对机床夹具设计方法的解读和研究

doi:10.168/j.cnki.1005-2917.2019.06.042

对机床夹具设计方法的解读和研究

（杭州友佳精密机械有限公司，浙江 杭州　310000）

陈关洋　郁烨侃

摘

要： 加工机械设备的过程中，机床工件需要被固定在固定的位置才能够保障加工精准度，拥有确定几何位置是加工的必要性前提。夹具为

连接机床和工件的必要性机械设施，夹具有着固定工件，保障位置精度的作用。本文将简要介绍常用夹具设计办法、设计思路，讨论关键词： 机床夹具；设计方法；解读

设计需要反思的问题。

前言

作为工件和机床的重要机械装置，夹具的功能和作用为夹紧与定位工件，从而让工件能够在机床上有确定的位置，保障连接稳定性，为后续高效加工和切削提供保障，满足工件设计的表面质量、形位精度、尺寸精度要求。机床夹具包含导引元件、对刀元件、夹紧装置、定位元件、夹具主体。

1. 夹具总设计

1.1 明确线路

对于加工工序来说，工艺路线直接影响到后续每一个工序负责的加工内容、夹具形式。除此之外设计夹具的过程中要保障工序内容布置合理、节拍平衡，从而让后续的生产足够顺利。对于比较短的加工节拍工序，方法为一次性加装多个毛坯工件，用这样的方法延长加工的实践，保障加工节拍的平衡和稳定。

1.2 明确夹紧方式和工序定位

一般粗加工基准往往只需要一次。首序加工时加工出后续工序精基准，尽可能保障后续工序基准统一[1]。

1.3 确定机床尺寸和轴的行程

夹具零件、夹具体、工件非加工部位虽然可以超出机床的形程，但是加工中一定要保障运动过程没有其他干涉，否则很有可能会引起机床和夹具碰撞，对夹具、机床、刀造成破坏和影响。因此工件布置过程中，应尽可能避开加工部位的机床行程极限。此外机床行程极限不同轴的定位精度通常都会降低，部分机床在运行到行程极限的时候很有可能会因为刚性不足引起振刀问题。比如笔者曾经参与过的某卧式加工中心夹具，机床Y轴的行程设定为730毫米，工件Y轴最高加工部位700毫米，工件Y轴400毫米以上部位加工中存在明显振刀情况，铣面过程出现严重振纹，且孔加工环节在振刀影响下导致孔径超差。

1.4 确定机床荷载

在机床荷载受力方向与机床切削力方向相同的条件下，切削力会成为机床荷载重要的部分。不同大小的切削力带来的影响是不同的，故夹具总重量需要拥有一定安全系数。例如立式加工中心钻孔过程中切削力就会成为机床工作台重要的荷载。在设计夹具过程中应为工件总重量和夹具预留足够多的安全量。

1.5 保障夹具刚性达标

精密夹具的夹具主体假设为焊接件或铸造件，生产前需要做时效处理，释放夹具残余应力。在释放结束后保障夹具稳定性，以免在夹具生产后期出现变形问题，影响到生产精度。

1.6 保障工件刚性达标

要规避装夹过近引发的各个工序加工干涉以及装夹过远带来的工件颤抖现象。除此之外工件的装夹部位要尽可能远离工件的薄弱部位，尤其是精密加工的内控部位是绝不能被装夹的部位。

1.7 统一夹具基准

这里所要说的夹具基准包括工件测量基准、对刀基准、调校基准[2]

。其中测量基准就是在结束工件加工后需要检测的基准。对刀基准说的是加工工件中用于明确刀具和工件位置所用的基准。调校基准就是安装夹具过程中，夹具与机床的调校基准。上述基准必须尽可能统一，保障加工稳定性、有效性。

1.8 设计防错装置

部分工件需要满足对称性，以及部分加工系列类似工件的夹具一定要设计防错装置[3]。为的是规避装夹工件错误现象的发生。

2. 定位设计

2.1 原理

参照力学原理的理论可以得知的是，空间内刚体总共包括六个自由度。定位的目的就是明确这六个自由度集合位置。参照不同情况，工件空间自由度。工件定位主要包括下面几种情况。

第一种完全定位，也就是说要保障工件的所有自由度都能够被完整。夹具上的工件每一个都有属于自己的唯一位置、确定位置。这种定位是最好的、最理想的定位。同时这种夹具设计也是所有设计师所追求的方向和状态。

第二种不完全定位。也就是工件没有能够完全被自由度，当然在这样的背景下工件仍然满足了生产加工的要求。比如某夹具只了工件的其中五个自由度。没有的自由度因为并不是受力方向，所以并不会出现工件晃动与工件位移情况。这种情况属于不完全定位，属于次理想夹具设计状态。

第三种欠定位。这种模式下工件工序的加工有好几个自由度都没有，故被称为欠定位。这种定位模式很有可能会引起工件加工中出现机床和工件碰撞、崩刀、位移一类情况的发生。发生这种问题可以归结于设计师在设计夹具时候出现了严重失误。

第四种过定位。一些自由度重复情况就是过定位。这种定位会引起工件位置不明确的情况，导致工件出现加工误差，当然这种现象的负面影响比欠定位要小。

2.2 夹具定位

作为连接工件和机床的重要机械装置，家具设计的目标为明确工件在机床中的具体位置。工件几何位置通过夹具传导到机床。夹具对于机床定位以及工件对夹具定位来说意义相同。每一个定位误差和错误都会导致工件加工误差、几何位置误差，影响到最后的加工质量。不同机床有不同定位方式。立式加工中心工作台使用T型槽定位，它的中间部位有一条T型槽，这种定位方法精度高，其与槽负责夹紧，没有定位精度作用。卧式加工中心使用工作台中心轴定位，卧式加工中心车床主轴用主轴外圆定位。要根据机床情况确定夹具定位方法。

2.3 工件夹具定位

不同工件使用不同的定位方法。其中壳体、液压阀、箱体一类的使用一面两销方式，轴类零件用外圆定位方式。

2.4 定位元件要求

首先要具备足够刚性和强度。部分条件下定位元件要承受工件切削力和重力。如强度与刚性不足就会导致元件损坏。

其次具备足够的耐磨性。工件拆装中定位元件时常和工件摩擦，所以必须拥有足够的耐磨性。

此外要具备防尘防屑功能，为的是减少灰尘和铁屑带来的定位误差。最后要保障拆装便利。因为定位元件属于易损件，有些时候需要更换，故要满足拆装方便要求。

3. 夹紧设计

3.1 夹紧力源

夹具比较常用的包括气动夹紧、液压夹紧、机械夹紧。机械加工切削力较大，需要的夹紧力也大，所以大多数情况下用的是有着较高夹紧力的液压和机械这两种方法。

3.2 夹紧力设计

夹紧力作用为明确定位基准，方向要尽可能便于减小夹紧力。如夹紧力过大就会让工件出现变形。夹紧力方向和作用点要保障不

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《装备维修技术》2019年第6期（总第174期）

doi:10.168/j.cnki.1005-2917.2019.06.048

新能源智能垃圾箱的设计

张庆松1　侯爱霞2

（1.重庆科创职业学院，重庆 永川　402160；2.重庆科创职业学院，重庆 永川　402160）

摘

要： 随着我国城市建设规模的不断扩大，小区数量在不断的增加，而小区内部的垃圾箱也处在逐渐增加的阶段，为人们的日常生活提供极

大的便利，但是以往所布置的垃圾箱，外观和设计不合理导致建筑区垃圾箱周围堆满垃圾，容易滋生大量的细菌，并污染周边环境。现阶段，大多数的垃圾箱主要采用铁金属制作而成的，这种垃圾箱外观不美观，且投放口设计不太合理，易对周边环境造成影响，针对于此，本文主要根据实际需求，设计新能源智能垃圾箱，其能够利用太阳能资源，实现垃圾箱的充电，并且具有较多的智能化功能，解决传统垃圾桶存在的问题。

关键词： 新能源；智能垃圾桶；设计

前言

就目前而言，公共场所所设置的垃圾箱主要由可回收和不可回收构成，并且投放口处于长久打开的状态，这种简单形式的垃圾箱难以让人们做到垃圾分类且正常回收，这种投放口在夏天时，还容易将内部的气味释放出来，影响周边的环境，因此结合以上问题，设计一款新能源智能垃圾箱，在垃圾箱安装能源板，在晴天时，利用太阳能电池板进行吸收电能，使其储存到蓄电池中，为阴雨天垃圾箱的正常工作提供能源。

1. 新能源智能垃圾箱工作原理

所设计的新能源智能垃圾箱主要由太阳能电池板、蓄电池、控制电路、紫外线发光源、高压金属网、LED照明、红外感应自动开门装置和内置语音系统构成，将这些具有智能化的功能相结合，使得垃圾箱能够变得更加的科学化和智能化。在实际应用中，垃圾箱能够利用传感技术和红外线传感器，来实时接收外界信号，如果检测到有人过来的信号，其会将电信号传输到控制端，发出打开垃圾箱盖的信号，然后通过机械电子驱动系统打开垃圾箱盖，当人离开垃圾桶后，传感器会控制检测时间，当检测时间超过设定值后，其会自动关闭垃圾箱盖。由于智能垃圾箱所采用的新能源为太阳能，当内部能源不足时，会在太阳充足的情况下自动打开太阳能电池板进行充电，在充电结束后，其在夜间能够散发出微弱的灯光，起到照明的作用。当内部的垃圾数量超过垃圾箱的最大承受值后，其会自动发出预警信号，然后LED照明灯会持续性闪烁。[1]

圾而没有及时的处理，导致周边全部被垃圾堆满，这种垃圾箱状态，不仅影响公共场所的美观性，还容易造成较大的异味。因此在设计新能源智能垃圾箱时，应当向其中添加容量自动检测设计，在垃圾箱的前面设置LED显示装置，并且将红色灯光作为装满的标记、绿色灯光作为可以继续装的标记，这种方式能够将垃圾箱的容量实时的呈现出来，便于人们观察。首先需要在智能垃圾箱内部铺设无线传感器，当垃圾超过该位置时，其能够显示红灯，并能够利用无线通信设施将垃圾满的信号传输给环卫工人手机上，以此起到提醒的作用。一般情况下，在清运垃圾箱时，经常性的掉落垃圾，因此为了提高清运垃圾箱的质量，可以在垃圾箱中的内箱设置自动弹出装置，在清运垃圾箱时，只需要倾斜一定角度，即可将内箱垃圾全部清除干净，然后放置到内部，以此来提高垃圾箱清运效率。

4. LED照明功能设计

新能源智能垃圾箱还具有LED照明功能，其需要太阳能电源模块提供能源，且需要经过DC恒流模块、LED光源模块的转压控制，然后通过控制系统实现照明功能。在设计垃圾箱的LED照明功能时，要注意合理设置太阳能电源模块的位置，其主要是利用太阳能光线的强弱来储存能源。在白天时，太阳光线逐渐的加强，因此太阳能电池吸收光能也在不断的加强，当所增加的电压值超过预设的电压值后，其能够对垃圾箱内部的蓄电池进行充电，当蓄电池内部电能饱和后，其会自动断电；当黑夜和阴雨天到来时，太阳光基本可以忽略不计，因此这时需要调用蓄电池内部电能，来向LED灯源模块进行供电。当垃圾箱开启LED照明功能时，其能够为周边的街道提供光源。作为主要的供能系统，其还需要向容量自动检测设计、自动翻盖设计功能提供电源，因此需要内部蓄电池的容量大，并且要及时的进行充电，使其满足日常运行需求。[1]

2. 自动翻盖设计

人们在使用传统垃圾箱过程中，需要先手动打开投放口或者是靠近投放口才能将垃圾放进到垃圾箱内，但是这个过程中，容易产生细菌传染问题。特别是到了易传播病菌的季节，极其容易造成周边区域的病毒性流感问题。针对于此，需要在新能源智能垃圾箱中设计自动翻盖功能，所选择的传感方式为红外线，在实际应用中，其能够实时的感应人们距离垃圾箱的远近，当人们靠近垃圾箱的距离超过预设值后面，垃圾箱能够自动打开投料口，当人离开垃圾箱后，维持一定的时间后面，其会自动关闭投料口。在设计自动翻盖功能时，必须要严格控制人们距离垃圾箱的距离，避免出现无端翻盖的问题。采用自动翻盖设计，能够降低人们受到病菌的传染概率，还能避免污染周围的环境。[2]

结语

综上所述，新能源智能垃圾箱利用红外线传感器、机械电子驱动系统等设备，能够实现自动翻盖设计、容量自动检测设计和LED照明等，不仅能够解决传统垃圾箱的问题，还能起到美观街道的作用，因此具有良好的可应用作用。

参考文献

3. 容量自动检测设计

在日常生活过程中，公共场所中经常会出现垃圾箱内部堆满垃

[1] 段淑霞，侯德华，潘东旭，段争光，周群利.基于S7–200的智

能垃圾箱设计[J].科学技术创新，2019（21）：57–59.

[2] 樊明哲，晏剑辉.基于单片机控制系统的智能垃圾箱设计探讨

[J].电子测试，2017（11）：15–16.

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会破坏工件精准定位。使用一面两销定位时，不应该将夹紧力施加

在定位销径向。要在工件刚性好的部位夹紧，避免悬空。

参考文献

结语

[1] 蔡雄峰，陈正堂.零件加工中机床夹具设计作用分析[J].中外企

业家，2019（32）：118.[2] 陈正堂，蔡雄峰.机床夹具设计方法探讨[J].中外企业家，2019（31）：110.[3] 杨.零件加工中机床夹具设计作用分析[J].内燃机与配件，2019（19）：70–71.

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本文就是笔者在多年实践中得到的经验，一定要处理好夹紧需

求，选择合适的夹紧力源，不可过大、不可过小，控制好大小，保障精度和稳定。