岑达胜

(东风本田发动机有限公司，广东广州 510700)

0 引言

随着产品多样化的发展和加工技术的进步，多品种共线的柔性化生产渐成主流，对机床夹具的使用性能和结构提出结构简单、精度高、强度高、通用性好和柔性高等新要求[1-2]。为进一步提高夹具的自动化程度，并且更好地实现多品种柔性化生产，公司新导入的卧式加工中心上采用新式的十回路的旋转工作台，为伺服驱动的高精度B轴工作台。转台中心集成了旋转分配器，能为夹具提供九路油压或气压回路，另加一路冷却液回路，比过往使用的旋转台多出4个回路，为夹具的自动功能提供了很大的扩展空间。原有的六回路自动夹具设计不再适用，必须针对新式的十回路旋转工作台设计全新的夹具。本文作者根据十回路旋转台和自动夹具的要求，阐述、分析并设计一套多品种共用的加工中心柔性自动夹具。

1 夹具功能设计

1.1 夹具样式与定位

夹具所加工工件为汽车发动机缸盖，主要加工内容为精铣缸盖底面和其他孔系。根据卧式机床和工艺内容，采用立式夹具设计，工件通过夹具立面上的一面两销定位，缸盖底面朝外，排气面朝上。通过工作台的±90°旋转，可加工缸盖前后两端面的孔系。

1.2 夹具功能设计

根据生产工艺的需要，该工序生产品种多达8个。通过分析各品种工件的外形特征和加工工艺，并且考虑以后新品种的扩展需求，确定采用模块化组合夹具的形式，具有快速更换、高精度、基准统一等优点[3]。夹具为双面夹具设计，即一个夹具本体的正反两面各组合安装一个快换板，通过更换快换板来实现更多品种的装夹

和加工。每个快换板均采用模块化设计，可根据工艺要求装夹多个不同品种的工件，板上包含定位块、定位销、卡爪、油缸和着座气密检测块等零件，由机床提供的液压回路来自动控制夹紧和松开。

1.3 控制回路的分配

工序采用机器人自动上下料，所以夹具必须具备全自动的控制功能，由加工中心控制，并与机器人互联。利用旋转工作台提供的9+1回路，设定了控制功能(表1)。

表1 回路控制功能表

2 夹具的结构设计

2.1 夹具主体的设计

夹具主体底面与旋转台顶面贴合，通过两个定位销来定位。控制回路经过旋转工作台从夹具本体正下方进入夹具。根据各回路的位置分布，选取靠前后两立面的各3个回路来为快换板分别提供夹紧、松开油路和工件气密检测回路。快换板三回路与夹具本体回路的连接由下方的3个微型快速接头实现。快速接头在正反两面的位置和安装规格完全一样，保证了模块化和通用性设计。

快换板与夹具本体的结合采用单作用随行夹紧器。该随行夹紧器由碟形弹簧提供夹紧力，由液压力松开，并提供快换板的气密检测回路，具有高精度、高夹紧力、高效率等优点。每个快换板由一套4个随行夹紧器夹紧，总的夹紧力为16 kN，由圆锥和开边圆锥面定位，重复定位精度高达0.003 mm。通过液压力松开，可能实现快换板的快速更换并保持高精度。快换板兼有随行夹具的属性，实现工件的高效夹持和换型自动化，节省切换时间,提高机床的有效使用率,提高生产效率,降低加工成本[4]。

从主体回路中选取对称的两个回路分别控制两侧各4个随行夹紧器的松开。由于回路数的限制，文中采用一个气压回路来同时检测两个快换板的夹紧状态。

在机器人自动上下料的自动夹具应用中，铝屑残留在定位块表面而影响装夹精度的情况时有发生。文中设计中，利用中心冷却液回路，设计夹具顶喷淋，提供定位块和定位销的定点冲洗，有助于工件的精确装夹，提高加工品质。

具体的功能元件布局如图1所示。

图1 主体功能元件布局

2.2 快换板的设计

快换板的作用是为特定品种的工件提供定位基准和夹紧功能，其快速更换的特性，可以缩短工装夹具更换调整时间，提高生产线开动率[5]。文中设计的快换板除了高精度、多品种共用、高夹紧力要求外，还必须符合轻量化、模块化等要求。

通过分析工件的外形特征和加工工艺，每个品种均设计6个均匀分布的定位块，其中两个同时作为工件着座气密检测块，3个夹紧点。夹紧动作由液压油缸带动卡爪来执行。夹紧油缸采用标准旋转夹紧油缸，缸径36 mm，在3.5 MPa的额定压力下，3个油缸共产生4 kN的压紧力(卡爪臂长约100 mm)，保证工件在加工过程中足够牢固。

每个快换板均有夹紧、松开两个油路和气密检测回路。3个回路从下方的快速接头引出，分布在独立的平面上，通过中间的分支，到达对应位置的出口。全部采用暗管设计，无须任何外接管路，大大地减少了快换板的厚度和质量，同时最大限度地降低了管路泄漏。三层暗管的方法使夹紧油缸的位置更灵活、更容易地实现模块化，大大提高了不同品种快换板的设计效率。

具体功能元件布局如图2所示。

图2 快换板功能元件布局

2.3 夹具精度分析

文中设计中工件定位采用的一面两销定位方式，是工件以一个平面和两个与平面垂直的孔作为定位基准的组合定位方式，应用于批量生产的箱体类替零件[6]。而机床夹具及零部件国家标准GB/T2205和GB/T2204规定了各种常见规格定位销的尺寸与公差[7]。文中圆销和菱销与两定位孔的配合分别为H7/g6和H7/f7。通过计算，两销装配后的中心间距公差控制在0.02 mm以内，可得工件的基准位移误差0.035 mm，符合加工工艺精度要求[8]。其他重要的装配精度要求见表2。

表2 夹具静态精度检测表 mm

2.4 夹具的装配

夹具按照以下步骤装配：

(1)在夹具本体两面安装快速接头、随行夹紧器(动作部)、导向销和管路堵塞；

(2)在快换板上安装快速接头、随行夹紧器(环部)和管路堵塞；

(3)在快换板上安装油缸、卡爪、定位块和定位销；

(4)通过检测液压把随行夹紧器松开，将装配好的快换板安装到本体上；

(5)安装顶喷淋及其管路附件；

(6)安装本体定位销。

装配后效果如图3所示。

图3 装配效果图

3 夹具的使用

文中夹具的使用方法与过往的自动夹具一样，由机器人上料，加工中心输出夹紧液压力，夹具执行夹紧动作并反馈夹紧到位信息，机器人离开后进行自动加工。加工后由机器人下料，完成整个流程，从而实现工序的全自动化。

顶喷淋通过加工程序来控制开关时间。快换板的松开和夹紧均通过加工中心的M指令来执行。

4 结束语

文中夹具在保持高精度、全自动化、柔性化的基础上，充分利用十回路旋转台所提供的回路，增加了自动顶喷淋功能，减少装夹过程中异物影响，提高了工件装夹的精度；利用随行夹紧器增加了快换板快速更换功能，减少品种切换时间的同时保持高重复精度，提升生产线开动率；全自动控制的功能，满足机器人自动装卸工件的要求。