一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计*

赵 峰，苗玉刚，何 斌，傅明星，尹继武

（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）

一种高效节能的伺服液压夹紧装置设计*

赵 峰a，苗玉刚b，何 斌b，傅明星c，尹继武c

（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）

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。

机电液一体化；伺服液压技术；夹紧装置

0 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夹紧方式主要有两种（如图2所示），一种是使用气动扳手、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，造成环境污染，液压泵持续运转，造成噪声污染和能量浪费。气动夹紧方式虽然高效节能环保，但是压缩空气易泄露［2］，系统工作压力低，夹紧力不能满足要求。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展［3］。高新新、肖莹华、陈汐［4-6］等计了一种气动-机械-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。

图1 梁式传感器测试示意图

图2 某企业梁式传感器夹紧方式

随着机电液一体化技术的发展，机械产品已逐渐发展成为包含机械、液压、驱动、控制、检测反馈及信号处理等几个部分的复合式机械系统［7］。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、调速范围宽、运行平稳、响应速度快、过载能力强等优点［8］，作为一种新兴的执行元件广泛应用于自动控制领域。吴国银［9］等设计了一种液压泵。该液压泵利用伺服电机驱动丝杆，进而带动液压缸活塞往复运动实现增压，大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。

1 夹紧装置工作原理及结构特征

1.1 工作原理

高效节能的伺服液压夹紧装置结构原理如图3所示，主要有增压装置和夹紧装置两部分组成［10］。增压装置主要有交流伺服电机、减速机、滚珠丝杠副、滑板、轴承座、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。

图3 节能环保的伺服液压夹紧装置结构原理图

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、右电控单向阀14作用到右工作油缸12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。

1.2 结构特征

（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。

（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，能有效提高生产效率［11］。

（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。

2 力学计算

2.1 夹紧力计算

设交流伺服电机输出扭矩为TM，则传递到滚珠丝杠的扭矩T'a为

式中：i为减速机减速比；η1为减速机传动效率；η2为轴承效率。

滑板和导柱之间的摩擦为滚动摩擦，可忽略其影响；复位弹簧压力相对于输出力很小，计算时不计其影响。故滚珠丝杠的驱动扭矩Ta为

式中：Fa为丝杠轴向载荷，N；Ph为丝杠导程，mm；η为丝杠传动效率。

由帕斯卡定理可知，增压油缸和工作油缸之间的力学关系为

联立（1）、（2）、（3）式可得

2.2 夹紧速度计算

由交流伺服电机的转速，可得滚珠丝杠的转速n为

式中：nM为交流伺服电机输出转速，r/min。

滚珠丝杠转动速度和丝杠螺母移动速度之间的关系式为

式中：v为丝杠螺母移动速度，mm/s；n为丝杠转动速度，r/min。

由增压油缸的输出流量等于工作油缸的输入流量，可得

式中：v1为增压油缸活塞移动速度，mm/s，v1=v；v2为工作油缸活塞移动速度，mm/s，即夹紧压头的夹紧速度。

联立（5）、（6）、（7）式可得

由（4）、（8）式可知，夹紧压头的夹紧力、夹紧速度和交流伺服电机的输出扭矩、输出转速成正比，又交流伺服电机控制精度高、滚珠丝杠副传动精度高、刚性好、液体具有不可压缩性，故该伺服液压夹紧装置能够实现夹紧力和夹紧速度的数字化精确控制。

3 应用分析

3.1 应用计算

某企业生产的一系列梁式称重/测力传感器产品在出厂之前都需进行静态性能测试，测试时将其一端夹紧固定，另一端逐级连续加载压力，传感器产品夹装测试示意图如图4所示。根据传感器产品测试时加载的压力，计算出夹紧端所需夹紧力为10t～20t，同时为提高待测产品的夹装效率，夹紧压头空行程速度不小于6mm/s。交流伺服电机参数为：额定功率PM= 2.3kW，额定转矩TM=15N·m，最大转矩Tmax= 45N·m，额定转速nM=1500 r/min。减速机选择RV系列蜗轮蜗杆减速机，具体参数为：输入功率3kW，输入转速1400r/min，减速比i=10，传动效率η1=0.7。滚珠丝杠参数为：公称直径d0=40mm，基本导程Ph= 10mm，传动效率 η=0.9，轴承座中轴承效率η2= 0.99。根据机械设计手册，选择增压油缸缸径D1= 80mm，工作行程500mm；工作油缸缸径D2=150mm，工作行程120mm。将上述有关参数代入公式（4）、（8）可得，Fo=206.91 kN，v2=6.63mm/s，即夹紧压头最大夹紧力可达20.69t，最大夹紧速度可达6.63mm/s，能够满足自动化夹紧装置的要求。

图4 传感器产品夹装测试示意图

3.2 高效节能环保分析

伺服液压夹紧装置单次完成待测传感器产品夹紧的时间为15s左右，是手动夹紧方式的3～5倍；与液压夹紧方式不差上下，但是伺服液压夹紧装置能够连续交替完成两个工位的传感器产品夹紧，即一个工位产品的测试时间和另一个工位产品的装卸时间重合，很大程度上减少了夹紧过程中不必要的辅助时间，总体效率是液压夹紧方式的2～3倍。因此，伺服液压夹紧装置能够满足高效性要求。

伺服液压夹紧装置能够完成产品的自动化快速夹紧，与手动夹紧方式相比，不仅降低了工人劳动强度，而且节省了劳动力成本；伺服液压夹紧装置完成产品夹紧后，电机可停止运行，工作油缸在电控单向阀的作用下被可靠锁紧而保持压力恒定，液压夹紧方式要保持持续的压力，液压泵需要不停运转，造成不必要的能量浪费。伺服液压夹紧装置完成一次工作（夹紧和松开）的时间为30s左右，消耗电能为2.3×30÷3600= 0.02 kWh；液压夹紧方式完成一次工作（夹紧、保持和松开）的时间为50s左右，液压泵电机为12kW，消耗电能为12×50÷3600=0.17 kWh。因此，伺服液压夹紧装置与传统夹紧装置相比，节能效果显著。

伺服液压夹紧装置动力源为伺服电机，执行元件为液压缸，无液压泵和开放式油箱。因此，环境污染小，噪声低，符合绿色环保的要求。

4 结束语

高效节能环保的伺服液压夹紧装置综合运用伺服控制技术、机密机械传动技术以及液压传动技术，已申请专利，与传统的夹紧装置相比，具有以下特点：

（1）该夹紧装置利用机电液一体化技术，可实现夹紧力、夹紧速度的自动化、数字化控制，并且结构简单、高效节能环保，能较好的适应现代装备制造技术向高效化、经济化、绿色化、自动化、智能化方向发展的趋势。

（2）该夹紧装置和位移传感器、测力传感器、接近开关等元器件组成闭环控制系统时，可实现对夹紧压头的速度、位移、输出力等运动参数进行精确控制。因此，该夹紧装置不仅可以用在称重/测力传感器的静态性能测试中，还可以用在机床夹具、压力的精密加载、金属材料的力学实验以及校准、压入、冲压等场合。

（3）如何采用优化设计的方法，将电机、丝杠、液压缸等基本部件有机集成为一体，使其结构更加紧凑、使用安装更加方便，是目前课题组正在研究的问题。但是，这种夹紧装置的设计思想、设计理念，为精密组合机床夹具、精密压力加载机构的设计提供了一种研究思路。

［1］吴凡，钟康民.基于三次正交铰杆增力机构的绿色气动夹具设计［J］.机床与液压，2011，39（14）：46-47.

［2］姚远，钟康民.基于铰杆-杠杆串联增力机构的双向浮动夹紧气动夹具［J］.组合机床与自动化加工技术，2009（7）：110-111.

［3］王晨，王明娣.基于斜楔-铰杆-偏心轮的冲击式自锁柔性夹具［J］.制造技术与机床，2010（5）：121-123.

［4］高新新，郭旭红，黄星.一种绿色化的气动-液压-机械复合传动夹具［J］.机床与液压，2013，41（4）：110-111.

［5］肖莹华，钟康民.气液增压-铰杆机构增力双工位高效夹具［J］.制造业自动化，2012（4）：51-52.

［6］陈汐，冯志华.利用滚/滑-铰杆增力机构的双工位夹具设计与分析［J］.机床与液压，2014，42（2）：28-29.

［7］刘扬.伺服电机驱动的机电及机电液一体化压力机研究［D］.苏州：苏州大学，2010.

［8］夏春风，钟康民，杨丽琴.伺服电机驱动的基于齿轮-滚珠丝杆与铰杆增力机构的绿色化压力机设计［J］.机械传动，2013（2）：50-52.

［9］吴国银，孙承峰，钟康民，等.回转伺服电动机驱动的双级双作用液压泵的设计［J］.机床与液压，2012，40（7）：84-85.

［10］王智勇，赵峰，苗玉刚，等.一种经济环保的气液复合夹具设计［J］.陕西理工学院学报（自然科学版），2015，31（1）：6-10.

［11］钟康民，窦云霞.气液增压双工位高效夹具设计［J］.机床与液压，2011，39（22）：143.

（编辑 赵蓉）

Design of High-efficiency and Energy-saving Servo-hydraulic Clam ping Device

ZHAO Fenga，MIAO Yu-gangb，HE Binb，FU Ming-xingc，YIN Ji-wuc
（a.Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation；b.School of Mechanical Engineering；c.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi723000，China）

An enterprise tests beam type sensor products by using the traditionalmanual clamping method and hydraulic clampingmethod.Themanual clamping way has problems of low efficiency，high labor intensity；hydraulic clamping way has problems like low energy utilization rate，easy to produce pollution，etc. W ith the rapid development of industrial automation，traditional manual，hydraulic and pneumatic fixture cannotmeet the requirements ofmodern industrial production day by day.The fixture is developing toward automation，intelligent，flexibility，efficient，energy-saving and environmental protection.For this problem，we design a high-efficiency，energy-saving and environmental servo-hydraulic clamping device，analyze its working 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 is2-3 times of the traditional fixture，energy-saving effect over 70%and w ithout hydraulic pump and open oil tank.

mechatronics and hydraulics integration；servo-hydraulic technology；the clamping device

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）08-0153-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.039

2014-09-23；

2015-04-21

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）

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，（E-mail）hfengzhao@126.com。