夹具的气动技术研究

常辉娟

摘 要：焊接夹具多以压缩空气作为压力源，而夹具的气动控制系统一般分为纯气控和电气控制。全气控系统速度快，效率高，维护方便，维修成本低廉，结构简单可靠，但控制精度不是很高。电气控制种类繁多，精度比较高，，维修成本高，比如有电磁控制、电机和驱动器控制等，控制精度极高，在要求运动轨迹精度非常高的场合下使用，缺点是：在恶劣环境（油污严重、粉尘过多）下使用，故障率略高。本文主要是通过夹具的气路组成进行分析，保證了夹具按照生产工艺正常工作。以及气动控制过程中，遇到的气动设备不正常工作的问题，提出解决的方法，并最终顺利完成整个项目。

关键词：焊接夹具；压缩空气；纯气控；电气控制

引 言

在生产线上60%～70%的工作为夹具的定位和夹紧，而气路控制系统是实现这个功能的重要组成部分。气动控制的夹具一是因为在价格比液压的夹具低很多，二是因为气动控制的夹具操作方便，能有效减轻劳动强度，三是因为气动反应速度快，缩短生产时间，提高生产率，所以气动夹具成为生产线上的主流。在焊装行业，夹具对气动元件的精度要求不是很高，易于制造，同时便于实现自动化操作。

1.夹具简介

焊装夹具有两种控制方式：一种是纯气动控制，需要人工辅助完成夹具动作；一种是现在普遍采用的电气控制。焊装夹具一般由夹具本体、气动控制回路组成，电控夹具还包括电控系统。

夹具本体一般包括夹紧支撑部件、定位部件、焊钳导向机构、工件升降机构、翻板机构、夹具底板等部件。其中夹紧支撑部件和定位部件为夹具的执行部件。

典型的夹紧部件一般包括：压头、支撑块、气缸、连接板、三维调整部件及支座。

定位部件一般分为固定定位部件和活动定位部件。固定定位部件是通过支座将定位部件固定在夹具上底板上。活动定位部件，是将定位部件安装在定位气缸上，通过控制定位气缸进行定位销的工作。

2.夹具的气动控制

夹具的执行部件一般是由压缩空气来驱动的，无论电控夹具还是气控夹具都有气动控制回路，相对于气控夹具，电控夹具的控制回路要简单的多，下面分别对两种夹具的气路连接进行介绍。

2.1气控夹具的气源处理

从空压机输出的压缩空气，含有大量的水分、油和粉尘等污染物， 这些杂质会使气动系统的可靠性和使用寿命大大降低， 由此会造成设备的成本和维护费用大大升高。所以夹具气路气动控制的第一步是要设计一个合理的气源处理系统。气源处理组件是由模块化的部件组合成的，一般由分气块、启动阀、三联体和安全阀组成。

前端的分气块与快速接头连接，为维修提供气源，后端的分气块与控制回路连接。启动阀是一个常断型手动两位三通气阀，接通气源需由人工将旋钮转到接通的位置。三联体是气源处理的核心部件，其作用是对气源进行过滤、调压、润滑。安全阀又称安全启动阀或软启动阀，其主要作用是实现气控回路的软启动或软停止。在接通/关断气源时，安全阀可以使气控回路的气压缓慢上升/下降，避免气动执行部件因气压的突变造成的冲击，防止设备事故和人身伤害。

2.2气控夹具的气动控制回路

气控夹具的动作相对简单，通过按钮及逻辑控制回路来驱动执行机构的动作。按钮及逻辑控制回路一般采用逻辑元件、行程阀、气控二位三/五通阀实现。气控逻辑气路根据实现逻辑关系的元件的种类，可以分为常规气阀控制的逻辑气路和逻辑模块控制的气路两种。前者在国内使用广泛，其技术根源来自日本的气路设计方法。常规气阀控制的逻辑气路设计简单、明晰，注重实用性。气缸的到位信号和复位信号仅由关键的部件气缸发出，气路的操作形式采用按钮，气路系统的成本较低廉。

2.3电控夹具的气源处理

电控夹具的气源处理相对于气控夹具的气源处理，增加一个电磁阀，控制气源的通断；同时增加一个压力继电器，当压力异常是，发出报警信号。

2.4电控夹具的气动控制回路

电控夹具的控制回路比较简单，通过电控回路来控制阀岛的进出气，从而控制气缸的动作。比如单电控两位三通电磁阀控制的气缸，当电磁阀得电时，两位三通阀移动到左位，气缸前进。当电磁阀失电时，电磁阀由于弹簧的作用，会到右位，气缸缩回。

3.气控夹具的安全问题及优化方案

任何自动化系统的应用都不会一帆风顺，都是要经过反复的核查，排除各种生产安全问题，解决出现的问题后才能取得成功。在气路系统中，常见的安全的问题有以下几种：

3.1防止启动时活塞杆急速伸出

在气缸启动时如果排气侧没有背压，活塞杆会急速伸出，如果现场人员不注意，有可能发生人员伤害。为了避免这种情况，一是在气缸起动前使排气侧产生背压，二是使用进气节流的调速方式。进气时节流调速，当活塞杆接触到工件后，进气腔的气体压力增大，使得SCC阀换向，这时气体高压驱动工件。

3.2防止工件意外落下

在自动生产线中，常采用机器人抓手来搬运工件。当现场出现意外情况，比如电源或气源突然断开，气缸没有气体的压力会导致夹臂松开，这时必须采取措施，防止工件落下。这是一般有两种方法：第一种方法是在夹具机械设计时，采用带有机械锁紧结构的气缸，当气缸正常运动时，通过两位三通阀得电通气，让气缸锁紧机构打开，当有意外情况是，通过两位三通阀失电断气，不再给锁紧机构供气，气缸锁紧机构抱紧活塞杆，阻止活塞杆运动；第二种方法是用三位五通中封式电磁阀控制气缸，气缸的进出气回路上安装先导式单向阀，当突然断电时，阀片回到中位，先导式单向阀使得气缸两腔的气体封闭，工件在一段时间内能够保持原位。

4.气控夹具的运作调试

4.1 问题产生

有机械结构的地方就会出现问题，当上述的气路理论技术投入到实际生产中，往往会出现各种各样的问题，解决出现的问题后才能取得成功。

4.2 问题分析和解决

在现实生产中，经常发生的问题有气缸不动作，气缸不动作的本质原因是气缸内气压不足或阻力过大，以致于气缸不能推动负载进行运动。而出现问题的地方可能在气缸、电磁换向阀、管路系统和控制线路的任何一个地方，而某一地方出现的问题又可能是由于不同原因引起的。我们可以通过分析常见的故障原因，画出故障诊断的逻辑推理框图，以便于快速找出气缸不工作的真正原因。如图1所示，首先看看气缸和电磁阀是否漏气，这个很容易诊断，找出漏气处，根据故障原因，采取相应的措施，如果密封圈坏了就更换密封圈，如果接头松了就紧固接头，缸体坏了就更换配件。若漏气排除后，气缸仍然不能正常动作，则需要继续分析原因。

這是下一步要判断电磁阀的换向是否正常，电磁阀上一般会配备信号指示灯，若电磁阀没有换向，则检查上一步的气控回路是否有完成信号，如果没有信号，则继续查找回路故障；若有信号，则检查是主阀的故障，还是电磁先导阀的故障，这需要使用试探反证阀，即试探性的改变系统中的部分工作条件，若主阀能切换，即气缸能动作，那必然是电磁先导阀故障；若主阀不能切换，那就是主阀的故障了。阀体的故障有接线不良，阀体电磁线圈损坏，可按照故障类型进行重新接线或更换配件。

若电磁切换信号正常，那就应查询是否气缸输出口压力异常。这是可拆开阀的进气口气管，观察排气是否充足。若排气充足，那肯定是气缸的故障；若排气不足或不排气，则进一步检查气路是否堵塞或阀芯堵死等，从而进行相应的清理。

若压力输出正常，那就要考虑是不是负载过大或气缸摩擦力增大。负载过大就要重新布置气路或更换气缸。摩擦力增大，考虑清理缸体内的杂质和增加润滑。

5总结

最终夹具正常并且安全的工作，标志着针对该夹具的气路设计已经成功完成，后续需要企业制定气动设备的维护保养管理规范，加强管理教育，对气动装置进行维护保养，及时发现事故苗头，采取及时措施，延长元件和系统的使用寿命。

该文诠释了一次气动设计工作的流程，从夹具的设计开始，分析气路设计原理和安全优化方案，到最后的投入现场生产调试，通过常见的阀控气缸不工作为例，提出分析查找问题的方法，并根据故障类型，突出解决方案。气动方案的科学设计和完善的现场管理流程，为后续新项目的设计提供了很好的规范标准。

参考文献：

[1]SMC（中国）有限公司，现代实用气动技术[M]，机械工业出版社，2008

[2]徐文灿，刘汉钧，等.气动元件即系统设计[M]，机械工业出版社，1995.