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摘要： 为解决机床夹具实验教学中夹具的不足，本文设计一种用于实验教学的夹具综合实验台。该实验台实现了夹具本体、液压控制的结合。在功能分析的基础上确定了总体结构设计、机械部分等其他零部件的设计。该实验台可实现相关机床夹具的认知实验及创新性设计实验，为机械类专业实验教学和科研搭建了良好的实验平台。
Abstract： In order to solve the deficiencies of fixtures in the experimental teaching of machine tool fixtures， this paper designs a comprehensive fixture experimental platform for experimental teaching. The test bench realizes the combination of fixture body and hydraulic control. On the basis of functional analysis， the overall structure design， the design of mechanical parts and other parts are determined. The experimental platform can realize the cognitive experiments and innovative design experiments of related machine tool fixtures， and build a good experimental platform for mechanical professional experimental teaching and scientific research.
关键词： 夹具实验台;机械部分;液压系统
Key words： fixture test bench;mechanical part;hydraulic system
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0223-02
0 引言
在机械零件加工生产过程中，机床夹具是必不可少的部件[1]。目前机床夹具模型生产企业除了延续以前的设计外，并无太多的新意，即使有些创新设计，也暴露出太多为设计夹具而设计夹具的目的[2]。制造系统中由于大量的加工操作需要装夹，夹具设计影响加工质量、生产效率和制造成本。在柔性制造系统（FMS）中，夹具费用占到整个系统费用的10%-20%[3]。在机械制造过程中，工艺装备对产品有十分重要的影响[4]。而夹具作为重要的工艺装备其研究设计却落后于先进设计技术和先进制造技术，这在一定程度上影响了新产品的研发质量[5]。为适应市场竞争与需要，产品更新的速度变快，多品种、小批量生产所占比重变大[6]。传统的夹具设计方法已不能满足新的生产制造特点，这就要求设计者不断设计出构思合理、结构正确、工艺良好的新型夹具[7]。因装夹稳定性及精度要求高等特点，夹具设计制造时间占整个生产准备时间的比重较大，生产成本占整个系统费用的比例较高。由此可知夹具对整个机械加工制造有很大影响，故提高夹具制造效率有很重要的意义[8]。
1 总体设计
根据机械类专业课程实验的教学目的以及拓展性要求，自动化夹具综合实验台在完成常用夹具裝夹任务的基础上，还应该能完成其他课程的实验教学。本实验台应能实现以下功能：手动夹具实验、液压夹具实验、夹紧力测量实验、夹具综合实验、电液比例阀控马达系统实验以及为机械类专业学生课程设计和毕业设计提供实践环节。夹具部分包括：手动夹具、液压夹具、回转工作台等模块组成。自动化夹具综合实验台的总体结构布置如图1所示。实验台系统由计算机、控制面板、典型夹具、液压泵站等构成。
计算机和控制面板放到桌面上，液压夹具包括：①液压铰链夹紧机构;②联动夹紧机构;③液压三爪自定心卡盘;④回转工作台。回转工作台用液压马达、齿轮减速器、蜗轮蜗杆传动来实现回转工作台和分度头做旋转运动，同时保证回转精度。计算机发送指令，数模转换器将电压转换为电压，然后将其报告给比例放大器。放大信号并将其转换，然后将其传输到电动液压比例换向阀，以控制滑阀进给和换向阀的阀口。传感器将检测到的信号转换为电信号，并通过比较器将其与系统的给定电信号进行比较，以获得闭环控制系统的误差信号;差值由比例放大器放大，然后由电动液压比例止回阀驱动。从而精确控制驱动器。
2 机械部分设计
2.1 液压铰链夹紧机构
对于工件两端有圆弧形的，圆的外表面可用于夹紧，V形块用于夹紧，两个小V形块和一个大V形块用于放置和夹紧，因此总共限制了5个自由度，因此必须支撑一端这完全限制了自由度，但在零件图中拱的壁厚比较薄刚度较差。因此，在另一端需要增加辅助支撑以避免刚度差的问题。因此夹具采用铰接式夹具由快速液压缸和压板夹紧需要快速夹具以提高工作效率。本实验台采用两个V形块，固定V形块和活动V形块由液压缸夹紧，如图2液压铰链夹紧机构所示。 2.2 联动夹紧机构
采用液压动力夹紧，活塞杆在驱动滑块在滑动缸中的运动，在工件上产生向下的夹紧力。限制Z方向上的工作自由度。三组推杆滑块位于120°分布，限制工件围绕X轴的自由度和工件围绕Y轴的自由度。压力块和工件表面产生的摩擦力使铣削过程中刀具產生的周向切削力平衡。
根据工件的整体结构及其辅助机构确定夹具的特定外部尺寸。夹具体壁厚50mm，长度为1435mm，宽度为430mm（比X53K立式铣床工作台的宽度稍大）符合设计要求，钳体设计有螺钉孔和销孔，并且需要定位部件。而且夹紧机构的销孔在组装时匹配。为了满足夹具中液压缸的装配，嵌入式设计用于容纳固定装置中的液压缸组件，将液压缸直接嵌入夹具体内。
2.3 液压三爪自定心卡盘
用于改善机床的工作的机械装置，通过可动爪径向移动来固定工件的位置。由卡盘主体、活动钳口和钳口驱动机构组成。在中间有一个通孔用于工件和杆的通过。背面是圆柱形或短圆锥形的结构，在机床主轴的末端呈直线或呈直线排列。
三爪卡盘液压机构主要在原始结构上增加一个螺旋盘、旋转圆柱体和大锥齿轮。圆柱形活塞的一端与凹槽对齐，另一端安装在液压缸定子叶片的孔中。底部装有活塞，在弹簧的作用下与凹槽接触。当卡爪不与工件接触时圆锥螺旋弹簧上的负载相对较小，圆柱活塞和大锥齿轮没有相对运动气缸也没有相对运动。卡爪径向运动并接近空转的工件。夹爪接触工件时，阻力急剧增加，进给急剧减小并且手柄继续旋转，作用在活塞上的力增大。当达到一定水平时，锥形螺旋弹簧被压缩，活塞和大锥齿轮发生相对运动，活塞移入定子孔，液压油被压缩，流体推动转子刀片旋转，卡爪沿径向略微移动，即拧紧行程。当大锥齿轮继续旋转到某个角度时活塞复位继续旋转并重复之前的运动，直到工件完全拧紧为止。
2.4 回转工作台
回转工作台的回转精度主要通过主轴系统来保证。为提高主轴回转精度，采用锥度为1：15的圆锥滚子轴承，既起到定心作用，又减少了主轴回转，增加了主轴回转的稳定性和精度;并且在安装时可以调整轴承的游隙从而保证合理的间隙，其主轴结构如图3所示。
回转工作台传动路线为：液压马达→蜗轮蜗杆传动→回转工作台，将液压马达输出的动力经蜗轮蜗杆通过传动轴传递至回转工作台。蜗轮蜗杆传动与回转工作台之间通过主轴实现动力的传递。
3 液压系统设计
液压系统是自动化夹具综合实验台的重要组成部分，本实验台液压系统由电液比例方向阀控液压马达驱动回转工作台或分度头做旋转运动，以及电液比例方向阀控液压缸做直线运动构成。随着电动液压集成技术的发展，该测试台使用电动液压比例阀控制的液压马达和液压缸来驱动机械零件并夹紧和松动工件。这给液压系统带来了高控制精度和高速度的优势，响应速度快。在试验台上说明液压系统的任务和功能要求、主要参数、液压系统原理图、液压元件的参数，检查设计的液压系统的性能。自动夹紧液压系统可以是复杂的，也可以是简单的，具体取决于自动夹紧的自由度。确定油缸和油泵，然后放置中间控制和调节回路以及相应的组件以及其他辅助设备，以形成整个液压系统。
4 结论
根据教学实验台的设计要求，确定了机械本体和控制系统方案，包括手动夹具和液压夹紧自动夹具，其中手动夹具包括六点定位夹具、偏心夹紧夹具和螺旋夹紧夹具，自动夹具包括液压铰链夹紧机构、联动夹紧机构、液压三爪自定心卡盘、回转工作台夹具，并选用计算机和PLC进行控制。本实验台采用模块化设计技术，各模块可以重复使用一个或多个零部件，减少了加工费用和装配难度。此外本实验台除用于教学，还可应用于工厂实际生产中，应用范围广。
参考文献：
[1]李雨田.浅谈机床夹具的应用及发展趋势[J].电子制作，2013（13）：212.
[2]陈世辉.浅谈机床夹具实验教学模型的设计[J].质量技术监督研究，2011（03）：49-52.
[3]蔡瑾，段国林，李翠玉，李德红.夹具设计技术发展综述[J].河北工业大学学报，2002（05）：35-40.
[4]蒙启泳.基于PLC的自动化夹具教学实验台的设计与实现[J].机械工程师，2014（11）：118-120.
[5]张兵，邓子龙.夹具实验台液压系统的仿真与优化[J].机械与电子，2015（01）：46-48.
[7]张志盛.车身焊装夹具设计方法的研究[J].山东工业技术，2015（12）：53，93.
[8]孙建霞.数控磨床夹具设计的改进[J].科技与创新，2015（20）：108.
Abstract： In order to solve the deficiencies of fixtures in the experimental teaching of machine tool fixtures， this paper designs a comprehensive fixture experimental platform for experimental teaching. The test bench realizes the combination of fixture body and hydraulic control. On the basis of functional analysis， the overall structure design， the design of mechanical parts and other parts are determined. The experimental platform can realize the cognitive experiments and innovative design experiments of related machine tool fixtures， and build a good experimental platform for mechanical professional experimental teaching and scientific research.
关键词： 夹具实验台;机械部分;液压系统
Key words： fixture test bench;mechanical part;hydraulic system
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0223-02
0 引言
在机械零件加工生产过程中，机床夹具是必不可少的部件[1]。目前机床夹具模型生产企业除了延续以前的设计外，并无太多的新意，即使有些创新设计，也暴露出太多为设计夹具而设计夹具的目的[2]。制造系统中由于大量的加工操作需要装夹，夹具设计影响加工质量、生产效率和制造成本。在柔性制造系统（FMS）中，夹具费用占到整个系统费用的10%-20%[3]。在机械制造过程中，工艺装备对产品有十分重要的影响[4]。而夹具作为重要的工艺装备其研究设计却落后于先进设计技术和先进制造技术，这在一定程度上影响了新产品的研发质量[5]。为适应市场竞争与需要，产品更新的速度变快，多品种、小批量生产所占比重变大[6]。传统的夹具设计方法已不能满足新的生产制造特点，这就要求设计者不断设计出构思合理、结构正确、工艺良好的新型夹具[7]。因装夹稳定性及精度要求高等特点，夹具设计制造时间占整个生产准备时间的比重较大，生产成本占整个系统费用的比例较高。由此可知夹具对整个机械加工制造有很大影响，故提高夹具制造效率有很重要的意义[8]。
1 总体设计
根据机械类专业课程实验的教学目的以及拓展性要求，自动化夹具综合实验台在完成常用夹具裝夹任务的基础上，还应该能完成其他课程的实验教学。本实验台应能实现以下功能：手动夹具实验、液压夹具实验、夹紧力测量实验、夹具综合实验、电液比例阀控马达系统实验以及为机械类专业学生课程设计和毕业设计提供实践环节。夹具部分包括：手动夹具、液压夹具、回转工作台等模块组成。自动化夹具综合实验台的总体结构布置如图1所示。实验台系统由计算机、控制面板、典型夹具、液压泵站等构成。
计算机和控制面板放到桌面上，液压夹具包括：①液压铰链夹紧机构;②联动夹紧机构;③液压三爪自定心卡盘;④回转工作台。回转工作台用液压马达、齿轮减速器、蜗轮蜗杆传动来实现回转工作台和分度头做旋转运动，同时保证回转精度。计算机发送指令，数模转换器将电压转换为电压，然后将其报告给比例放大器。放大信号并将其转换，然后将其传输到电动液压比例换向阀，以控制滑阀进给和换向阀的阀口。传感器将检测到的信号转换为电信号，并通过比较器将其与系统的给定电信号进行比较，以获得闭环控制系统的误差信号;差值由比例放大器放大，然后由电动液压比例止回阀驱动。从而精确控制驱动器。
2 机械部分设计
2.1 液压铰链夹紧机构
对于工件两端有圆弧形的，圆的外表面可用于夹紧，V形块用于夹紧，两个小V形块和一个大V形块用于放置和夹紧，因此总共限制了5个自由度，因此必须支撑一端这完全限制了自由度，但在零件图中拱的壁厚比较薄刚度较差。因此，在另一端需要增加辅助支撑以避免刚度差的问题。因此夹具采用铰接式夹具由快速液压缸和压板夹紧需要快速夹具以提高工作效率。本实验台采用两个V形块，固定V形块和活动V形块由液压缸夹紧，如图2液压铰链夹紧机构所示。 2.2 联动夹紧机构
采用液压动力夹紧，活塞杆在驱动滑块在滑动缸中的运动，在工件上产生向下的夹紧力。限制Z方向上的工作自由度。三组推杆滑块位于120°分布，限制工件围绕X轴的自由度和工件围绕Y轴的自由度。压力块和工件表面产生的摩擦力使铣削过程中刀具產生的周向切削力平衡。
根据工件的整体结构及其辅助机构确定夹具的特定外部尺寸。夹具体壁厚50mm，长度为1435mm，宽度为430mm（比X53K立式铣床工作台的宽度稍大）符合设计要求，钳体设计有螺钉孔和销孔，并且需要定位部件。而且夹紧机构的销孔在组装时匹配。为了满足夹具中液压缸的装配，嵌入式设计用于容纳固定装置中的液压缸组件，将液压缸直接嵌入夹具体内。
2.3 液压三爪自定心卡盘
用于改善机床的工作的机械装置，通过可动爪径向移动来固定工件的位置。由卡盘主体、活动钳口和钳口驱动机构组成。在中间有一个通孔用于工件和杆的通过。背面是圆柱形或短圆锥形的结构，在机床主轴的末端呈直线或呈直线排列。
三爪卡盘液压机构主要在原始结构上增加一个螺旋盘、旋转圆柱体和大锥齿轮。圆柱形活塞的一端与凹槽对齐，另一端安装在液压缸定子叶片的孔中。底部装有活塞，在弹簧的作用下与凹槽接触。当卡爪不与工件接触时圆锥螺旋弹簧上的负载相对较小，圆柱活塞和大锥齿轮没有相对运动气缸也没有相对运动。卡爪径向运动并接近空转的工件。夹爪接触工件时，阻力急剧增加，进给急剧减小并且手柄继续旋转，作用在活塞上的力增大。当达到一定水平时，锥形螺旋弹簧被压缩，活塞和大锥齿轮发生相对运动，活塞移入定子孔，液压油被压缩，流体推动转子刀片旋转，卡爪沿径向略微移动，即拧紧行程。当大锥齿轮继续旋转到某个角度时活塞复位继续旋转并重复之前的运动，直到工件完全拧紧为止。
2.4 回转工作台
回转工作台的回转精度主要通过主轴系统来保证。为提高主轴回转精度，采用锥度为1：15的圆锥滚子轴承，既起到定心作用，又减少了主轴回转，增加了主轴回转的稳定性和精度;并且在安装时可以调整轴承的游隙从而保证合理的间隙，其主轴结构如图3所示。
回转工作台传动路线为：液压马达→蜗轮蜗杆传动→回转工作台，将液压马达输出的动力经蜗轮蜗杆通过传动轴传递至回转工作台。蜗轮蜗杆传动与回转工作台之间通过主轴实现动力的传递。
3 液压系统设计
液压系统是自动化夹具综合实验台的重要组成部分，本实验台液压系统由电液比例方向阀控液压马达驱动回转工作台或分度头做旋转运动，以及电液比例方向阀控液压缸做直线运动构成。随着电动液压集成技术的发展，该测试台使用电动液压比例阀控制的液压马达和液压缸来驱动机械零件并夹紧和松动工件。这给液压系统带来了高控制精度和高速度的优势，响应速度快。在试验台上说明液压系统的任务和功能要求、主要参数、液压系统原理图、液压元件的参数，检查设计的液压系统的性能。自动夹紧液压系统可以是复杂的，也可以是简单的，具体取决于自动夹紧的自由度。确定油缸和油泵，然后放置中间控制和调节回路以及相应的组件以及其他辅助设备，以形成整个液压系统。
4 结论
根据教学实验台的设计要求，确定了机械本体和控制系统方案，包括手动夹具和液压夹紧自动夹具，其中手动夹具包括六点定位夹具、偏心夹紧夹具和螺旋夹紧夹具，自动夹具包括液压铰链夹紧机构、联动夹紧机构、液压三爪自定心卡盘、回转工作台夹具，并选用计算机和PLC进行控制。本实验台采用模块化设计技术，各模块可以重复使用一个或多个零部件，减少了加工费用和装配难度。此外本实验台除用于教学，还可应用于工厂实际生产中，应用范围广。
参考文献：
[1]李雨田.浅谈机床夹具的应用及发展趋势[J].电子制作，2013（13）：212.
[2]陈世辉.浅谈机床夹具实验教学模型的设计[J].质量技术监督研究，2011（03）：49-52.
[3]蔡瑾，段国林，李翠玉，李德红.夹具设计技术发展综述[J].河北工业大学学报，2002（05）：35-40.
[4]蒙启泳.基于PLC的自动化夹具教学实验台的设计与实现[J].机械工程师，2014（11）：118-120.
[5]张兵，邓子龙.夹具实验台液压系统的仿真与优化[J].机械与电子，2015（01）：46-48.
[7]张志盛.车身焊装夹具设计方法的研究[J].山东工业技术，2015（12）：53，93.
[8]孙建霞.数控磨床夹具设计的改进[J].科技与创新，2015（20）：108.