缸 11 的活塞杆固定连接。减速机主要起到降速增扭 的作用。电控单向阀主要起到停车保压作用。增压油缸 11 和工作油缸 12 之间通过管路连接， 利用液体静压传动 技术实现力的传递与放大。
收稿日期： 2014 － 09 － 23 ； 修回日期： 2015 － 04 － 21 * 基金项目： 陕西省教育厅科研计划项目资助（ 14JF004 ） ； 陕西理工学院研究生创新基金（ SLGYCX1529 ） （ E － mail） hfengzhao@ 126． com。 作者简介： 赵峰（ 1979 —） ， 男， 陕西安康人， 陕西理工学院副教授， 博士， 研究方向为信号测量与控制，
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组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique
DOI： 10． 13462 / j． cnki． mmtamt． 2015． 08． 039
No． 8 Aug． 2015
文章编号： 1001 － 2265 （ 2015 ） 08 － 0153 － 04
Design of Highefficiency and Energysaving Servohydraulic Clamping Device gang b ，HE Bin b ， FU Mingxing c ，YIN Jiwu c ZHAO Feng a ，MIAO Yu（ a． Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation； b． School of Mechanical Engineering； c． School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi 723000 ，China ） Abstract： An enterprise tests beam type sensor products by using the traditional manual clamping method and hydraulic clamping method． The manual clamping w ay has problems of low efficiency ， high labor intensity ； hydraulic clamping w ay has problems like low energy utilization rate ，easy to produce pollution，etc． With the rapid development of industrial automation，traditional manual，hydraulic and pneumatic fixture cannot meet the requirements of modern industrial production day by day． The fixture is developing tow ard automation ，intelligent， flexibility ， efficient， energysaving and environmental protection． For this problem ， w e design a highefficiency ，energysaving and environmental servohydraulic clamping device，analyze its w orking 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 is 23 times owk.baidu.com the traditional fixture ，energysaving effect over 70% and w ithout hydraulic pump and open oil tank． Key words： mechatronics and hydraulics integration； servohydraulic technology ； the clamping device
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组合机床与自动化加工技术
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液压泵持续运转， 造成噪声污染和能量 造成环境污染， 浪费。气动夹紧方式虽然高效节能环保， 但是压缩空 ［ 2 ］ 气易泄露 ， 夹紧力不能满足要求。 系统工作压力低， 随着工业自动化的快速发展， 传统的液压、 气动、 手动 夹具已不能满足生产加工的需求， 夹具正朝着自动化、 高效 化、 智 能 化、 柔性化以及绿色经济化的方向发 ［ 3 ］ ［ 46 ］ 肖莹华、 等计了一种气动 － 机 展 。高新新、 陈汐 械 － 液压复合夹具。 这些夹具整体结构简单， 输出力 大， 经济环保， 但是存在以下问题： 压缩空气容易泄露， 不能长时间保持压力恒定； 气体具有可压缩性， 工作稳 。 定性差； 夹紧力和夹紧速度不能精确控制