CN116922121A - 一种自动化柔性圆筒夹具及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自动化柔性圆筒夹具及其应用，所述自动化柔性圆筒夹具包括可旋转的转台机构和可互换的夹紧机构；所述夹紧机构安装在所述转台机构上，由所述转台机构带动旋转；所述转台机构包括转盘、转轴、交流电机、气动空心缸，其中所述交流电机、气动空心缸、转轴依次连接，所述转轴带动所述转盘旋转；所述夹紧机构包括N个、沿圆周方向均匀分布的夹紧单元，其中N≥3。本申请提供了一种专用的自动化、灵活的旋转工作台，具有可移动、可调性、灵活性、高定位精度和可互换的夹紧机构，能在超声喷丸成形过程中夹持大型圆筒薄壁零件。本发明的结构经过优化后，与现有设计相比，重量轻，加工制造成本低，占用空间少等特点。

Description

一种自动化柔性圆筒夹具及其应用

技术领域

本申请涉及一种自动化柔性圆筒夹具及其应用，属于制造和机床工业技术领域。

背景技术

铝制薄壁零件具有重量轻、强度高的优点，广泛用于航空航天等领域。铝制薄壁件(即壳体、环、管、轮毂、六角形薄壁件)通常采用超声喷丸工艺加工成型。薄壁零件缺乏能承受超声喷丸成形加工中产生的切削力所需要的静态刚度和动态稳定性。超声喷丸成形工艺将超声电频转化为机械振动并驱动撞针高速轰击平坦或弯曲的零件。这些针通常是由直径约3毫米的45号钢制成的，以使材料表面产生塑性变形。在这一薄层中，重复冲击作用在垂直于表面的方向上，使得材料产生压缩；同时，在与表面相切的方向上使得材料产生拉伸。这个过程中，工件表层与底层材料的应力不一致，导致工件发生变形。

在大型薄壁零件的自动化超声喷丸成形加工过程中，零件的自由变形将改变冲击角度，这意味着冲击能量的改变。对于被夹紧的零件，也会产生更显著的变形。局部压痕也会引起工件的静态位移、接触面的大变形和更高的结构顺应性。因此，具有复杂几何、形状和尺寸的薄壁零件必须恰当地放置在一个可调整的夹具中，以达到期望的精确定位，同时需要具有稳定和刚性的支撑，使得工件不会在夹紧力、切削力甚至是自身重量的作用下发生弹性偏转或变形。这样还可以确保在喷丸过程中有恒定和可重复的处理强度。

此外，加工时的工件振动会使夹钳在工件表面上产生不需要的夹痕和颤振痕迹，导致工件表面变形，显著影响了零件的机械加工精度和表面质量。相应地，这些振动可能会导致过度疲劳，提高操作成本并降低工艺处理效率和效果。另外，由于常规夹具的摩擦力无法提供所需的夹持力，容易导致工件发生滑移。因此，在任何时候，夹紧力必须足够大，满足在任何有限度的外部负载下保持力闭合，使得零件和夹钳之间一直保持紧密接触。

为了提高机械加工时的精度，需要可靠的夹具对待加工件进行定位和固定。在管道、壳体、环、管、导管和轮毂等工件的加工中，由于加工工艺方式和待加工部位不同，对夹具都需要有不同的设计要求，以保证具有合适夹紧部位和足够的夹紧力，而一些常规的圆筒夹具不能够满足超声喷丸成形等加工方式的需求，故以下主要介绍几种针对夹紧圆筒的夹具设计方法。

专利文献CN202210711393.1中介绍了一种柔性可变圆筒薄壁类零件铣切夹具，虽然其夹具内部设计有不同规格的弧形顶块用于对圆柱形薄壁件进行微调用于增加基础面积从而达到充分夹紧的作用，但是由于两个半圆抱箍实际直径尺寸的限制，每款夹具都只能同于同一尺寸的圆柱形薄壁件，导致其通用性差。同时，此夹具夹紧面积大且会将圆柱形薄壁件外壁大面积包裹，导致机械手不可达，被包裹部位无法被加工到，不适用于超声喷丸成形加工。

专利文献CN201621407124.2公开了快捷式圆筒形工件夹具，使用时，向下旋转紧固件，紧固件压缩锥形固定管使其上口变小进而箍住内部的工件。该夹具结构简单，操作方便，但是显然只能夹持小型零件，不适合用于夹持大型圆柱形薄壁件。同时，机器人加工精度高地很大程度上取决于测量精度，而在对夹具进行标定后，此夹具定位精度差，在夹持一些变形程度较大的圆柱形薄壁件时，无法保证工件的中心轴线与倒锥形固定管重合，这将降低实际加工精度。此外，需要将圆柱形薄壁件的一部分放置于倒锥形固定管中，同样也会导致待处理零件被夹具覆盖的区域无法被机械加工到的情况。

专利文献CN201620229564.7公开了一种薄壁圆筒类零件加工用的夹具，包括支撑筒以及位于支撑筒内部的旋杆，在旋杆的左端端部固定有一个圆盘挡台，在支撑筒的右端端部固定设有一个螺母，旋杆的右端穿过螺母且在旋杆的表面设有与螺母配合的螺纹，在支撑筒表面设有活动环套和固定环套，活动环套至少设有两个，位于圆盘挡台和固定环套之间且活动环套能在支撑筒表面移动，装置还包括若干支撑板且支撑板能组合呈圆形状，支撑板的左右两端分别通过活动连杆分别与圆盘挡台和活动环套、两个活动环套以及活动环套和固定环套连接。该夹具可以根据工件的直径进行调整，通用性高，且夹持点位多，但是由于超声喷丸加工过程中，工件需要频繁承受较大的冲击力，而该结构刚性不足，容易造成夹具频繁损坏或者发生变形，会导致增加维护成本和降低加工精度的情况，不适用于超声喷丸成形加工。同时该夹具装卸工件较为麻烦，需要将工件移动较多距离，生产效率较低。

发明内容

为了满足自动化超声喷丸成形加工过程中对工件高精度、高可靠性定位要求，解决大多数现有的夹具和夹紧机构无法满足对复杂几何形状和尺寸的大型薄壁零件(例如弯曲、六角形)进行可互换的夹紧要求的问题。本申请设计了一种可调节、可互换的夹具。它具有能够夹持复杂几何形状和尺寸的大型薄壁件的优点，真正保证了能准确可靠地定位待加工工件；满足指定的精度要求；并具有足够刚度的工具的高适配性和可调性，提供抗形变的稳固、坚硬和稳定的支撑；使工程师能够快速安全地装卸待加工工件；使用寿命长、维护成本低；可以从工件内面或者从外面实现稳定夹紧。它能提供足够的夹紧扭矩和夹紧力，以应对大型薄壁件的重切削和负载。使用时将所设计的夹具搭载在一个专用的转台上，夹紧工件后通过转台和机械手的反复运动来实现超声喷丸成形自动化加工。

本申请的一个方面，提供了一种自动化柔性圆筒夹具，具有可移动和可互换夹紧机构的自动化、柔性转台，能在超声喷丸成形加工中对大型薄壁零件在垂直转台方向上进行夹持。与现有夹具相比，本申请具有可互换、自动夹持不同几何形状和低刚度的大型薄壁零件的优点。它保证了处理后的零件定位指标、精度要求并能输出足够的夹持扭矩和夹持力，有足够刚度的工具的高适配性和可调性；提供坚固、坚硬、稳定的却又不会导致零件变形的支撑；能够快速轻松地装卸处理过的零件；且拥有灵活、耐用和低成本可维护性等优势。

所述自动化柔性圆筒夹具包括可旋转的转台机构和可互换的夹紧机构；所述夹紧机构安装在所述转台机构上，由所述转台机构带动旋转；

所述转台机构包括转盘、转轴、交流电机、气动空心缸，其中所述交流电机、气动空心缸、转轴依次连接，所述转轴带动所述转盘旋转；

所述夹紧机构包括N个、沿圆周方向均匀分布的夹紧单元，其中N≥3；

所述夹紧单元包括夹块、可调节锁紧组件和可拆卸的L形夹臂组件；

所述可调节锁紧组件穿过所述夹块，与所述L形夹臂组件连接，用于调整所述L形夹臂组件的位置；所述夹块用于锁紧、固定所述L形夹臂组件的位置；

所述L形夹臂组件沿外圆周方向的外壁与所述待加工零件的内壁摩擦接触，用于固定待加工零件的位置。

本申请中，气动空心缸的最大夹持力≥3000N，且能压缩空气压力至0.4MPa～0.6MPa，以此控制每个夹紧行程为20mm～30mm的夹臂开口。

本申请中，旋转的工作台可以提供较高的夹紧力矩，并围绕转轴中心带动工件进行圆周运动，然后配合机械手重复移动来进行机械加工。

本申请中，处理过的圆柱形薄壁零件可以放置、紧固于该转台，并在可互换的L形夹臂上，根据零件实际尺寸，围绕其内壁对管、壳体、环或围绕其外壁对零件进行调整并垂直夹紧。

可选地，所述L形夹臂组件包括L形夹臂和可拆卸的垫块；

所述垫块的安装侧面沿垂直方向安装在所述L形夹臂的垂直端；

所述垫块的自由侧面与所述待加工零件的内壁摩擦接触，用于固定待加工零件的位置；

所述垫块中间开有凹槽，便于夹持存在凸缘的圆筒零件。

可选地，所述可调节锁紧组件包括可调节螺钉和2个拉紧螺母；

所述可调节螺钉穿过所述夹块，与所述L形夹臂的水平端固定连接；

所述可调节螺钉分别通过拉紧螺母，与所述夹块的侧面和所述L形夹臂的水平端的侧面紧固连接。

本申请中，夹臂用于夹持不同尺寸的圆筒工件，转盘，将处理零件绕转台中心作圆周运动，并配合机器人加工时的实际需求反复转动。被处理零件可以放置、紧固于该转台，并在可互换的L形夹臂上，根据零件实际尺寸，围绕其内壁对管、壳体、环或围绕其外壁对零件进行调整并垂直夹紧。此外，夹臂是可更换的，可根据所处理零件材料对可拆卸垫块进行更换，以减少机械加工期间的摩擦和形变。

可选地，所述夹紧单元还包括“凵”形支撑板；

所述L形夹臂组件在“凵”形支撑板的开槽口内移动。

可选地，所述夹紧单元还包括夹紧关节；

所述夹紧关节与所述夹块固定连接；

所述夹紧关节的侧面与所述“凵”形支撑板的底端的竖直侧面固定连接，与所述夹块配合，用于固定所述L形夹臂组件的位置。

可选地，所述N＝3。

可选地，所述夹紧机构还包括V型滑动器关节和锥形接头夹；

所述锥形接头夹与所述转轴连接；

所述V型滑动器关节的分别于所述夹紧单元和所述锥形接头夹连接。

可选地，所述锥形接头夹沿径向方向设有20mm～30mm的夹臂开口，由气动空心缸控制锥形接头上下移动，并通过夹臂开口带动所述L形夹臂组件径向移动。

具体地，所述夹臂开口是指锥形接头上的开口槽，这个转台可通过控制气动空心缸气体进出带动夹臂开口上下移动，并通过V型滑动器关节和锥形接头夹的传动配合，带动夹紧机构在径向进行小距离伸缩。但是气动空心缸带动的位移有限且只有最大和最小两个点，因此通过L型夹臂扩大可用的直径范围，并可以对区间内任意大小直径的圆筒进行夹持。

可选地，所述转台机构还包括气缸套、主体框架和安装基座；

所述气动空心缸固定在所述气缸套内；

所述气缸套于所述主体框架通过法兰固定连接；

所述主体框架固定在所述安装基座上。

可选地，所述转台机构还包括减速器；

所述交流电机通过减速器与所述气动空心缸连接。

作为一种具体的实施方式，所述自动化柔性圆筒夹具包括两个部分：一个转台和一个可互换的夹紧机构。本申请技术设计的转台包括转盘、转轴、交流电机、减速器、最大夹持力≥3000N的气动空心气缸，且能压缩空气压力至0.4MPa～0.6MPa，以此控制每个夹紧行程为20mm～30mm的夹臂开口。所述转轴被安置在套管和夹紧机构中。旋转工作台可以提供较高的夹紧力矩，并围绕转轴中心带动工件进行圆周运动，然后配合机械手重复移动来进行机械加工。可互换的由可拆卸的L形夹臂、可调节的帽螺钉和夹块三部分组成。处理过的圆柱形薄壁零件可以放置、紧固于该转台，并在可互换的L形夹臂上，根据零件实际尺寸，围绕其内壁对管、壳体、环或围绕其外壁对零件进行调整并垂直夹紧。L型夹臂由两部分组成，第一部分可安装在转台的工作台上，待加工工件可放置在其上，第二部分是可拆卸的垫块，安装在L型夹臂上。此外，可拆卸垫块与待加工工件有相同的材料，以此减少加工过程中的摩擦和形变。

本申请的另一个方面，提供一种上述的自动化柔性圆筒夹具在自动化超声喷丸成形加工薄壁件中的应用，所述薄壁件包括圆柱形薄壁零件和/或六角形薄壁零件。

可选地，所述垫块的材料与所述薄壁件的材料相同。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请提供了一种专用的自动化、灵活的旋转工作台，具有可移动、可调性、灵活性、高定位精度和可互换的夹紧机构，能在超声喷丸成形过程中夹持大型圆筒薄壁零件。本发明的结构经过优化后，与现有设计相比，重量轻，加工制造成本低，占用空间少等特点。

2)与现有技术相比，本申请所提出的转台能够提供足够的夹紧力，并围绕转轴中心带动工件进行圆周运动，并能高精度地绕机器人工作站做重复移动。在保证互换性、可调性和灵活性的同时，提供内夹和外夹两种夹紧方式。可以在转台上安装传感器，在整个机械加工过程中提供自适应反馈，与机器人超声喷丸工作站集成。与现有设计相比，经济效益高，占用空间小。

3)本申请所提供的结构有效地为圆形和六角形零件提供了多功能、可互换和灵活的高精度内外夹持。该夹具经过优化后，重量轻，加工制造成本低，占用空间少。后续可以在夹具上安装传感器，在整个机械加工过程中提供自适应反馈，并可与机器人超声喷丸工作站集成。

附图说明

图1为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的转台机构的结构示意图；

图2为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的剖面图；

图3为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的夹紧机构的示意图；

图4为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的整体结构示意图(主视图)；

图5为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的整体结构示意图(右视图)；

图6为本申请实施例中自动化柔性圆筒夹具的整体结构示意图(俯视图)。

部件和附图标记列表：

1、转盘；2、L形夹臂组件；3、支撑块；4、法兰关节；5、气动空心旋转气缸；6、法兰关节；7、气缸套；8、交流电机；9、方法兰；10、主体框架；11、支撑杆；12、安装基座；13、安装孔；14、减速器；15、气缸套；16、柱塞杆；17、进气孔；18、减速器外壳；19、转轴；

21、L型夹臂；22、垫块；23、夹臂孔；24、凹槽；25、支撑板；26、直槽口；27、夹块；28、拉紧螺母；29、可调节螺钉；

210、夹紧关节；211、V型滑动器关节；212锥形接头夹。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例1

参阅图1～6，本申请提供一种技术方案：一种自动化柔性圆筒夹具，包括可旋转的转台机构和可互换的夹紧机构；所述夹紧机构安装在所述转台机构上，由所述转台机构带动旋转；所述转台机构包括转盘1、转轴19、交流电机8、气动空心旋转气缸5，其中所述交流电机8、气动空心旋转气缸5、转轴19依次连接，所述转轴19带动所述转盘1旋转；

所述夹紧机构包括3个、沿圆周方向均匀分布的夹紧单元；所述夹紧单元包括夹块27、可调节锁紧组件和可拆卸的L形夹臂组件2；所述L形夹臂组件2包括L形夹臂21和可拆卸的垫块22；所述垫块的安装侧面沿垂直方向安装在所述L形夹臂21的垂直端；所述垫块的自由侧面与所述待加工零件的内壁摩擦接触，用于固定待加工零件的位置，自由侧面设有凹槽24和夹臂孔23；所述可调节锁紧组件包括可调节螺钉29和2个拉紧螺母28；所述可调节螺钉29穿过所述夹块27，与所述L形夹臂21的水平端固定连接，所述L形夹臂21的水平端还设有直槽口26；所述可调节螺钉29分别通过拉紧螺母28，与所述夹块27的侧面和所述L形夹臂21的水平端的侧面紧固连接。所述夹紧单元还包括“凵”形支撑板25；所述L形夹臂组件在“凵”形支撑板25的开槽口内移动。所述夹紧单元还包括夹紧关节210；所述夹紧关节210与所述夹块27固定连接；所述夹紧关节210的侧面与所述“凵”形支撑板25的底端的竖直侧面固定连接，与所述夹块27配合，用于固定所述L形夹臂组件的位置。所述夹紧机构还包括V型滑动器关节211和锥形接头夹212；所述锥形接头夹212与所述转轴19连接；所述V型滑动器关节211的分别于所述夹紧单元和所述锥形接头夹212连接。锥形接头夹212沿径向方向设有20mm～30mm的开口槽(夹臂开口)，由气动空心缸控制锥形接头上下移动，并通过夹臂开口带动所述L形夹臂组件径向移动。

所述转台机构还包括气缸套15、主体框架10和安装基座12；所述气动空心旋转气缸5固定在所述气缸套15内；所述气缸套15于所述主体框架10通过方法兰9固定连接；所述主体框架10固定在所述安装基座12上；所述转台机构还包括减速器14和减速器外壳18，减速器安装于减速器外壳18内；所述交流电机8通过减速器14与所述气动空心旋转气缸5连接。转盘1通过支撑块3与法兰关节4连接，法兰关节4和法兰关节6之间设置气动空心旋转气缸5；气动空心旋转气缸5通过法兰关节6固定在气缸套7/15内；所述主体框架10与安装基座12之间设有支撑杆11，安装基座12表面设有安装孔13。转轴19与柱塞杆16连接，气动空心旋转气缸5还设有进气孔17。

采用本实施例的自动化柔性圆筒夹具，用于处理薄壁零件的自动化超声喷丸成型，所处理的薄壁零件可根据零件实际尺寸，对管、壳体和环等，围绕其内壁或外壁垂直放置在可调节的L型夹臂上。通过可调节的夹臂、夹块、帽螺丝和紧固螺母，可以将待加工工件以足够的夹紧力固定。转台可以提供较高的夹紧力矩，并围绕转轴中心带动工件进行圆周运动，然后配合机械手重复移动来进行机械加工。气动空心气缸可提供≥3000N的最大夹持力和0.4MPa～0.6MPa压力的压缩空气，以此控制每次夹持行程为20mm～30mm的夹臂张开。所述转轴被设置在套管和夹紧机构中，转台的结构及其夹紧器提供了高夹紧精度，它可以克服不稳定性，如由于摩擦力破坏导致的夹具自身部件之间的滑动和由于夹紧力和扭矩不足导致在加工过程中引起工件的振动位移。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述自动化柔性圆筒夹具包括可旋转的转台机构和可互换的夹紧机构；所述夹紧机构安装在所述转台机构上，由所述转台机构带动旋转；

所述转台机构包括转盘、转轴、交流电机、气动空心缸，其中所述交流电机、气动空心缸、转轴依次连接，所述转轴带动所述转盘旋转；

所述夹紧机构包括N个、沿圆周方向均匀分布的夹紧单元，其中N≥3；

所述夹紧单元包括夹块、可调节锁紧组件和可拆卸的L形夹臂组件；

所述可调节锁紧组件穿过所述夹块，与所述L形夹臂组件连接，用于调整所述L形夹臂组件的位置；所述夹块用于锁紧、固定所述L形夹臂组件的位置；

所述L形夹臂组件沿外圆周方向的外壁与所述待加工零件的内壁摩擦接触，用于固定待加工零件的位置。

2.根据权利要求1所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述L形夹臂组件包括L形夹臂和可拆卸的垫块；

所述垫块的安装侧面沿垂直方向安装在所述L形夹臂的垂直端；

所述垫块的自由侧面与所述待加工零件的内壁摩擦接触，用于固定待加工零件的位置；

优选地，所述可调节锁紧组件包括可调节螺钉和2个拉紧螺母；

所述可调节螺钉穿过所述夹块，与所述L形夹臂的水平端固定连接；

所述可调节螺钉分别通过拉紧螺母，与所述夹块的侧面和所述L形夹臂的水平端的侧面紧固连接。

3.根据权利要求1所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述夹紧单元还包括“凵”形支撑板；

所述L形夹臂组件在“凵”形支撑板的开槽口内移动。

4.根据权利要求3所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述夹紧单元还包括夹紧关节；

所述夹紧关节与所述夹块固定连接；

所述夹紧关节的侧面与所述“凵”形支撑板的底端的竖直侧面固定连接，与所述夹块配合，用于固定所述L形夹臂组件的位置。

5.根据权利要求1所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述N＝3。

6.根据权利要求1所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述夹紧机构还包括V型滑动器关节和锥形接头夹；

所述锥形接头夹与所述转轴连接；

所述V型滑动器关节的分别于所述夹紧单元和所述锥形接头夹连接。

7.根据权利要求6所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述锥形接头夹沿径向方向设有20mm～30mm的夹臂开口，用于带动所述L形夹臂组件径向移动。

8.根据权利要求1所述的自动化柔性圆筒夹具，其特征在于，

所述转台机构还包括气缸套、主体框架和安装基座；

所述气动空心缸固定在所述气缸套内；

所述气缸套于所述主体框架通过法兰固定连接；

所述主体框架固定在所述安装基座上；

优选地，所述转台机构还包括减速器；

所述交流电机通过减速器与所述气动空心缸连接。

9.一种权利要求1～8任一项所述的自动化柔性圆筒夹具在自动化超声喷丸成形加工薄壁件中的应用，其特征在于，

所述薄壁件包括圆柱形薄壁零件和/或六角形薄壁零件。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，

所述垫块的材料与所述薄壁件的材料相同。