杨朋朋等
【摘 要】在以各种金属管材为原料的钣金产品生产过程中，管材的夹紧与切割过程多采用人工操作，在一定程度上影响管件的切割精度和产品质量。为配合管材的送料和切割，本装置选用气压传动，并进行了气泵的选型、气缸、活塞、活塞杆和夹具体等部件的设计，同时校核了主要受力部件；使用两种夹紧套互换操作，实现了不同数量和截面形状管材的装夹。因此，本装置改善了生产劳动条件，提高了生产效率。
【关键词】切管；送料；夹紧
【Abstract】In the production process of sheet metal which using a variety of metal pipes as raw materials， the process of clamping and cutting of the metal pipes is mostly manual operation， which affect the cutting accuracy and quality of the pipes to some extent. In order to cooperate with the pipes feeding and cutting， this device was selected pneumatic drive， then a pump selection and cylinders， piston， piston rod， clamp specific design have been finished， while the main force components have been checked； Two kinds of clamping sleeve can be interchanged operation， to achieve clamping of the pipes which is a number of different cross-sectional shape .Therefore， the device improved the productive labor environment， and improved production efficiency.
【Key words】Pipe； Feeding； Clamping
0 引言
管材在各行业被大量使用，而下料工序是管材后续加工的基础，下料精度和效率的高低直接影响到相关产品的质量及成本的高低。管件定长切割加工，主要是将管材切割成要求的长度。目前的管件切割方式多采用手工送料、手工夹紧的方式，远远满足不了批量加工管材的要求，因此实现夹紧以及切割和送料自动化显得十分重要。
1 设计要求
夹紧装置能实现自动夹紧单根或多根不同尺寸的圆形和矩形截面的金属管材。管材长度一般不大于12m，圆管直径范围为15～55mm，矩形管高不大于200mm，宽不大于35mm的都能使用此装置。该装置能够自动夹紧，其夹紧后的管材不能滑动，有效夹紧后不能损伤管材。此外，该装置还应安全可靠，灵活高效，便于操作和维修。
2 夹紧装置的总体设计及工作原理
2.1 夹紧装置的设计说明
该夹紧装置采用气动的形式来完成夹具的自动夹紧与松开。夹具体的设计是参考了虎钳的夹紧原理，由一个矩形空心框2和一块可调夹板4组成，这样可以实现同时夹紧多根和夹持不同形状的管材的要求。气缸和夹具体都安装在用一块矩形钢板做成的底座上，气缸的安装形式是脚架式，气缸活塞杆6与可调夹板4的连接形式为铰接，底座再与机架用螺钉连接。该装置的结构设计如图1所示。
2.2 夹紧装置的工作原理
本装置可调夹板4上的夹紧套3有两种形式，分别为矩形套和弧形套（图2所示）矩形套用于夹紧方形管材，弧形套用于夹紧圆形管材，可保证不同形状管材的夹紧；两种夹紧套为橡胶材料，橡胶制品有较大的弹性变形，实现了多数量管件的夹紧。自动夹紧装置工作流程：由送料装置将管材送入夹紧装置，此时气泵开始驱动，将气体通入气缸8，活塞杆6在气体的作用下，推动可调夹板4将管材夹紧，整体流程在PLC系统控制下运行。
自动夹紧装置需要配合送料装置和切割装置的运行，因此总体设计机构包括机架、步进电机、滚珠丝杠传动副、移动气动夹具、固定气动夹具、切割机、PLC 控制系统。首先自动送料装置把管材送入移动夹具内时，移动夹具夹紧管材；电机通过联轴器带动丝杠转动，并驱使夹持着管材的移动夹具往前移动，直到管材前段超过切割机指定尺寸时，电机停止运动；接着固定夹具运动，把管材夹紧，此时管材已被正确固定，切割机运动，实现管材的切割，得到所需管件；之后移动夹具松开管材，回到起始位置，再次夹紧管材；然后固定夹具松开管材，由移动夹具夹持着管材到达指定位置，固定夹具夹紧管材，接着重复以上切割操作。整个过程中管材的运送、夹紧、切割都是在PLC系统控制下，实现了整个过程的自动化操作。
3 主要组成部分的设计计算
根据所需管材的形状尺寸与数量确定本装置各个机构尺寸的流程如下：
3.1 夹紧装置夹紧力的计算
以截面形状为圆形的管材为受力分析图，将分析中的弧形套夹紧方式简化为V形块分析[1-3]，得到夹紧力为654N。
3.2 气缸的设计
采用普通型单活塞杆双作用气缸，选择气缸的安装方式为脚架式比较适合做直线往复运动的气缸[4-5]。通过计算得出气缸内径90mm，壁厚在7mm，理论输出力1307N。
3.3 活塞杆的尺寸设计
活塞杆是用来传递力的重要零件，要求能承受拉伸、压缩、振动等负载，可选活塞杆材料为45#钢，钢材表面需镀硬铬及调制处理，28～32HRC，做出直径设计[4]，确定出活塞杆直径为16mm。活塞杆计算长度为85mm。
3.4 耗气量的计算
气缸在做往复运动时所消耗的压缩空气的量这就是气缸的耗气量，它与气缸的性能无关，但这是用来确定气动回路耗气量的重要参数之一。平均耗气量是有气缸容积和气缸每分钟往返次数算出的平均值[5]，得出值为6.23L/min。
3.5 支承架的设计
自动夹紧装置在工作时必须与自动送料装置和切割装置在同一工作面上，这样就需要设计一个机架使得送料装置、夹紧装置、切割装置能在同一工作面上。机架的高度根据人体工程学，以男性为操作者将机架高度定为900mm比较合适。安装夹紧装置部分的宽为300mm，长为795mm。
3.6 其它零部件的计算
上面以弧形套在夹紧过程中受到多个圆形管材受压时受力分析，管材与夹紧套四个接触点分别受径向力与切向力。根据设计计算得出夹紧套最厚部分为20mm，最薄部分为10mm。
4 小结
根据企业的生产需求，本文进行了大量市场调研和资料查阅工作，提出了设计思路，完成了夹紧装置总体结构的设计方案，并对其驱动、传动和控制方式进行了详细地分析和设计。该夹紧装置能够实现管材夹紧的自动化，不但可以提高切割的精度和生产效率，而且适用于多种截面形状和尺寸管材的夹紧。因此在管材的加工过程中，提高了生产效率和生产质量。
【参考文献】
[1]吴拓.现代机床夹具设计[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]田培棠，石晓辉，米林.夹具结构设计手册[M].北京： 国防工业出版社，2011.
[3]刘鸿文.材料力学Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2009.
[4]张利平.液压气动技术速查手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5]王继伟，章宏佳，黄宜.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.
[责任编辑：曹明明]
【摘 要】在以各种金属管材为原料的钣金产品生产过程中，管材的夹紧与切割过程多采用人工操作，在一定程度上影响管件的切割精度和产品质量。为配合管材的送料和切割，本装置选用气压传动，并进行了气泵的选型、气缸、活塞、活塞杆和夹具体等部件的设计，同时校核了主要受力部件；使用两种夹紧套互换操作，实现了不同数量和截面形状管材的装夹。因此，本装置改善了生产劳动条件，提高了生产效率。
【关键词】切管；送料；夹紧
【Abstract】In the production process of sheet metal which using a variety of metal pipes as raw materials， the process of clamping and cutting of the metal pipes is mostly manual operation， which affect the cutting accuracy and quality of the pipes to some extent. In order to cooperate with the pipes feeding and cutting， this device was selected pneumatic drive， then a pump selection and cylinders， piston， piston rod， clamp specific design have been finished， while the main force components have been checked； Two kinds of clamping sleeve can be interchanged operation， to achieve clamping of the pipes which is a number of different cross-sectional shape .Therefore， the device improved the productive labor environment， and improved production efficiency.
【Key words】Pipe； Feeding； Clamping
0 引言
管材在各行业被大量使用，而下料工序是管材后续加工的基础，下料精度和效率的高低直接影响到相关产品的质量及成本的高低。管件定长切割加工，主要是将管材切割成要求的长度。目前的管件切割方式多采用手工送料、手工夹紧的方式，远远满足不了批量加工管材的要求，因此实现夹紧以及切割和送料自动化显得十分重要。
1 设计要求
夹紧装置能实现自动夹紧单根或多根不同尺寸的圆形和矩形截面的金属管材。管材长度一般不大于12m，圆管直径范围为15～55mm，矩形管高不大于200mm，宽不大于35mm的都能使用此装置。该装置能够自动夹紧，其夹紧后的管材不能滑动，有效夹紧后不能损伤管材。此外，该装置还应安全可靠，灵活高效，便于操作和维修。
2 夹紧装置的总体设计及工作原理
2.1 夹紧装置的设计说明
该夹紧装置采用气动的形式来完成夹具的自动夹紧与松开。夹具体的设计是参考了虎钳的夹紧原理，由一个矩形空心框2和一块可调夹板4组成，这样可以实现同时夹紧多根和夹持不同形状的管材的要求。气缸和夹具体都安装在用一块矩形钢板做成的底座上，气缸的安装形式是脚架式，气缸活塞杆6与可调夹板4的连接形式为铰接，底座再与机架用螺钉连接。该装置的结构设计如图1所示。
2.2 夹紧装置的工作原理
本装置可调夹板4上的夹紧套3有两种形式，分别为矩形套和弧形套（图2所示）矩形套用于夹紧方形管材，弧形套用于夹紧圆形管材，可保证不同形状管材的夹紧；两种夹紧套为橡胶材料，橡胶制品有较大的弹性变形，实现了多数量管件的夹紧。自动夹紧装置工作流程：由送料装置将管材送入夹紧装置，此时气泵开始驱动，将气体通入气缸8，活塞杆6在气体的作用下，推动可调夹板4将管材夹紧，整体流程在PLC系统控制下运行。
自动夹紧装置需要配合送料装置和切割装置的运行，因此总体设计机构包括机架、步进电机、滚珠丝杠传动副、移动气动夹具、固定气动夹具、切割机、PLC 控制系统。首先自动送料装置把管材送入移动夹具内时，移动夹具夹紧管材；电机通过联轴器带动丝杠转动，并驱使夹持着管材的移动夹具往前移动，直到管材前段超过切割机指定尺寸时，电机停止运动；接着固定夹具运动，把管材夹紧，此时管材已被正确固定，切割机运动，实现管材的切割，得到所需管件；之后移动夹具松开管材，回到起始位置，再次夹紧管材；然后固定夹具松开管材，由移动夹具夹持着管材到达指定位置，固定夹具夹紧管材，接着重复以上切割操作。整个过程中管材的运送、夹紧、切割都是在PLC系统控制下，实现了整个过程的自动化操作。
3 主要组成部分的设计计算
根据所需管材的形状尺寸与数量确定本装置各个机构尺寸的流程如下：
3.1 夹紧装置夹紧力的计算
以截面形状为圆形的管材为受力分析图，将分析中的弧形套夹紧方式简化为V形块分析[1-3]，得到夹紧力为654N。
3.2 气缸的设计
采用普通型单活塞杆双作用气缸，选择气缸的安装方式为脚架式比较适合做直线往复运动的气缸[4-5]。通过计算得出气缸内径90mm，壁厚在7mm，理论输出力1307N。
3.3 活塞杆的尺寸设计
活塞杆是用来传递力的重要零件，要求能承受拉伸、压缩、振动等负载，可选活塞杆材料为45#钢，钢材表面需镀硬铬及调制处理，28～32HRC，做出直径设计[4]，确定出活塞杆直径为16mm。活塞杆计算长度为85mm。
3.4 耗气量的计算
气缸在做往复运动时所消耗的压缩空气的量这就是气缸的耗气量，它与气缸的性能无关，但这是用来确定气动回路耗气量的重要参数之一。平均耗气量是有气缸容积和气缸每分钟往返次数算出的平均值[5]，得出值为6.23L/min。
3.5 支承架的设计
自动夹紧装置在工作时必须与自动送料装置和切割装置在同一工作面上，这样就需要设计一个机架使得送料装置、夹紧装置、切割装置能在同一工作面上。机架的高度根据人体工程学，以男性为操作者将机架高度定为900mm比较合适。安装夹紧装置部分的宽为300mm，长为795mm。
3.6 其它零部件的计算
上面以弧形套在夹紧过程中受到多个圆形管材受压时受力分析，管材与夹紧套四个接触点分别受径向力与切向力。根据设计计算得出夹紧套最厚部分为20mm，最薄部分为10mm。
4 小结
根据企业的生产需求，本文进行了大量市场调研和资料查阅工作，提出了设计思路，完成了夹紧装置总体结构的设计方案，并对其驱动、传动和控制方式进行了详细地分析和设计。该夹紧装置能够实现管材夹紧的自动化，不但可以提高切割的精度和生产效率，而且适用于多种截面形状和尺寸管材的夹紧。因此在管材的加工过程中，提高了生产效率和生产质量。
【参考文献】
[1]吴拓.现代机床夹具设计[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]田培棠，石晓辉，米林.夹具结构设计手册[M].北京： 国防工业出版社，2011.
[3]刘鸿文.材料力学Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2009.
[4]张利平.液压气动技术速查手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5]王继伟，章宏佳，黄宜.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.
[责任编辑：曹明明]
【摘 要】在以各种金属管材为原料的钣金产品生产过程中，管材的夹紧与切割过程多采用人工操作，在一定程度上影响管件的切割精度和产品质量。为配合管材的送料和切割，本装置选用气压传动，并进行了气泵的选型、气缸、活塞、活塞杆和夹具体等部件的设计，同时校核了主要受力部件；使用两种夹紧套互换操作，实现了不同数量和截面形状管材的装夹。因此，本装置改善了生产劳动条件，提高了生产效率。
【关键词】切管；送料；夹紧
【Abstract】In the production process of sheet metal which using a variety of metal pipes as raw materials， the process of clamping and cutting of the metal pipes is mostly manual operation， which affect the cutting accuracy and quality of the pipes to some extent. In order to cooperate with the pipes feeding and cutting， this device was selected pneumatic drive， then a pump selection and cylinders， piston， piston rod， clamp specific design have been finished， while the main force components have been checked； Two kinds of clamping sleeve can be interchanged operation， to achieve clamping of the pipes which is a number of different cross-sectional shape .Therefore， the device improved the productive labor environment， and improved production efficiency.
【Key words】Pipe； Feeding； Clamping
0 引言
管材在各行业被大量使用，而下料工序是管材后续加工的基础，下料精度和效率的高低直接影响到相关产品的质量及成本的高低。管件定长切割加工，主要是将管材切割成要求的长度。目前的管件切割方式多采用手工送料、手工夹紧的方式，远远满足不了批量加工管材的要求，因此实现夹紧以及切割和送料自动化显得十分重要。
1 设计要求
夹紧装置能实现自动夹紧单根或多根不同尺寸的圆形和矩形截面的金属管材。管材长度一般不大于12m，圆管直径范围为15～55mm，矩形管高不大于200mm，宽不大于35mm的都能使用此装置。该装置能够自动夹紧，其夹紧后的管材不能滑动，有效夹紧后不能损伤管材。此外，该装置还应安全可靠，灵活高效，便于操作和维修。
2 夹紧装置的总体设计及工作原理
2.1 夹紧装置的设计说明
该夹紧装置采用气动的形式来完成夹具的自动夹紧与松开。夹具体的设计是参考了虎钳的夹紧原理，由一个矩形空心框2和一块可调夹板4组成，这样可以实现同时夹紧多根和夹持不同形状的管材的要求。气缸和夹具体都安装在用一块矩形钢板做成的底座上，气缸的安装形式是脚架式，气缸活塞杆6与可调夹板4的连接形式为铰接，底座再与机架用螺钉连接。该装置的结构设计如图1所示。
2.2 夹紧装置的工作原理
本装置可调夹板4上的夹紧套3有两种形式，分别为矩形套和弧形套（图2所示）矩形套用于夹紧方形管材，弧形套用于夹紧圆形管材，可保证不同形状管材的夹紧；两种夹紧套为橡胶材料，橡胶制品有较大的弹性变形，实现了多数量管件的夹紧。自动夹紧装置工作流程：由送料装置将管材送入夹紧装置，此时气泵开始驱动，将气体通入气缸8，活塞杆6在气体的作用下，推动可调夹板4将管材夹紧，整体流程在PLC系统控制下运行。
自动夹紧装置需要配合送料装置和切割装置的运行，因此总体设计机构包括机架、步进电机、滚珠丝杠传动副、移动气动夹具、固定气动夹具、切割机、PLC 控制系统。首先自动送料装置把管材送入移动夹具内时，移动夹具夹紧管材；电机通过联轴器带动丝杠转动，并驱使夹持着管材的移动夹具往前移动，直到管材前段超过切割机指定尺寸时，电机停止运动；接着固定夹具运动，把管材夹紧，此时管材已被正确固定，切割机运动，实现管材的切割，得到所需管件；之后移动夹具松开管材，回到起始位置，再次夹紧管材；然后固定夹具松开管材，由移动夹具夹持着管材到达指定位置，固定夹具夹紧管材，接着重复以上切割操作。整个过程中管材的运送、夹紧、切割都是在PLC系统控制下，实现了整个过程的自动化操作。
3 主要组成部分的设计计算
根据所需管材的形状尺寸与数量确定本装置各个机构尺寸的流程如下：
3.1 夹紧装置夹紧力的计算
以截面形状为圆形的管材为受力分析图，将分析中的弧形套夹紧方式简化为V形块分析[1-3]，得到夹紧力为654N。
3.2 气缸的设计
采用普通型单活塞杆双作用气缸，选择气缸的安装方式为脚架式比较适合做直线往复运动的气缸[4-5]。通过计算得出气缸内径90mm，壁厚在7mm，理论输出力1307N。
3.3 活塞杆的尺寸设计
活塞杆是用来传递力的重要零件，要求能承受拉伸、压缩、振动等负载，可选活塞杆材料为45#钢，钢材表面需镀硬铬及调制处理，28～32HRC，做出直径设计[4]，确定出活塞杆直径为16mm。活塞杆计算长度为85mm。
3.4 耗气量的计算
气缸在做往复运动时所消耗的压缩空气的量这就是气缸的耗气量，它与气缸的性能无关，但这是用来确定气动回路耗气量的重要参数之一。平均耗气量是有气缸容积和气缸每分钟往返次数算出的平均值[5]，得出值为6.23L/min。
3.5 支承架的设计
自动夹紧装置在工作时必须与自动送料装置和切割装置在同一工作面上，这样就需要设计一个机架使得送料装置、夹紧装置、切割装置能在同一工作面上。机架的高度根据人体工程学，以男性为操作者将机架高度定为900mm比较合适。安装夹紧装置部分的宽为300mm，长为795mm。
3.6 其它零部件的计算
上面以弧形套在夹紧过程中受到多个圆形管材受压时受力分析，管材与夹紧套四个接触点分别受径向力与切向力。根据设计计算得出夹紧套最厚部分为20mm，最薄部分为10mm。
4 小结
根据企业的生产需求，本文进行了大量市场调研和资料查阅工作，提出了设计思路，完成了夹紧装置总体结构的设计方案，并对其驱动、传动和控制方式进行了详细地分析和设计。该夹紧装置能够实现管材夹紧的自动化，不但可以提高切割的精度和生产效率，而且适用于多种截面形状和尺寸管材的夹紧。因此在管材的加工过程中，提高了生产效率和生产质量。
【参考文献】
[1]吴拓.现代机床夹具设计[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]田培棠，石晓辉，米林.夹具结构设计手册[M].北京： 国防工业出版社，2011.
[3]刘鸿文.材料力学Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2009.
[4]张利平.液压气动技术速查手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5]王继伟，章宏佳，黄宜.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.
[责任编辑：曹明明]
