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焊接夹具的设计思路及案例
&&夹具设计经验积累
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焊接工装设计3(绪论一二三章)
课程名称：焊接装备及自动化主要内容： 一 焊接结构的设计。主要包括焊接梁、柱、桁架和塔 桅结构、机器结构等的设计。 二 焊接机械装备。主要包括焊接结构生产过程中的各 种辅助机械装备。比如：焊接工装夹具、焊接变位机 械、焊件输送机械、其他从属装置。 三 焊接结构的生产工艺过程。主要包括焊接结构生产 的工艺过程；比如备料、装配、焊接等工艺，焊接结 构的生产工艺分析，焊接结构生产的质量管理及劳动 保护，焊接结构车间的工艺平面布置。 四 实例：汽车焊接结构的生产过程。主要包括汽车焊 接结构的装焊工艺。比如：汽车车架、车身的装焊工 艺，汽车装焊生产线，汽车装焊车间的设计。教材： 一 焊接工装设计。航空工业出版社。陈焕明。 二 焊接结构生产及装备。机械工业出版社。周浩森。 参考书： 一 焊接结构制造技术与装备。机械工业出版社。宗培 言 二焊接工装夹具及变位机械。机械工业出版社。王政。 三 焊接工装夹具及变位机械图册。机械工业出版社。 王政 四 汽车机器人焊接工程。机械工业出版社。卢本。 五 汽车装焊技术。北京理工。杨握铨 六焊接结构及生产设计。天津大学。贾安东基础学科： 一 各种力学：普通物理、理论力学、材料力学、 结构力学、弹性力学 、弹塑性力学、粘性力 学、断裂力学，金属的机械性能。 二 机械设计：机械原理、机械零件、机械结构 的设计。 三 焊接基础：焊接工艺、焊接电源、焊接结构。 四 液压专业（液压控制系统）；电工学（电磁 铁的设计）。
焊接工装设计―陈焕明绪 论工装：在机械加工、产品检验、装配和焊接等工 艺过程中，使用大量的工艺装备，简称工装 (tooling)，用以安装加工对象，使之占有正确 的位置，以保证零件和产品的质量，并提高生 产效率。 焊接工装：焊接工艺装备就是在焊接结构生产的 装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具、 机械装置或设备的总称，简称焊接工装。其中 夹具主要包括定位器、夹紧器、夹具体等；机 械装置或设备主要包括焊件变位机、焊接操作 机、焊工升降台等。应用： 大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊 接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要各 制造厂根据本厂的产品结构特点、生产条件和实际需 要自行设计制造或者外协定做。焊接工装设计是生产 准备工作的重要内容之一，也是焊接生产工艺设计的 主要任务之一，对于汽车、摩托车和飞机等制造业， 可以毫不夸张地说，没有焊接工装就没有产品。因此， 焊接工艺人员应掌握有关工装设计的基础知识。通常 在工艺设计时，提出所需要的工装类型、结构草图和 简要说明(例如装配焊接顺序、焊接变形预防或减小 措施、焊接速度和焊接电流回路等)。在此基础上由 工装设计人员完成详细的结构和零件设计及全部图样。 如果设计者对焊接工艺过程生疏，往往设计的工装夹 具适用性较差，甚至不能满足生产要求。事实表明， 为了使设计的工装适用性良好，通常由工艺工程师来 主持设计或亲自参与设计。本门课程的目的： 了解和掌握焊接工装设计的基本理论和结构设计的基础 知识 。 一.焊接工装的作用 1.保证和提高焊接产品的质量。 采用工装夹具，可以保证装配定位焊时各零件正确的相 对位置，可以防止或减少工件的焊接变形。尤其是批 量生产时，可以稳定和提高焊接质量，减少焊件尺寸 偏差，保证产品的互换性。 2.提高劳动生产率，降低制造成本; 提高劳动生产率，除了采用自动化焊接工艺外，还要采 用先进的装配工艺，采用机械化和自动化程度高的工 装夹具。 3.减轻劳动强度，保障安全生产。二. 焊接工装的分类 ： 焊接结构种类繁多，形状尺寸各异，生产工艺过程 和要求也各不相同，相应的工艺装备在形式、工作原 理及技术要求上也有很大差别。 1. 按用途分类 (1) 装配用工艺装备 这类工装主要任务是按产品图样 和工艺上的要求，把焊件中各零件或部件的相互位置 准确地固定下来，只进行定位焊，而不完成整个焊接 工作。这类工装通常称为装配定位焊夹具,也叫暂焊 夹具，它包括各种定位器、压夹器、推拉装置、组合 夹具和装配胎架。 (2) 焊接用工艺装备 这类工装专门用来焊接已点固好 的工件。例如，移动焊机的龙门式、悬臂式、可伸缩 悬臂式、平台式、爬行式等焊接机；移动焊工的升降 台等。(3) 装配焊接工艺装备 在这类工装上既能完成整个焊件 的装配又能完成焊缝的焊接工作。这类工装通常是专 用焊接机床或自动焊接装置，或者是装配焊接的综合 机械化装置，如一些自动化生产线。 2. 按应用范围分类 （1）通用焊接工装 指已标准化且有较大适用范围的 工装。这类工装无需调整或稍加调整，就能适用于不 同工件的装配或焊接工作。 （2）专用焊接工装 只适用于某一工件的装配或焊接， 产品变换后，该工装就不再适用。 （3）柔性焊接工装 指用同一工装系统装配焊接在形 状与尺寸上有所变化的多种工件。柔性概念没有明确 的界限，可以是广义的，即工件变化可以在大范围， 形状完全不同，尺寸变化也很大，如组合夹具；也可 以是狭义的，工件变化只在小范围，即在相似的形状 和尺寸变动不大的范围内，如可调整夹具。3. 按动力源分类 可分为手动、气动、液压、电动、磁力、真空等焊 接工艺装备。 4. 按焊接方法分类 可分为电弧焊工装、电阻焊工装、钎焊工装、特种 焊工装等。 三. 焊接工装的特点 焊接工装的特点，是由装配焊接工艺和焊接结构决 定的。与机床夹具比较其特点是： (1) 在焊接工艺装备中进行装配和焊接的零件有多 个，它们的装配和焊接按一定的顺序逐步进行，其定 位和夹紧也都是分别的单独的或是一批批联动地进行， 其动作次序和功能要与制造工艺过程相符合。(2) 焊件在工装中比机加工零件在机床夹具中受有较小 的夹持力，而且不同零件、不同部件的夹持力也不相 同。在焊接过程中，当零件因焊接加热而伸长或因冷 却而缩短时，为了减少或消除焊接变形，要求对某些 零件给予反变形或作刚性固定。但是，为了减少焊接 应力，又允许某些零件在某一方向是自由的。有些零 件仅利用定位装置定位即可，而不夹紧。因此，在焊 接工装中不是对所有的零件都作刚性的固定。 (3) 由于工装往往是焊接电源二次回路的一个部分， 有时为了防止焊接电流流过机件而使其烧坏，需要进 行绝缘。因此绝缘和导电是一个重要而特殊的问题。 例如，在设计电阻焊用的夹具时，如果绝缘处理不当， 将引起分流，使焊接接头强度降低。在设计电弧焊用 的变位机时，如果导电系统设计不当，将会烧坏轴 承。（4） 焊接工装要与焊接方法相适应。例如，用 于熔化焊的夹具，工作时主要承受焊接应力和 夹紧反力以及焊件的重力；用于压力焊的夹具 主要承受顶锻力。薄板钨极氩弧焊要求在夹具 上设置铜垫，埋弧焊可在夹具上设置焊剂垫； 焊接钛合金、锆合金等活性材料，可以考虑背 面充氩气保护；焊接高强钢为防止裂纹需要焊 前预热或焊后缓冷的，可以考虑在夹具上设置 加热装置；再如，为了避免直流电弧的磁偏吹 现象，焊缝两侧的压块不用磁性材料制作；真 空电子束焊所使用的夹具也要考虑磁性材料对 电子束聚焦的影响。（5） 焊接件为薄板冲压件时，其刚性比较差， 极易变形，如果仍然按刚体的六点定位原理， 即3-2-1定位，工件就可能因自重或夹紧力的 作用，定位部位发生变形而影响定位精度。此 外，薄板焊接主要产生波浪变形，为了防止变 形，通常采用比较多的辅助定位点和辅助夹紧 点以及过多的依赖于冲压件外形定位。因此， 薄板焊接工装与机床夹具有显著的差别，不仅 要满足精确定位的共性要求，还要充分考虑薄 板冲压件的易变形和制造尺寸偏差较大的特征， 在第一基面上的定位点数目N允许大于3，即 采用N-2-1定位原理。第一章 工件的定位原理及定位器设 计第一节 工件的定位原理一、六点定位原理 刚体自由度： 一个刚体在空间直角坐标系中具 有六个自由度，p4如图1-1所示，沿X、Y、Z 三个坐标轴的移动自由度和绕X、Y、Z三个坐 ? ?? ? ?? 标轴的转动自由度。即 x, y, z 及x, y, z 分别表示沿X 轴、Y 轴、Z 轴的移动自由度和 轴的转动自由度。当工件的六个自由度未加限 制时，它在空间的位置是不确定的。要使工件 的位置按照一定的要求确定下来，就必须将它 的某些自由度或全部自由度加以限制。所谓工 件的定位（location），就是指工件在夹具中 的位置按照一定的要求确定下来，将必须限制 的自由度一一予以限制。图1-1 刚体的六 个自由度图1-2 工件的六点定位自由度的消除实例：p4图1－2 ? ? ? A面三挡铁：可消除 z , x, y ? ? , B面二挡铁：可消除 y?z C面一挡铁：可消除 x工件放在XOY平台上限制了几个自由度？限制了三个 自由度。再加一个台阶挡住工件，如图1-2所示，工 件与阶梯面A、B紧密接触，则夹具的A面限制了工 件的三个自由度，B面限制了和两个自由度。如果在 XOZ面上增加一个挡块支承工件，则可限制工件的自 由度。这样，工件的六个自由度全部受到限制，使工 件在夹具中处于完全确定的位置。六点定位原理：用六个正确布置的支承点就可完全限制 工件的六个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的 位置，这种用支承点来分析限制工件自由度的方法， 称为“六点定位原理”（six-point locating principle），又称“六点定位法则” 或“六点定 则”。由于这六个支承点相当于按3、2、1的数目分 布在三个相互垂直的直角坐标平面上，因此又称为 “3-2-1定位原理”。在实际生产中，分析工件在夹具定位元件上定位 时，理论上可将夹具定位元件转化为相应的定 位支承点，并以此来分析具体定位元件所限制 的工件自由度。一个大平面相当于三个支承点， 图1-2中A面相当于三个支承点，限制了工件的 三个自由度；窄长面相当两个支承点，如B面 上两个支承点，限制了工件两个自由度；挡块 C面相当于一个支承点，限制了工件最后一个 自由度。二、六点定位原理的合理应用 应用六点定位原理分析工件在夹具中的定位问题时， 不能认为未夹紧前工件还可以相对定位元件反方向运 动而判断其自由度未被限制。在分析支承点起定位作 用时，不应考虑力的影响，因为我们说工件在某个方 向上的自由度被限制，是指工件在该方向上有了确定 的位置，并不是指工件在受到使它脱离支承点的外力 时也不运动，使工件在外力作用下也不运动的是夹紧 的结果，定位和夹紧是两个概念，不能混淆。 1 全定位与准定位 全定位：工件的六个自由度全部被限制而在夹具中 占有完全确定的位置，这种定位方式称为全定位或完 全定位。全定位实例：p5图1-3 准定位：工件在夹具中定位，如果支承点不足六个， 但完全限制了按加工要求需要消除的工件自由度数目， 这种定位方式称为准定位或不完全定位。 准定位实例：p5图1-4.限制四个自由度就行了.图1-3 T形板的全定位图1-4工件的准定 位2. 过定位与欠定位 过定位： 两个或 两个以上定位支 承点重复限制同 一个自由度，这 种定位方式称为 重复定位或过定 位。 实例1：p5图1-5 。 以A、B两端面为 定位基准，过定 位使工件定位精 度 受影响，定位 不确定或使定位 件产生变形，一 般情况应避免。图1-5过定位示例实例2：p6图1-6, 1-7过定位的优缺点：缺点是使定位不确定或使定位件产生 变形， 优点是可增强刚度。 为减小或消除重复定位所造成的不良后果，可采取以下 措施： （1）改进定位件的结构，避免重复定位。 （2）提高工件定位基准和相应定位工作表面之间的位 置精度，以减少干涉引起的不良后果。重复定位虽然 一般应当避免，但在设计工装夹具时，对刚性差的工 件，为了提高工件与定位元件的接触刚度，防止工件 变形，常有意识地采用重复定位，同时采取相应的工 艺措施. 欠定位：工件实际限制的自由度数少于该工序加工要求 所必须限制的自由度数。三 N-2-1定位原理 产生原因：对汽车车身这类薄板冲压件，定位 夹具除了具备限制刚体运动外，还必须能够限 制过多的工件变形，六点定则不能满足这要求。 N-2-1定位原理：是cai.w等人采用变分法，结 合3-2-1定位原理针对薄板零件提出的。内容 如下（1）第一基准面上所需的定位点数为N（N≥3） （2）第二、三基准面所需的定位点为2个和1个， 第二基准面的二个定位点布置在较长的边上。 （3）禁止在正反两侧同时设置定位点，易产生 挠度和潜在的不稳定。N-2-1定位原理的发展： “N‖定位点的确定：上海交大利用有限元分 析和非线性规划。 定位原则：采用定位销与支承钉相辅。第二节 定位方法及定位器一、关于基准的概念 基准：基准又叫基准面（datum），它是一些点、 线、面的组合，用它们来决定同一零件的另外一些点、 线、面的位置或者其他零件的位置。可分为 (1) 设计基准 设计图样上所采用的基准，它是以决 定零件在整个结构或部件中相对位置的点、线、面的 总称。 (2) 工艺基准 在工艺过程中采用的基准，它是加工 装配过程中用来进行定位、安装零件位置的点、线、 面。 工艺基准又可分为工序基准、定位基准、装配基准 和测量基准。 工序基准：工序图上用来确定本工序所加工表面加工 后的尺寸、形状和位置的基准。 定位基准：零件在夹具中定位时所依据的点、线、面。图1－2中： 平面A与工件的接触面最大，消除三个自由度，称第 一定位基准； 平面B消除二个自由度，称第二定位基准； 平面C消除一个自由度，称第三定位基准； 装配基准：它在夹具中决定各零件相对位置的点、线、 面。P8图1-8测量基准：在加工装配过程中用以检查零件位置 或工艺尺寸所依据的点、线、面。 实践中：工件在夹具中的定位，是通过工件 上的定位基准与定位器的工件表面接触或配合 来实现的。在设计夹具时首先应根据工件的形 状选择合理的基准，尽量选用零件粗糙度适宜 的面作为基准，工件上被选作定位基准的表面 常有平面、外圆柱面、圆孔、圆锥面、型面等， 定位方法和定位器的具体结构应与之相适应。 同时又要使一个基准具有多种用途以减少 基准的数量，从而简化夹具的机构，因此在选 择基准时常常将设计基准作为定位、装配和测 量基准，即遵循基准重合原则。二、工件以平面定位 工件以平面作为定位基准，是生产中常见的 定位方式之一，常用的定位器有挡块、支承钉、 支承板等。 1. 挡块 挡块分受力挡块和不受力挡块两种。受力挡块承 受工件的部分重力或夹紧力，以及焊接应力等， 设计时可按零件的厚度加固，挡块与工件接触 线的长度应大于被定件零件厚度的1倍，其高 度则不应低于被定件零件截面的重心线。 挡块的各种形式：p9图1-9可拆挡块 固定挡块固定的螺栓 挡块铰接式可退出挡块永磁材料及软钢制成的定 位挡块：下图是用永磁材 料及软钢制成的定位挡块， 可装配铁磁性金属材料的 焊接件，特别适用于中、 小型的板材及管材的装配。 p9图1-10应用示例直角用永磁定位多用永磁定位挡块2. 支承钉和支承板 固定支承钉：p10图1-11下图为三种固定支承钉 （GB/T2226），其中A型为平头，多用于定位基准 光滑的工件；B型为圆头，用于未经机械加工的平面 定位；C型为花纹头，多用于未加工的零件侧面定位。A型B型C型支承板：p10图1-11 ,下图为支承板 （GB/T2236），多用于已经机械加工的平面 定位，A型用于侧面或顶面定位，B型带有斜 槽，便于清理积屑和脏物，宜作底面定位。A型B型可调支承：p10图1-12,下图为可调支承，适用于毛坯分 批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。也可 用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用 于专用可调整夹具和成组夹具中。在一批工件加工前 调整一次，调整后用锁紧螺母锁紧。图 (a)的结构用 于中、小型工件，图 (b)(c)的结构用于重型工件。自动调节支承：p10图1-13下图为自动调节支承，未装 入工件前，支承栓在弹簧作用下,其高度总是高于基 本支承。当工件在基本支承上定位时,支承柱被压下， 并在弹簧力作用下始终与工件保持接触,然后锁紧， 即可相当于刚性支承。每次新装入工件前，应将锁紧 销松开，以免破坏定位。图1-13自动调节支承三、工件以圆孔定位 常用的定位器有定位销、定位插销和衬套式定位器。 1 .定位销 标准化定位销：p11图1-14,下图所示定位销均已标准 化，主要用于直径在50 mm以下的中小孔定位，每种 定位销有圆柱销和削边销两种形式，根据定位销与定 位孔配合的长径比和配合长度与总体尺寸的关系等， 圆柱销可限制工件的两个或四个自由度，削边销可限 制工作的一个或两个自由度。非标准定位销：如果结构上有特殊要求，或尺寸超过 标准定位销，可根据需要设计非标准定位销。下图(a) 为削边锥销，用于未加工过的孔定位，图(b)为普通圆 锥销，用于精基准定位。工件以单个圆锥定位时容易 倾斜，故应和其他定位元件组合定位。2. 衬套式定位器 P11图1-16下图所示为衬套式定位器，将衬套分为 上、下两部分，下半部分固定在夹具体(旋转轴)上， 上半部分制成活动式，向上撑开时可以顶紧和定位工 件，适用于薄壁圆筒环缝焊接。3. 定位插销 p12图1-17 定位插销可以设计成各式各样的手柄，便于 拔插，插销顶端15°倒角，插销定位部分也可 以制成削边销，减少接触面积，下图是定位插 销应用实例。四、工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面作为定位基准，也是生产中常见的定 位方式之一，常用的定位器有V形块、定位套和半圆 孔定位器。 1. V形块 V形块作为定位元件，不仅安装工件方便，而且定 位对中性好，广泛应用于管子、轴和小直径圆筒节等 圆柱形零件的安装定位。 标准V形块：p12图1-18 V形块在夹具体上调整好位置后用螺钉紧固并配作两 个销孔，用两个定位销确定位置。V形块两个定位面 的夹角? 有60°、90 °和120 °三种。以90 °应 用最为广泛，因为它在保证定位稳定性和减少夹具的 外形尺寸方面比60 ° 和120 ° 的都好。标准V形块 是根据工件定位面外圆直径来选取。
非标准V形块：p12表1-1.由α N K来计算T间断型V形块：p13图1-19，下图为间断型V形块，用于 基准面长度较大的工件。如果两段基准面相距较远， 也可以采用两个短V形块组装的结构，如图 (c)。大 型的V形块，其基体可以和夹具本体铸在一起，工作 表面镶上淬硬支承板，如图 (d)。用于粗糙的基准面 时，工作表面长度要小些，如图(a)所示，一般为2～ 5 mm。中小型的V形块常用20钢制成，渗碳淬火后 硬度达55～60HRC，或用45钢直接淬火到40～ 45HRC。abcd可调节的V形铁：p13 图1-10当零件的直径 不定时，最好采用可 调节的V形铁，如下 图所示，它由底座1、 左右夹板2和3、调节 螺杆4、滑动轴承5及 止动螺钉6组成。使 用时调节反向双头螺 杆4，即可调节两块 V形铁的间距，因而 适应不同直径的工件 定位，通用性好。工 件需转动时，V形块 的二斜面可用 两个 滚轮或长辊轴代替： p5图1-4（b）1―底座；2、3―夹板； 4―调节螺丝；5―滑动轴 承；6―止动螺丝2. 定位套和半圆孔定位器 定位套和半圆孔定位器都是以圆孔定位。图(a) 用于工件以端面为主要定位基准时，短定位套 孔只限制工件的两个移动自由度。图(b)中工 件以外圆柱表面为主要定位基准，长定位孔限 制了工件四个自由度。 图(c)所示为半圆孔定 位器，上半圆起夹紧作用，下半圆孔起定位作 用，下半圆孔的最小直径应取工件定位基准外 圆的最大直径。 定位套：p14图1-21a，b（将工件套在里面） 定位孔：p14图1-21cabc五、组合表面定位 定义： 以工件上两个或两个以上表面作为定 位基准时，称为组合表面定位。 采用组合表面定位时，如果各定位基准之间无紧 密尺寸联系(即没有尺寸精度要求)时, 即把各种单一几何表面的典型定位方式直接予以 组合： P14图1-22例如，如图所示为采用工件的部分外 形组合定位。 P14图1-23图(a)的样板用于确定圆柱体的位置， 图(b)的样板用于确定筋板的位置及垂直度。(a)(b)图1－22图1－23(b)采用组合表面定位时，如果各定位基准之间有紧 密尺寸联系(即有一定尺寸精度要求)时，需设 法协调定位元件与定位基准的相互尺寸联系， 以克服过定位现象。生产中常见的例子是“两 孔一面”定位，即工件以两个中心线互相平行 的孔及与之相垂直的平面作为定位基准。采用 的定位元件是两个圆柱销和一个支承面，或者 是一个圆柱销、一个削边销和一个支承平面， 即“两销一面”的定位方式。其设计要点是如 何在保证加工精度的条件下，使工件两孔能顺 利装配到两销上去。1. 以两个圆柱销及平面支承定位 问题：两销都采用短圆柱销，实际上这是一 种过定位情况，因为一个支承平面限制三个自 由度，每个短圆柱销限制两个自由度，沿两孔 连心线方向的自由度被重复限制了。这时假定 第一个孔能正确装到第一个销上，但同批工件 第二孔就会因孔间距误差和销间距误差的影响 而装不到第二销上，有可能出现孔心距为最小 而销心距为最大，或者孔心距为最大而销心距 为最小的极限情况。 P15图1-24
解决方案：减小第二销的直径。如图(a)所示，孔心距 为最大而销心距为最小，即L+ΔLD＞L-ΔLd 。此时， 工件根本无法装入两销实现定位。为了保证一批工件 都能实现顺利定位，可将第二销的直径减小，并使其 减小量足以补偿销间距和孔间距误差的影响。设工件 上两孔中心距为L±ΔLD，两销中心距为L±ΔLd，定 位孔1与定位销1之间的最小配合间隙X1min，定位孔2 与定位销2之间的最小配合间隙X2min，定位销1直径 最大极限尺寸d1, 定位销2直径最大极限尺寸d2, 定位 孔1直径最小极限尺寸D1, 定位孔2直径最小极限尺寸 D2。图(b)表示孔心距为最大(L+ΔLD)而销心距为最小 (L-ΔLd)的极限情况，在这种情况下，两定位孔恰好 能套在两定位销上，此时有 L +ΔLD CX 1min /2 CD2/2 = L -ΔLd - d2/2缩小后的第二销的最大极限直径为 d2 = D2 -2ΔLD -2ΔLd + X 1min （1-2） 定位销2与定位孔2间的最小配合间隙X2min应 达到 X2min = D2 -d2 = 2ΔLD + 2ΔLd - X1min （13） 另一种极限情况是孔心距为最小（L-ΔLD）而 销心距为最大（L+ΔLd）的情况，同理可得到 式（1-3）的结果。图片为d 2 ? D 2 ? 2? LD ? 2? Ld ? X 1 min这种缩小一个定 D 2 ? 定位孔2的直径 位销直径的方法， LD-两孔中心距的最大偏差 ? 虽然能实现工件 的顺利装卸，但 ? Ld-两销中心距的最大偏差 显然加大了孔与 X 1 min ? 定位孔1与定位销1的最小配合间隙 销的配合间隙， 使工件的转角误 这一方案影响配合精度 差增加，影响装 X2min=2? LD+2? Ld-X1min 配精度。因此， X 2 min ? 定位孔2与定位销2的最小配合间隙 只能在加工要求 不高时使用。所 以实际上往往不 采用减小第二销 直径的办法，而 是采用削边销。2. 以一圆柱销和一削边销及平面支承定位 好处：为使工件在极端情况下能装到定位销上， 在不减小圆销直径的情况下，可把第二销碰到 孔壁的部分削去,只留下一部分圆柱面，如上 页图所示。这样，在连心线方向上仍有减小第 二销直径的作用，而在垂直于连心线方向上， 由于销子直径并未减小，因此工件转角误差没 有增大，同时也保证了工件装配容易。 削边销保留宽度b可按下图所示的几何关系进行 计算：p15图1-25
由直角△ACO2和直角△BCO2可知 CO2CO2= AO2 AO2 - AC AC= BO2 BO2 - BC BC （1-4） 式中 AO2 =D 2/2 BO2 =d2/2 =(D 2- X2min)/2 BC =b/2 AC = AB + BC =(ΔLD +ΔLd )+ b/2 代入式（1-4）得 D 2 D 2 /4 -(ΔLD + ΔLd + b/2)2 =(D2 -X 2min)2/4 b2/4 化简并略去二次微量(ΔLD+ΔLd)2和X 2min X 2min ， 整理后得 b = D2 X 2min / 2(ΔLD +ΔLd ) （1-5）设计夹具时，“两孔一面”定位的定位销尺寸和 公差常按以下步骤确定： (1) 确定两定位销中心距及公差。 计算时， 工件孔中心距均应化成以平均尺寸为基本尺寸， 偏差对称分布的形式。两定位销中心距的基本 尺寸等于两孔中心距的平均尺寸，其公差一般 为 ±Ld = ±(1/5～1/3)ΔLD (2) 确定圆柱销直径d 1的基本尺寸及公差。 圆柱销d 1以工件相应孔的最小极限尺寸D 1为 基本尺寸，公差取g6或f7，即 d 1 = D 1 (g6或f7)(3) 确定削边销宽度b和限位基面直径d2的基本尺寸、 公差。削边销的宽度b对工件的定位及削边销的寿命 影响较大。所保留的宽度过大，工件仍有可能装不进 去，过小容易磨损且易划伤孔表面。兼顾工件的装夹、 定位精度及夹具的使用寿命，一般按国标GB/T2203 所推荐的数值选取。为使工件装入方便，定位销端部 应按15°倒角，同时还应使削边销低于圆柱销3～5 mm。从表1-2查出b值，代入式(1-5)中求出X 2min， 则削边销的限位基面直径d2为d 2 = D 2 - X 2min （公差取h5或h6）六 型面定位 定义:对于复杂外形的薄板焊接件,一般采用与 工件的型面相同或相似的定位件来定位。 实例:p17 图1-26 1-27第三节 定位方案设计的方法与步骤通常按以下步骤设计定位方案 ： 一、确定定位基准(对一产品) 首先应根据工件的技术要求和所需限制的自 由度数目，确定好工件的定位基准。在焊接夹 具上装配的零件都不是单个的，而是许多个。 整个组装过程，就是把这许多个零件按顺序逐 个地在夹具上进行定位和夹紧，待点固或焊接 完后才形成一个部件。 一个零件的定位基准或待装部件用的组装基 准，可以按下列原则去选择：(1) 当在零部件的表面上既有平面又有曲面时， 优先选择平面作为主要定位基准面或组装基准 面，尽量避免选择曲面，如果各个面都是平面 时，则选择其中最大的平面作为主定位基准面 或组装基准面。 (2) 应当选择零部件上窄而长的表面作为导向定 位基准，窄而短的表面作为止推定位基准。(3) 应尽量使定位基准与设计基准重合，以保证 必要的定位精度。以产品图样上已经规定好的 定位孔或定位面作为定位基准。若没有规定时， 应尽量选择设计图样上用以标注各零件位置尺 寸的基准作为定位基准。 (4) 尽量利用零件上经过机械加工的表面或孔等 作为定位基准。或者以上道工序的定位基准作 为本工序的定位基准。备料过程中，冲剪和自 动气割的边缘以及原材料本身经过轧制的表面 都比较平整光洁，可以作为定位基准。手工气 割的边缘和手工成形的表面其精度差，一般不 宜作定位基准。上述原则要综合考虑，灵活应用。检验定位基 准选择得是否合理的标准是：能否保证定位质 量、方便装配和焊接，以及是否有利于简化夹 具的结构等。 实例：p18图1-28 装配工字梁时，有两个面可作 组装基准。下图a是以下盖板的底平面作组装 基准，即采取立装。这样缺点较多，重心高， 不稳定；装配上盖板时，定位与夹紧困难，需 要仰面定位焊。因此，应像图b中那样，以腹 板的侧面作为整个工字梁的组装基准，即采取 放倒装配，这样装配稳定，并且施焊方便。但 是，两面定位焊时，工件需要翻转。(a)(b)工字梁组装基准面的选择二、确定定位器的结构及其布局 非常重要. 定位基准确定之后，设计定位器时，应结合基 准结构形状、表面状况，限制工件自由度的数 目、定位误差的大小，以及辅助支承的合理使 用等，并在兼顾夹紧方案的同时进行分析比较， 以达到定位稳定、安装方便、结构工艺性和刚 性好等设计要求。 实例：p19图1-29 P19图1-30
三、确定必限的自由度 根据工序图中装配顺序和技术要求，正确 地确定必须限制的自由度，并用适当的定位器 将这些自由度加以限制。 常用定位器所限制的自由度:p19表1-3
四、提出定位器的材料和技术要求 定位器本身质量要高，其材料、硬度、尺寸 公差及表面粗糙度要符合要求，装入夹具后强 度和刚性要好。定位方案的设计，不仅要求符 合定位原理，而且应有足够的定位精度。不仅 要求定位器的结构简单、定位可靠，而且应使 其加工制造和装配容易。 强度和刚度计算。 精度等级IT9或IT8,粗糙度Ra1.6?. 耐磨性40∽65HRC,材料45,40cr,T8,T10或 20,20cr等五 定位方案实例分析 以汽车驾驶室为例 1 装焊定位基准的选择 汽车驾驶室装焊定位基准及工装设计基准与车 身的设计基准一致. 汽车车身为空间形体结构,其设计基准以X、Y、 Z轴坐标系,间距 200mm作基准线,p21图1-31.
对装配最重要部分,选择装配定位基准时要: （1）保证门框尺寸 门框作为定位基准:EQ1090驾驶室的定位 点如图p21图1-31的定位方案. 驾驶室采用侧围装配. 门框冲压成整体结构. （2）保证前、后悬置孔的位置精度. （3）保证前、后围风窗口装配尺寸. 2 定位分析 P22图1-32
前围立柱:3、5为定位主基准,采用了四个定位支承; 4、6为第二定位基准； Z方向用冲点位p22图1-33； 采用六点定则，图为p22图1-32 过定位。 后围立柱：与前围立柱相同。 驾驶室底板:采用一面两销. 有的情况还要考虑辅助支承：1支承块3 驾驶室总成装焊夹具 EQ1090驾驶室随行夹具p23图1-34. 门框装焊夹具p23图1-35,由2、8、4、9构成. 装焊顺序:底板装在定位夹具上,然后装前围、后 围、门上梁, 夹紧后焊接。
习题与思考题 1.何谓六点定位原理?是否一定要完全限制工件的六个 自由度才算定位合理? 2.何谓全定位、准定位、欠定位和重复定位?试举例说 明。 3.什么是N―2―1定位原理?在薄板件的焊装夹具中如 何应用? 4.两销一面定位中为什么要选用削边销?它在定位装置 中如何布置? 5.工件以平面为定位基准时，常用哪些定位元件?各用 于什么场合? 6.工件除以平面定位外，还常用哪些表面作定位基准? 相应的定位元件有哪些类型? 7.在夹具设计中，基准重合与基准不重合的含义是什么? 8.工件的定位与夹紧的区别是什么?9．确定工件在夹具中应限制自由度数目的依据是什么? 10．试分析和设计轴类工件的六点定位装置。 11.试分析图1―36所示盘类工件的定位情况。 12．两根直径为50 mm的圆管需要环缝对接焊， 。 若采用外圆柱面定位，试设计工作角度为90 的v形块。第二章 夹紧装置设计 第一节 夹紧装置的组成与要求工件在夹具上的安装包括定位和夹紧两个密切联 系的统一过程。为使工件在定位件上所占有的 规定位置在焊接过程中保持不变，就要用夹紧 装置将工件夹紧，才能保证工件的定位基准与 夹具上的定位表面可靠地接触，防止装焊过程 中移动或变形。 一、夹紧装置的组成 (1) 力源装置 (2) 中间传力机构 (3) 夹紧元件 (1)力源装置 它是产生夹紧作用力的装置。通常 是指机动夹紧时所用的气动、液压、电动等动 力装置。下图中的气缸便是一种力源装置。(2)中间传力机构 它是将力源产生的力传递给夹紧元件 的机构,如图中的斜楔。传力机构的作用有三种：改 变夹紧力的方向；改变夹紧力的大小(扩力)；保证夹 紧的可靠性、自锁性。 (3)夹紧元件 即与工件相接触的部分，它是夹紧装置的 最终执行元件。通过它和工件直接接触而完成夹紧动 作。图中的压板即为夹紧元件。这三部分相互关系， 可用下框图表示。 在手动夹紧装置 中，没有第一部 分，手动夹紧的 力源是由人力来 保证的，中间传 力机构和夹紧元 件组成为夹紧机 构。夹紧装置的 设计内容，就是 设计这几个部分。 夹紧装置的具体 组成是由工件特 点、定位方式、 工艺条件等来综 合考虑的。二、夹紧装置的分类 1. 按作用力的来源分 （1）机动夹紧 又有气压传动、液压传动、气液 压传动、电机传动、电磁夹紧及真空夹紧等。 （2）手动夹紧 是夹紧装置中最简单、最原始的 形式，在小批和成批生产中仍然用得很广 。 2. 按转变原始力为夹紧力的机构分 （1）简单夹紧机构 是将原始力转变为夹紧力 的机构只是一个，如螺旋式、楔式、偏心式、 杠杆式和弹簧式夹紧机构等。（2）组合夹紧机构 是两个或两个以上的简单 夹紧机构所组成，如螺旋―杠杆式、螺旋―楔 式、偏心―杠杆式及偏心―楔式等。组合夹紧 机构可以进一步增大夹紧力或得到适当要求的 夹紧力作用点及夹紧方向。3. 按夹紧方向及位置分 按机构对工件所作用的夹紧力方向及位置的安 排方式，夹紧装置又可分为：垂直夹紧、平行 夹紧、对向夹紧、张开夹紧、沿圆周径向夹紧， 或内部夹紧、外部夹紧等。三、夹紧装置的基本要求 设计夹紧装置时，必须满足下列基本要求： (1) 正―夹紧时，不能破坏工件在定位元件上所获 得的正确位置。为此要正确选择夹紧力的方向和作用 点。 (2) 牢―夹紧力的大小要适当、可靠。夹紧机构一 般要有自锁作用，保证在装配焊接过程中工件不会松 动，又不会使工件产生的变形和表面损伤超出技术条 件的允许范围。 (3) 快―夹紧装置应操作方便、安全省力，夹紧迅 速，以便减轻劳动强度，缩短辅助时间，提高生产 率。 (4) 简―结构要力求简单、紧凑，并具有足够的刚 性，使工装具有良好的工艺性和使用性。四、夹紧力的确定 夹紧力包括力的方向、作用点和大小三个 要素，它对夹紧装置的设计起着决定性的作用。 1. 夹紧力方向的选择 (1) 夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面。 可使工件与定位件更好节触,使夹紧力引起的变 形小. (2) 夹紧力的方向应有利于减小工件变形。 工件变形与焊接工艺密切相关（材料、结构、 夹具等） P26图2-3 P26图2-4
(3) 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。 P26图2-52. 夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点是指夹 紧件与工件接触的部位 (局部接触面积)。 (1)应不破坏工件定位已确 定的位置，即应作用在 支承上或支承所组成的 面积范围之内。 P27图2-6 2-7 P27图2-8 夹紧力的摩擦力使工件转 动和移动P28图2-9
(2)夹紧力作用点的数目增多，能使工件夹紧均 匀，提高夹紧的可靠性，减小夹紧变形。 增加作用点数目:琴键式压板及P28图2-10 增加接触点面积: P28图2-11 2-12(3) 夹紧力作用点应不妨碍施焊。3. 夹紧力大小的确定 一般采用类比法、经验法来确定 计算法时,考虑下面几点 确定夹紧力大小应考虑下列因素： (1)夹紧力应能够克服零件上局部变形 。 (2)当工件在胎具上实现翻转或回转时，夹紧 力足以克服重力和惯性力，把工件牢牢地夹持 在转台上。 (3)需要在工装夹具上实现焊件预反变形时， 夹具就得具有使焊件获得预定反变形量所需要 的夹紧力。 (4)夹紧力要足以应付焊接过程热应力引起的 拘束应力。五 定位及夹紧符号的标注 P29图2-13 定位及夹紧符号的标注:国标第二节 简单夹紧机构简单夹紧机构常见的有楔式、螺旋式、偏心式、 杠杆式和弹簧式等数种，它们都只有一个机构 将原始力转变为夹紧力。楔式、螺旋式和偏心 式夹紧机构都是利用机械摩擦的斜面自锁原理 来夹紧工件的，其中楔块是最基本的形式，偏 心轮和螺杆只不过是楔块的变种。一、楔块夹紧机构 P30图2-14 楔块夹紧机构（wedge clamp） 是利用楔的斜面将楔块的推力转变为夹紧力从 而将工件夹紧的一种机构。（如下图）1 夹紧力的计算 P31图2-15斜楔受三力FQ,Fr1,Fr2作用 由理论力学力平衡(水平,竖直) FQ Fj= tan(? ? ? 2) ? tan ? 1 FQ - 原作用力2 自锁条件 由机械原理, 自锁条件为松 夹时 ? ?0? -楔块升角 ? 1-楔工件摩擦角 ? 2-楔与夹具体摩擦角1 i(松夹时理想扩力比) tan ? 即? = ? ?0 1 ip (松夹时实际扩力比) tan(? ? ? 2) ? tan ? 1 ? ? ? ?1 ? ? 2也可由受力分析得 到上述结果p31 图2-163 增力比与行程比Fj 1 增力比：i ? ? FQ tan(? ? ? 2) ? tan ? 1 理想增力比：i ? 1/ tan ? 行程比：夹紧行程与斜楔的移动距离之比 h ? tan ? s h h i, , 与自锁的关系：? ?? i ?,自锁可靠， 小 s s h ? ?? i ?,自锁差， 大 sP32图2-17 ,斜楔的行程比。 2-18的双升角斜楔。二、螺旋夹紧机构 利用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧工 件的机构，统称螺旋夹紧机构(screw clamp)。 这类夹紧机构由于结构简单、夹紧可靠，通用 性强，既可独立使用，也可以安装在夹具上和 定位器配合使用，所以在焊接生产中广为应用。 其缺点是夹紧和松开工件时比较费时费力。 1．螺旋夹紧件的基本构造 两种基本形式：螺钉夹紧件，螺母夹紧件。 螺钉夹紧机构。P32图2―19, P33图2―20
快速动作的螺旋夹紧器p33图2-212．螺旋夹紧机构的工作性能 P34图2-22以螺杆为受力对象，受三力FQ,FN,FJ,力矩平衡 和力平衡可得自锁分析? ?01 i(松夹时理想扩力比) tan ? 即? = ? ?0 1 ip (松夹时实际扩力比) tan(? ? ? 1) ? ? ? ?1当螺杆端部为平端面时，分析同上P35图2-23螺旋产生的夹紧力p35 表2-2三、偏心夹紧机构 偏心夹紧机构(eccentric clamp)是指用偏心件直接或 间接夹紧工件的机构。偏心件有圆偏心和曲线偏心 (即凸轮)两种。 1．圆偏心的夹紧原理 实质是升角变化的楔p35图2-24参数p36图2-25
2．园偏心白锁条件忽略? 2，使自锁更可靠，? ? ? 1 若升角最大的情况下能自锁，则偏心轮可正常工作 tan? max ? tan? 1 2e ? ? tan ? 1 D ? D ? (14 - 20e)自锁也可由? ? 0推导，不过要先计算夹紧力3．夹紧力的计 算 向斜楔转化 p37图2-26 ACDK斜楔受三个力 FQ1=FQL?; F 1, Fj合力；F 2, FN 合力力平衡－水平，竖直 夹紧力 FQL FJ = ?[tan(? ? ? 2) ? tan ? 1]4．园偏心参数及工作位置的确定 偏心距e 和直径D： 园偏心的夹紧行程偏心距e的范围偏心轮的安装位置，即旋转中心至被夹紧表面 的距离c。p38图2―27所示，距离c可由下式 计算 偏心轮的工作段：已知c, e, △,δ 用作图法求出 。 p38图2-27 去多余部分及 安装手柄。偏心轮的夹紧行程h=e(1+sinβ) 偏心轮的工作行程（转角从γ1－γ2） S＝e(cosγ1-cosγ2) p39表 2-5 表2-6
5．偏心夹紧机构的特点 形式：常用的偏心件形式有轮型、轴型、槽型和钩型。 P40图2-28圆偏心轮叉型偏心轮 单面偏心轮双面偏心轮轴型偏心夹紧件 槽型偏心夹紧件 钩型偏 心夹紧件材料：T7A、T8A、20、20cr 特点：夹紧迅速，自锁，但夹紧力小。P41表27四、弹簧夹紧机构 弹簧夹紧机构是利用弹簧变形产生的力作为持续动 力，然后把这个力转变为夹紧力将工件夹紧。弹簧夹 紧机构有以下主要优点： (1)限制并稳定夹紧力。在夹紧状态下调整弹簧的变形 量，则夹紧力限定在某范围内。 (2)在批生产使用时，夹紧力稳定，其力的大小无变化。 (3)弹簧夹紧容易实现自动夹紧。结构形式： 应用较多的有圆柱形螺旋弹簧(拉伸弹簧 和压缩弹簧)和碟形弹簧两种结构。它们都是标准件， 可查手册选用。对于非标准件可自行设计，关于强度、 变形量等的验算可参考设计手册，以验算数据作为参 考依据，在结构设计中统一考虑。实例：p41图2-29五、推拉夹紧机构 在焊接生产中，经常需要将笨重的零部件移 动几毫米至几十毫米，使它们处于正确的位置， 这时可以使用推拉来顶紧、撑开或拉近工件。 有时它也可用作装配时支承工件的基面。 常用的推拉夹具有千斤顶、拉紧器和推撑器。 用来防止、矫正变形。 1. 拉紧器 p42图2-30 拉紧器用于装配时拉紧工件，常用的拉紧器多数 是机械式的，其中以螺旋拉紧器应用最广。
2. 推撑器 把两个工件顶紧或撑开，而本身受压力的装置叫推 撑器。最简单的螺旋推撑器是螺旋千斤顶。 圆筒容器的装配：p43图2-31专门用于装配中小型管道用的推撑器 ：p43图232环形螺旋撑圆器 ：p44图2-33六、杠杆夹紧机构 单独应用少，无自锁 能力，它常与斜楔、螺 旋、偏心轮等具有自锁 性能的夹紧件组合，构 成各种复合夹紧机构。 P44图2-34第一杠杆第二杠杆第三杠杆杠杆夹紧机构是利用杠杆原理使原始力变为夹紧 力，并用杠杆作为传力件或夹紧件实现夹紧的 机构。 杠杆必须由三个点和两个臂组成，支持杠杆 转动的点叫支点；承受重物的点叫重点；对杠 杆施力的点叫力点。支点到重点的距离叫重臂； 支点到力点的距离叫力臂。 支点在中间的为第一杠杆，重点在中间的为 第二杠杆，力点在中间的为第三杠杆。第三节 复合夹紧机构复合夹紧机构是由几种简单夹紧件和传力件利用 杠杆原理和自锁原理组成的夹紧机构。复合夹 紧机构的用途很广，与简单夹紧机构比较有下 列优点。 (1) 扩大夹紧力，原始力经过第一个机构传至 第二个机构，而第二个机构再将力的三要素加 以改变。 (2) 可使整个夹紧机构得到自锁作用，以弥补 无此作用的简单夹紧机构的缺点。 (3) 能在最合适的地点与方向夹紧工件，便于 工序的进行。 常用的复合夹紧机构有：螺旋―杠杆、斜 楔―杠杆、偏心―杠杆、铰链―杠杆等。一、螺旋―杠杆夹紧机构 螺旋―杠杆夹紧机构是经螺旋扩力后，再经杠杆进一步 扩力或缩力来实现夹紧作用的一种夹紧装置。 P45图 2-35螺旋―杠杆夹紧机构，Fj=FQL/L1常见的螺旋―杠杆夹紧机构P46图 2-36螺旋压板双分力夹紧装置 图 2-37、2-38、2-39、2-40、2-41 图 2-42、2-43（外薄筒为工件） 螺旋压板双分力 夹紧装置 铰链 压板双分力夹紧 装置带复合杠杆的联动 夹紧装置 气 动联动夹紧装置螺旋杠杆式外张夹紧装置 安装法兰用的杠杆螺旋夹紧器带钢球和斜槽杠杆 的螺旋夹紧装置 带交叉杠杆的螺旋 夹紧装置二、偏心轮―杠杆夹紧机构 偏心轮―杠杆夹紧机构(eccentric-lever fixture)是利用 偏心轮(或凸轮)和杠杆所组成的一种夹紧装置。 P48图 2-44,2-45 P49图 2-46,2-47带直角压板的偏心夹紧装置 心装于压板上的夹紧装置偏带移动压板的偏心夹紧装置 均衡夹紧装置带双面偏心轮的三、铰链―杠杆夹紧机构 铰链―杠杆夹紧机构（hinge-lever fixture） 是利用杠杆原理将杠杆系通过固定铰链和活动 铰链组成的夹紧机构，也称肘杆夹紧器 （toggle clamp）。 1.自锁条件 自锁原理的特殊性： 气动铰链―杠杆夹紧机构一般不具有自锁 作用。手动铰链―杠杆夹紧机构必须要自锁， 它并非利用机械摩擦斜面（斜楔、螺旋及偏心 轮）来自锁，而是利用肘杆铰链的支反力变向 (对夹紧力有利)而实现自锁的。 分析：p49图2-48,2-49结论：对铰链四杆机构，从动件与连杆共线是出 现死点的位置。 铰链―杠杆夹紧机构的自锁条件是：手柄杠杆 与连接板共线。2.基本结构形式 来源于铰链四杆机构（曲柄摇杆、双摇杆、导杆机构） 分三类：p50图2-50 机构常用的基本类型有三种，图 (a)为第一类铰链―杠杆夹紧机构，属双摇杆机构。 图(b)为第二类铰链―杠杆夹紧机构，与第一类不同 点是选取连杆BC作为手柄杠杆。图(c)为第三类铰 链―杠杆夹紧机构，属导杆机构。派生形式：p51图2-51(手柄杠杆、夹紧杠杆、 连接板的铰结形式和位置形状不同)3.典型实例 图2-52,2-53,2-54,2-55为第一类铰链-杠杆夹紧 机构：
特点：由两组杠杆与连接板的组合,手柄杠杆与 夹紧杠杆与支座铰链, 手柄杠杆为垂直式(夹紧 时) 。 保证自锁的稳定性：夹紧时手柄杠杆的施力点应 越过手柄杠杆支点和 夹紧杠杆受力点的连线 一小段距离,即夹紧与松开的临界线,但又不能 越线过度,应设计限位挡块或支座的局部.图2-56为第二类铰 链-杠杆夹紧机构： 特点：也是两 组杠杆与一组连 接板组合,夹紧杠 杆与连接板与支 座铰链;手柄 杠杆为水平式,设 计时要考虑夹紧 杠杆松开时是否 打手.这类夹紧器 的夹紧杠杆转角 小。图2-57为第三类铰 链-杠杆夹紧机构： 特点：为一组杠 杆与连接板组合, 夹紧力大。图2-58为大力钳： a b 为第二类铰 链-杠杆夹紧机构. C 为第三类铰 链-杠杆夹紧机构 (一手柄固定 分析另一手柄)图2-59,2-60为多杆机构：第三类4. 设计要点 (1)先按工件的夹紧要求，确定铰链―杠杆夹紧机构的 基本类型。 采用解析法、几何作图法、实验法完成主要几何参数设 计。 已知松夹位置,求杆件尺寸,取d=1 P57图2-61四个方程可求出a,b,c。四杆同时乘比例系数 均满足要求对垂直式肘杆夹紧器： φ2=90°,BC=CD=AB/2=1.414AD/2.p58图262(2) 确定夹紧器的结构尺寸。 P57图2-61 杠杆的引出：对第一类,手柄杠杆从A、B, 夹紧杠杆从C、 D 对第二类,手柄杠杆从B, 夹紧杠杆从C、D 手柄杠杆 夹紧杠杆的伸出长度：力的大小方向作用点 杠杆、连接板、销轴的强度与刚度：(3) 设计的铰链― 杠杆夹紧机构必 须具有良好的自 锁性能。 手柄杠杆与连接 板的铰结点要越 过共线0.5― 3mm。 可调弹性压头, p58图2-63提高 夹具停留在死点 的稳定性。四、其他 形式复 合夹紧 机构 P59图 2-64第四节定心夹紧机构定心夹紧机构，是指能同时实现工件定位和夹 紧的机构。三爪卡盘(three-jaw chuck)和弹性 夹头(collet)就是常用的两种定心夹紧机构,它 们的共同特点是：定位和夹紧由同一元件完成， 并通过元件等速移近或离开工件，来消除工件 尺寸公差对定位精度的影响。 定心夹紧机构按其特性分为：定心元件等速移 动原理（螺旋式、偏心式、楔式、杠杆式）和 弹性元件均匀变形原理（弹性夹筒式、碟形弹 簧片式和液性塑料定心夹具）两类。一、定心元件等速移动原理及机构 1．螺旋式定心夹紧机构 图2-65,2-66,2-67利用丝杠―螺母 三爪卡盘利用盘形螺旋槽机构.p61表2-12下图为用左右螺纹传动的机构示意图，定心元 件上带有与其刚性相连接的螺母，螺母可在具 有相等螺距的左右螺纹丝杆上对理想中心点O 作对向或背向移动，以实现自动定心的作用， 此处防止丝杆纵向移动的挡块1和一对凸肩2应 位于丝杆的中部。
2．楔式定心夹紧机构 图2-68,2-69,2-70
3．偏心式 定心夹紧 机构 P62图 2-714．连杆式定心夹紧机构 P62图2-72 原理 采用主从定位块配合p62图2-73表2-13
二、弹性夹筒式定心夹紧机构 弹性夹筒式定心夹紧机构通常称为弹性夹头，它 是利用弹性夹筒的弹性变形来将工件定心并夹 紧的装置，适用于对各种直径和长度的内外圆 作基准的工件定心及夹紧。下图为工件以外表面定心的弹性夹头：p63图274 后拉式、前推式 、不动式、不动式
下图为工件以内表面定心的弹性夹头，也称弹簧 芯轴：p64图2-75弹性夹头的设计 （1）结构特点 p64 图2-76 弹性夹头的形式要适应 工件及其定位基准的 尺寸和形状，最常用 的夹头结构都具有三 个部分（如下图）头 部为卡爪1，中部为簧 片2，尾部为导向部分 3。这三部分的工作条 件不同，所以各部分 的机械性能和硬度要 求也不同。（2）硬度：头部卡爪50―55HRC;尾部导向为 40―45HRC。 材料：65Mn,18CrMnTi等. 热处理：p65表 2-14锥度：p64图2-77 弹性夹头的锥度对定心夹紧的性能影响较大。 为了使弹性夹头在工作时不被卡住，并且在 夹紧时不需要很大的力，锥度一般采用 30°；夹具体上的锥角比夹头上的锥角相差 1 ° ，根据夹头的锥面方向的不同来决定其 锥角的数值。当锥面为内拉式夹紧时，如 图 (a)所示，夹具体锥角采用29 ° ，夹头的锥度 用30 ° ；当锥面为外推式夹紧时，如图 (b) 所示，夹具体锥角采用31 ° ，夹头的锥度用 30 ° 。
（3）标准化及自行设计p65表2－15第五节 柔性夹具柔性夹具（flexible fixture）：是指用同一夹具系统能 装夹在形状或尺寸上有所变化的多种工件。 柔性夹具的发展：p66表2-16 柔性焊装夹具：就是能适应不同产品或同一产品不同型 号规格的一类焊装夹具。当前研究和应用的柔性焊装 夹具一般属于传统夹具的创新，主要采用组合夹具和 可调整夹具。一、组合夹具 组合夹具（built up fixture）：是由可循环使 用的标准夹具零部件或专用零部件组装成易于 连接和拆卸的夹具。 它是在夹具完全模块化和标准化的基础上，由 一整套预先制造好的标准元件和组件，针对不 同工件对象迅速装配成各种专用夹具，这些夹 具元件相互配合部分的尺寸具有完全互换性。 夹具使用完毕后，再拆散成元件和组件，因此 是一种可重复使用的夹具系统。（如图）
组合夹具特点：使用组合夹具具有显著的技术 经济效果，符合现代生产的环境保护要求，主 要表现在以下 (1) 缩短生产准备周期 (2) 降低成本 (3) 保证产品质量 (4) 扩大工艺装备的应用和提高生产率 组合夹具也有缺点，它与专用夹具相比，体积 庞大、质量较大。夹具各元件之间都是用键、 销、螺栓等零件连接起来的，连接环节多，手 工作业量大，也不能承受锤击等 过大的冲击 载荷。组合夹具的发展：组合夹具按元件的连接形 式不同，分为两大系统：一为槽系，即元件 之间主要靠槽来定位和紧固；二为孔系，即 元件之间主要靠孔来定位和紧固。每个系统 又分为大、中、小、微四个系列。早期为各 种槽系组合夹具系统,80年代后,孔系组合夹具 超过槽系。1. 槽系 组合 夹具 p68图 2-79槽系组合夹具就是：指元件上制作有标准间距 的相互平行及垂直的T形槽或键槽，通过键在 槽中的定位，就能准确决定各元件在夹具中的 准确位置，元件之间再通过螺栓连接和紧固。 槽系组合夹具元件分为8类：即基础件、支承件、 定位件、导向件、压紧件、紧固件、辅助件和 合件。 (1) 基础件 用作夹具的底板，其余各类元件均 可装配在底板上，包括方形、长方形、圆形的 基础板及基础角铁等。 (2) 支承件 包括各种方形或长方形的垫板、支 承件、角度支承、小型角铁等，主要用作不同 高度的支承和各种定位支承需要的平面。(3) 定位件 其主要功能是用作夹具元件之间的相互定 位。 (4) 导向件 主要功能是用作孔加工工具的导向，如各 种镗套和钻套等。 (5) 压紧件 主要功能是将工件压紧在夹具上，如各种 类型的压板。 (6) 紧固件 包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。 (7) 辅助件 不属于上述6类的杂项元件，如连接板、 手柄和平衡块等。 (8) 合件 合件是指由若干零件装配成的有一定功能的 部件，它在组合夹具中是整装整卸的，使用后不用拆 散。按用途可分为：定位合件、分度合件、夹紧合件 等。2. 孔系组合夹具 P69图 2-80,2-81定义：孔系组合夹具是指夹具元件之间的相互位置由孔和 定位销来决定，而元件之间的连接仍用螺栓或特种销栓 连接。 孔系组合夹具元件之间相互位置是由孔和销来决定的。为 了准确可靠地决定元件相互空间位置，采用了一面两销 的定位原理，即利用相连的两个元件上的两个孔，插入 两根定位销来决定其位置，同时再用螺钉将两个元件连 接在一起。对于没有准确位置要求的元件可仅用螺钉连 接。因此部分孔系元件上都有网状分布的定位孔和螺纹 孔。Pc栓销代替螺纹孔图2-81上图。元件分类：孔系组合夹具元件大体上可分成5类， 即基础件、结构支承件、定位件、夹紧件、合 件和附件。 特点：与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具 有下列优缺点 (1) 元件刚度高 (2) 制造和材料成本低 (3) 组装时间短 (4) 定位可靠 (5) 孔系组合夹具装配的灵活性差因此，当前世界制造业中，是孔系和槽系并存的局面， 但以孔系更具有优势。 焊装夹具组合夹具特点：由基础支撑部件、定位件、 夹紧件、辅助件与控制系统五个部分组成。其中基础 支撑部件、定位件、夹紧件是夹具结构设计的主要内 容。 基础支撑件包括方形基础、圆形基础、支架、基 础角铁。 定位件包括定位销、挡铁、平面定位板、曲面定 位板等。 夹紧件包括螺旋夹紧机构、杠杆夹紧机构、铰链 夹紧机构、复合夹紧机构等。 焊装夹具柔性化结构设计的关键：是对焊装夹具零部 件进行标准化、模块化、通用化、系列化，以及采用 可调式结构设计，这也是焊装夹具开发和研究的一个二、可调整夹具 定义：可调整夹具（adjustable fixture）是 指通过调整或更换个别零部件能适用多种工件 焊装的夹具。调整部分允许采用一定的调整方 式以适应不同焊接件的安装。此部分包括一些 定位件、夹紧件和支撑件等元件。其主要调整 方式分为更换式、调节式和组合式。 1. 更换式p70图2-82 通过更换调整部分的元件或合件的方法，实 现不同产品的安装要求。 更换式调整方法的优点是精度高，使用可靠。 但更换件的增加会导致费用增加，并给保管工 作带来不便。
2. 调节式（普遍） 通过改变夹具可调元件的位置的方法，实现 不同产品的安装要求。 调节式结构零件少，夹具管理方便。但可调 部件会降低夹具的刚度和精度。在夹具制造装 配中应加注意。更换式和调节式结构常常综合 使用。各取其长，可获得良好的效果。 P70图2-82 ：对连接板加垫片或调节支撑. P71图2-83 ：T形槽导轨. P72图2-84 ：可调式定位件. P72图2-85 ：可调式定位及夹紧装置.
3. 组合式 在同一焊装夹具基体的不同位置安装不同机构， 从而满足不同产品焊装的需要。 在组合式焊装夹具结构中，可最大限度采用公 用部分机构。按不同产品要求的部分机构布置 在夹具基体的不同位置。这些机构结构和尺寸 尽量模块化、标准化、通用化。三. 焊接组合夹具应用实例 德国戴美乐公司可发的柔性化三维焊接组合夹具 1 三维焊接组合夹具的组成 P73图2-86 （1）工作台 （2）模块 （3）PC销栓 （4）夹紧器 带补偿悬臂的螺旋夹紧器p74图2-87
2 三维焊接组合夹 具的特点 （1）柔性化 （2）高精度 （3）重复性3 三维焊接组合夹具的应用实例 （1）装载机的承重臂p74图2-88 （2）电动汽车车架p75图2-89 （3）摩托车车架p75图2-90
第三章焊接工装中常用的动力装 置第一节 气压传动装置焊接工装中机械化传动装置包括气压传动、液压 传动、电力传动、电磁传动和真空传动等多种 方式，而气压传动是这些传动中应用最广泛的 一种 。 一、气压传动系统的组成及特点 1. 气压传动系统的组成 气压传动包括三个组成部分：（1）气源部分 包括空气压缩机、冷却器、蓄气罐三个主要 装置，这一部分一般置于单独的动力站内，也 可以采用小型移动式空气压缩机。（2）控制部分 包括分水滤气器、减压阀、压力继电器等， 这些部件一般安装在工装的附近。 （3）执行部分 包括气缸等，它把气体的压力能转变为机械 能，以便实现所需要的动作，如定位、夹紧等。 P76图3-1 防冲击：节流阀 防噪音：消声器1―空压机；2―冷却器；3―蓄气罐；4―油水分离器；5―截止阀；6―过滤器； 7―减压阀；8―油雾器；9―单向阀；10―换向阀；11―动力气缸； 12―被加工工件；13―气动夹紧机构 气压传动系统的组成2. 气压传动系统的特点 气压传动具有下列优点： (1) 与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快。 (2) 压缩空气来源于大气，取之不尽，用之不竭。用后 排入大气，不需要回收装置。 (3) 对环境的适应性强。 (4) 结构简单，维护方便。比液压传动的成本低。 与液压传动相比，气压传动还有一些不足之处： (1) 载荷变化时，传递运动不够平稳、均匀，夹紧的刚 性较低。 (2) 执行元件的结构尺寸较大。 (3) 排气噪声较大。二、气缸简介 气缸（pneumatic cylinder）是将压缩空气 的压力能转换为直线往复运动形式的机械能的 装置。在气压传动系统中，它是执行元件，用 来带动夹紧机构、定位机构和分度装置等。 1. 气缸的类型 按活塞结构可分为：活塞式气缸与膜片式气 缸； 按安装方式可分为：固定式气缸、摆动式气缸 与回转式气缸； 按气体作用方向可分为：单向作用气缸与双向 作用气缸。 P78表3-1,p80表3-2
2. 活塞式单作用气 缸p77图3-2 单作用气缸是指压 缩空气仅在气缸 的一端进（排） 气，推动活塞 （或柱塞）单向 运动，而活塞 （或柱塞）复位 则借助于弹簧力、 单作用气缸 膜片张力、重力 等外力。（其结 1―缸体；2―活塞；3―弹簧；4― 活塞杆 构见图）活塞杆 的输出力变化,行 程短。单作用气缸的特点是： (1) 仅一端进(排)气，结构简单、耗气量小。 (2) 用弹簧或膜片等复位，压缩空气能量的一部分用 于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出 力。 (3) 缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同 体积的双作用气缸相比，有效行程较小。 (4) 气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化， 因而活塞杆的输出力在行程过程中是变化的。 由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程，对 推力及运动速度均要求不高的场合，如气吊、定位和 夹紧等装置上，单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、 高载荷的场合。3. 活塞式双作用气缸 双作用气缸指活塞的往复运动均由压缩空气 推动的气缸。其结构可分为：双活塞杆式、单 活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。 此类气缸使用最为广泛。 (1) 双活塞杆双作用气缸 双活塞杆气缸有缸体固 定和活塞杆固定两种。 （如下图） P81图3-3 缸体固定：工作台运动范围为有效行程的三倍. 活塞杆固定：工作台运动范围为有效行程的两倍.
(2) 缓冲气缸 P81图3-4 为了使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击现 象，在气缸两端加设缓冲装置，这样的汽缸一 般称为缓冲气缸。（如下图） 原理：向右运动末端时,缓冲柱塞3将柱塞孔堵死, 右腔气体被压缩,通过节流阀6及气孔 8排出. 缓冲装置种类多：可在缸内设置,也可在缸外气 路.缓冲气缸 1―活塞杆；2―活塞；3―缓冲柱塞；4―柱塞 孔5―单向阀；6―节流阀；7―端盖；8―气孔4. 三气室气缸 P82图3-5 缝焊机一般用 双气室气缸， 而点焊机采用 三气室或多气 室气缸。 安装行程： 焊接行程：三气室气缸 1―活塞杆；2―下气室；3― 下活塞；4―中气室；5―上 活塞；6―上气室；7―锁紧 螺母；8―调节螺母；9―导 气活塞杆；10―三通开关； 11―节流阀5. 薄膜式汽缸 P82图3-6 薄膜式气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活 塞杆作往复直线运动的气缸。它由缸体、膜片、 膜盘和活塞杆等主要零件组成。 膜片可成盘形膜片和平膜片,材料为夹织物橡胶、 钢片或磷青铜片,结构简单,行程小.薄膜式气缸 1―膜片；2―膜盘；3―弹簧；4―活塞杆6. 回转气缸 P83图3-7 气缸的进 排气管通 过导气接 头连接. 回转气缸 主要用于 回转气缸 机床夹具 1―活塞杆；2、5―密封圈；3―缸体； 或需要周 4―活塞；6―缸盖；7、8―轴承；9― 期转动的 导气头体；10―导气头芯 夹具上。7. 组合气缸 组合气缸一般指气缸与液压缸相组合形成的气―液阻尼 缸、气―液增压缸等。 气缸动作快,速度不易控制,载荷变化大时,D爬行”“自 走” 液压缸动作慢,速度易控制,载荷变化大时, 不会“爬 行”“自走” 。 (1) 气―液阻尼缸（控制活塞速度） 串联：p83图3-8.通过调节单向阀,节流阀,控制活 塞速度. 并联：p83图3-9.串联缸体长,并联会产生附加力矩. 调速特性：慢进慢退,慢进快退,快进慢进快退式, P84表3-3, 单向阀,节流阀的布置不同串联型气―液阻尼缸 并联型气―液阻尼缸 1―节流阀；2―油杯；3―单向阀；4―液压缸； 1―液 压缸；2―气缸 5―气缸；6―外载荷
(2) 气―液增压缸（控制活塞出力） P85图3-10气―液增压缸工作原理 1―气缸；2―活塞；3―柱塞；4―油缸油压增加：行程小：实例1：p85图3-11 气―液增压装置的示例1： 如图所示为用于点焊机夹具的气―液增压 器的结构。 压缩空气从管嘴输入气缸，推动活塞向下 运动。当柱塞滑过通油孔时，便切断了油缸的 进油通道，气缸活塞继续向下运动，油缸内的 高压油输出到夹具油缸内，使焊头压紧待焊工 件。排气时，气缸活塞靠弹簧复位。这种增压 器结构简单，加工容易，使用时需竖放，一般 都悬挂起来。气―液增压 器结构气―液增压器结构实例2：p86图3-12用于对焊机 示例2： 如图所示为气―液压联动夹紧机构。 其原理是利用气压使液体增压，然后，利 用增压后的液体压力来夹紧焊件。当压缩空气 进入气室1时，活塞2向下移动，使钳口夹紧焊 件，相当于预压力。当压缩空气进入气室4时， 活塞5连同液压活塞6一起向下移动，当活塞6 越过油杯8通向油缸7的通油孔时，油缸7内的 油压会迅速提高。 预压力： 工作压力：气―液压联动夹紧机构 1―中气室；2―活塞； 3―下气室；4―上气室； 5―活塞；6―液压活塞； 7―油缸；8―油杯三、气缸的选择 气缸可以根据实际需要进行设计，但通常尽 量选用标准气缸。 1. 安装形式的选择 按安装位置、使用目的等因素决定安装形式。 一般场合多用固定式安装方式：轴向支座 (MS1式)、前法兰(MF1式)，后法兰(MF2式)等； 要求活塞直线往复运动同时又要缸体作较大圆 弧摆动时，可选用尾部耳轴(MP4或MP2式)和 中间轴销(MT4式)等安装方式；如需要在回转 中输出直线往复运动，可采用回转气缸。有特 殊要求时，可选用特殊气缸。2. 输出力的大小与缸径的确定 根据工作机构所需作用力的大小，再确定活 塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。 计算法：p87表3-4,气缸内径与输出轴向力.查表法：p87表3-5,缸筒D及活塞杆d
3. 气缸行程 气缸(活塞)行程与其使用场合及工作机构的行程比有 关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相 碰撞。尤其用于夹紧机构，为保证夹紧效果，必须根 据计算行程加10～20mm的行程余量。 4. 活塞的运动速度 气缸的速度即活塞运动速度主要根据工作机构的需 要确定。其大小主要取决于供气量的大小及气缸进气 口和导气管内径的大小。 要求速度缓慢、平稳时，宜采用气―液阻尼缸或采 用节流调速。节流调速的方法有：水平安装推力载荷 推荐用排气节流；垂直安装升举载荷推荐用进气节流。 用缓冲气缸可使缸在行程终点不发生冲击现象，当然 通常缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果才 明显。如果速度高，行程终端往往会产生冲击。5. 汽缸使用注意事项 (1)汽缸正常工作条件：环境温度为-35一+80℃，工 作压力为o．4～o．6MPa。 (2)安装前，应在1．5倍工作压力条件下进行试验， 不应漏气。 (3)装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂 润滑脂。 (4)安装的气源进口处必须设置气动三大件：过滤器， 减压阀，油雾器。 (5)安装时活塞杆应尽量承受拉力载荷，承受推力载 荷应尽可能使载荷作用在活塞杆轴线上，活塞杆不允 许承受偏心或横向载荷。 (6)载荷在行程中有变化时，应使用输出力足够的汽 缸，并附设缓冲装置。 (7)尽量不使用满行程，留10一20mm的行程余量。四、气阀和辅 助元件的选 用 1气阀的类 型及用途 气阀按其功 用可分为压 力控制阀、 流量控制阀 与方向控制 阀三大类。 常用的各种气 阀的类型及 其用途见表 3―6。2．部分气阀和辅助元件的工作原理 (1)分水滤气器 分水滤气器是一种离心过滤式气体净化辅件，用 来消除气源中的水分、油分及固体杂质。它和减压阀、 油雾器一起被称为气动三联件，是气动系统不可缺少 的辅助元件。 分水滤气器的规格主要根据气动系统对气源的清 洁度要求和额定流量来选择。 QSL型普通分水滤气器的工作原理如图3―13所 示。压缩空气经旋风叶片1进入存水杯3的内壁产生旋 转，使混入空气中较大的水珠、油滴、固休杂质受离 心力作用而分离，再经滤芯2过滤，净化的压缩空气 由左端出口输出。当存水杯3积水达到一定高度时通 过放水阀5放掉。
(2)减压阀(又称调压阀) 图3―14为QTY型减压阀的上作原理图，靠平衡 进气阀口4处的节流作用减压，中心阀孔2的溢流作用 及阀口4处的开度变化稳定输出压力。 当输出压力超过调定值时，中心阀孔2自行打开， 经排气孔5排气，同时阀芯3向上移动减少阀口的开度， 稳定输出压力不变；当输出压力低于调定值时，中心 阀孔2被阀芯3封住，压缩空气不会从排气孔5溢出， 从而继续保持预定的压力。调节手柄1可使输出压力 在规定范围内任意改变。高压范围一般为0．05～ 0．63MPa。 减压阀的规格主要根据调压回路内气体的额定流 量来选择。
(3)油雾器 油雾器是以压缩空气为动力，向气压驱动 系统提供雾化润滑油的气动辅件。其规格主要 根据气动系统所需油雾度和气体额定流量来选 定。 图3-15是QIU型普通油雾器的工作原理图。 压缩空气通过油雾器时，一小部分经导气雾化 管小孔1和截止阀2进入储油杯3，在油面形成 压力。在空气压力作用下润滑油4经吸油管5上 升到单向阀6和节流阀7，滴入喷嘴9，由于油 雾器通路在该处截面减小，空气通过时，流速 增加压力下降，这样，喷嘴内的油就被高速气 流所雾化并带走。油量的大小随气流的大小而 变化，也可以由节流阀7来调节。
(4)气控阀 P91图3-16二位三通气控截止式接向阀的工作原理： 如图3-16所示，阀的开和关闭是由大于通道直 径的活塞从端面进行控制的。如图3-16(a)所示， 当K口无控制气压时，弹簧将活塞向上顶紧， 阀处于常断状态，P与A不通。当控制气信号 由K口输入到活塞的上腔时，如图3-16(b)所示， 使阀芯下移，下活塞被顶开，则PA接通。如 控制信号消失，阀芯靠弹簧复位，AO接通， 处于排气状态，P与A不通。 阀的开关：气控 无控制信号：A O通 有控制信号：A P通(5)电控阀 P91图3-17 二位三通电磁先导阀 通电时：P A通 断电时： AO通P92图3-18为二位五通双电控先导式换向阀 a通电、b断电：P A通,B S通 当电磁阀b通电、a断电：P B通,A R通(6)手控阀 P92图3-19为圆盘式二位四通手动换向阀。多 用于控制一个或多个同时动作的双向作用汽缸 的工作方向。 手柄位置1：P A通,B O通 手柄位置2：P B通,A O通 P92图3-20二位五通手动滑阀 位置1：P A通,B O1通
3．气阀的选用 (1)根据使用条件与环境确定阀的技术规格。如气源工 作压力范围，电源条件(交流或直流、电压值等)，介 质温度，环境温度、湿度、粉尘情况等。 (2)根据工作需要确定阀的功能，尽量选用与所需功能 一致的阀，只在选不到时才考虑用其他阀代用(如用 二位五通阀代替二位三通阀或二位二通阀)。 (3)根据流量确定阀的通径。对于直接控制执行元件的 主阀，应根据执行元件的流量确定其通径(见表3―7)。 所选用阀的流量应略大于所需流量。对于信号阀(手 控、机控阀)，应根据其所控制阀的远近、数量和要 求的动作时间等条件确定其通径。―般距离在20m以 下者，选3mm通径的阀；在20m以上或控制数量较 多者，通径可选大些(如6mm)。所选阀的通径尽量一 致，尽量不用异径阀。(4)根据使用条件要求确定阀的结构形式。当以密封要 求为主时，选用橡胶密封(软质密封)的阀；当要求换 向力小、有记忆性能时，宜选用滑阀：当气源过滤条 件差时，宜选用截止阀。 (5)根据安装维护与调节要求确定阀的连接方式。当要 求安装维护方便，特别是集中控制的自动、半自动控 制系统，宜采用板式连接，当要求调节、更改气路设 计容易时，宜采用管式连接。 (6)确定阀的种类。在设计控制系统时，应力求减少阀 的种类，尽量选用标准化系列的阀，而避免采用专用 阀，以利于专业化生产和维修，降低制造成本。4．气动辅件的选择与使用 (1)分水滤气器的选用 分水滤气器主要根据气动系统所需的过滤 度和额定流量两个参数进行选择。 分水滤气器必须垂直安装，并将放水阀朝 下。壳体上箭头所示方向应与气流方向一致， 不可反装。 安装顺序是分水滤气器、减压阀、油雾器， 不可颠倒，且应安装在靠近气动设备处。 (2)油雾器的选择与使用 主要根据气动系统所需油雾粒度和压缩空 气的额定流量进行选择。 安装方向和顺序：(3)压力继电器的选择与使用 主要根据所需电压、电流、气压的大小进 行选择。 使用时应确保接触良好。 (4)消声器的选择与使用 按气动元件管径及噪声频率选择。在中高 频噪声场合，应选用吸收型消声器；在中低频 噪声场合，应选用膨胀干涉型消声器；消声效 果要求极高时，使用膨胀干涉吸收型消声器。 后两种国内尚无定型产品，需自行设计制造。五、气动夹紧机构应用举例 焊接生产中有时直接使用气缸夹紧，但更 多的是通过杠杆、楔块或凸轮等执行机构夹紧 工件，各类气动夹紧机（pneumatic fixture） 应用举例见图P95图3-21。 a气动杠杆夹紧器 b气动斜楔―杠杆夹紧器 c气动撑圆器 d气动铰链―杠杆夹紧器 e气动杠杆―铰链夹紧器 f气带式夹紧器 比较：扩力比、自锁、行程、形式、应用
六、气动斜楔夹紧机构和气动铰链一杠杆夹紧机 构的设计与计算 1．气动斜楔夹紧机构 类型： 在气动斜楔和气动楔一杠杆夹紧机 构中，楔的扩力形式常用的有5种类型，其类 型简图及相应结构示例见p97图3-22。 其中， I型、Ⅱ型、皿型为无移动柱塞式，Ⅳ、V型为 有移动柱塞式。
夹紧力计算：公式见表3―8。自锁：手动λ&6°～-8°,气动λ&12° p98表3-9 。 非自锁型λ&15°～30°。 双升角斜楔。松夹方便：p98图3-23,冲击力2气动铰链一杠杆夹紧机构 类型：气动铰链-杠杆夹紧机构(铰链夹紧机构) 是一种增力倍数较大的夹紧机构，它广泛应用 于气压夹具中，p99表3-10中为常用的5种类 型及相应主要参数的计算。
设计步骤：。 (1)根据夹紧机构设计要求初步确定结构尺寸 (2)确定所需的各种行程及其相应臂的倾斜角 Sc 、S1 、S2、S3→α0, αj (3)计算机构的夹紧力或原动力。 表3-10 3-11 (4)计算动力装置的结构尺寸 根据原动力计算动力缸直径。 由α0, αc计算行程X0。 气动铰链一杠杆夹紧机构一般不具有自锁 作用，为保证生产安全，在气动控制系统中应 有防止气源突然中断而导致松夹的措施。
第二节 液压传动装置一、液压传动系统的组成及特点 1. 液压传动系统的特点 液压传动具有下列优点： （1）液体的工作压力比气体工作压力高。与气压传 动相比，在同等功率情况下，液压执行元件体积小、 重量轻、结构紧凑。 （2）液体具有不可压缩性，夹紧刚性较高。 （3）液压传动装置工作平稳。便于实现快速启动、 制动和频繁的换向。 （4）使用油液作为工作介质时，可以自行润滑运动 构件，有利于提高元件使用寿命。 （5）由于液压传动的压力、流量及方向是可控制的， 再加上电子技术的配合，便于实现自动化，控制方便， 可在很大范围内实现无级变速，调速范围可达2000 U1，还可以在运动过程中进行调速，容易实现直线 运动。（6）液压传动的元件已实现标准化、系列化，对制造 和设计使用都很方便。 液压传动存在的问题： (1) 液压系统结构复杂，液压元件制造精度要求高， 使加工制造比较困难，尤其是用于控制的液压阀，为 防止油液的泄漏，对零件的加工精度要求非常严格， 因而成本比气压元件高。 (2) 为防止泄漏对工作效率及工作平衡性的影响，对 密封要求较为严格，即便如此，泄漏也难以避免。 (3) 油液的黏度随温度的变化而变化，会直接影响传 动机构的工作性能，因此在低温及高温条件下采用液 压传动较为困难。 (4) 控制部分比气压传动复杂，不适合远距离操纵， 除非采用电液联合控制 。2. 液压传动的基本工作原理 P103图3-24 千斤顶 (1) 在液压传动中，以油液为工作介质来传递 动力和能量，油液是传动件。所以液压传动和 机械传动是两种完全不同的传动方式。 (2) 液压传动是在密封容器内，利用液体传递 压力能，然后通过执行机构，把压力能转换成 机械能而做功的一种传动方式。 (3) 液压传动中的工作介质是在受控制、受调 节的状态下进行工作的。液压千斤顶工作原理图3. 液压传动系统的组成 P103图3-25 液压夹紧传动装置是以 液压泵所产生的压力 油为动力来夹紧工件 的一种传动装置。液 压传动系统主要由动 力装置（液压泵）、 执行机构（油缸或油 电动机）、控制装置 （溢流阀或节流阀） 和辅助装置四部分组 成。液压夹紧装置油路图 1―油池；2―过滤器； 3―电动机；4―油泵； 5―压力表；6―溢流阀； 7―换向阀；8―油缸； 9―蓄能器二、液压泵简介 1. 液压泵的工作原理 P104图3-26液压泵工作原理液压泵：（hydraulic pump）是液压传动系统中的能 量转换元件，它由原动机驱动，把输入的机械能转换 为油液的压力能，向系统提供工作时所需的压力和流 量的液压油，以保证系统中各执行机构完成各种动作， 它是系统的动力源。 容积泵：液压泵是靠密封容积的变化来实现吸油和压油 过程的，这种泵称为容积泵，它的输出流量的大小是 由工作腔的容积变化大小来决定的。容积泵正常工作 必须具备以下条件 (1) 应具有密封的工作容腔，工作腔的容积能交替的 变化。 (2) 应有配流装置，以保证在吸油过程中密封容腔与 油箱相通，同时关闭供油通路；在压油时，与供油管 路相通而与油箱切断通路，吸油过程中，油箱必须和 大气相通。2. 液压泵的常用种类 按其结构可分为柱塞泵、齿轮泵、叶片泵、 螺杆泵及凸轮转子泵； 按其输油方向可分为单向泵及双向泵； 按输出流量可分为定量泵和变量泵； 按额定压力可分为低压泵、中压泵和高压泵。 P105表3－13
3. 液压泵的性能参数 (1)工作压力和额定压力 工作压力:指液压泵实际工作时输出油液的压力。 与负载阻力有关 额定压力:指液压泵在正常工作条件下，按试验标 准规定连续运转的最高压力， (2) 流量和排量 流量是指单位时间内输出的油液体积。额定流量 是指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的 流量. 排量是指在无泄漏的情况下液压泵每转一圈所能 输出的液体体积。 (3)功率和效率 液压泵的理论功率:Pt = p Qt =ωMtp ――液压泵的工作压力(MPa)； Qt――液压泵的理论流量(L/s)； ω ――电机的角速度(rad/s)； Mt――电机的理论转矩(kN? m)。 功率损失：容积损失（泄漏、气穴、油压压缩） 机械损失（摩擦） 实际所需的电机功率:P = p Q / η P ――实际所需电动机功率(kW)； p ――液压泵的工作压力(MPa)； Q ――液压泵的实际使用流量(L/s)； η ――液压泵的总效率。 液压泵的总效率等于容积效率和机械效率的乘积。三、油缸简介 油缸又称液压缸（hydraulic cylinder）， 是液压传动系统中的执行元件。其主要功能是 将油液的压力能转换为机械能，实现直线往复 运动或小于360°往复摆动，输出力或扭矩， 用以完成系统工作所需的各种动作。 1. 双作用活塞油缸 P107图3-27 油缸的活塞在两腔的有效作用面积不相等， 使活塞在两个方向运动的运动速度和推力均不 相等，即运动具有不对称性。
2. 齿条油缸 P107图3-28 齿条带动齿轮旋转,传递大负荷 扭距。3. 带有活塞行程调节装置的油缸 p107图3-29 定位卡5调节活塞的行程四、液压控制阀的类型及用途 按其功能可分为方向控制阀、压力控制阀 和流量控制阀三大类，用以控制和调节液压系 统油液的方向、压力和流量，以满足对执行机 构所提出的压力、速度和换向的要求，从而使 执行机构带动负载实现正确动作。 现将常用阀的类型及用途列入p108表3-14。
五、液压传动在工程应用中要注意的问题 液压系统中易产生泄漏、振动、冲击、噪声、 爬行，在系统设计时应予以注意。 1泄漏 泄漏分内泄漏和外泄漏两种。内泄漏是指 液压元件内部少量流体从高压腔泄漏到低压 腔。外泄漏是指少量液体从元件内部(包括管 道、接头)向体外泄漏。 2污染 油液被污染：固体污染物(如切屑、铸造 砂、灰尘、焊渣等)、液体污染物(如水分、清 洗油等)和气体污染物。3气穴 气穴现象：液流压力下降时, 溶解在液体里的气体开始 游离而形成气泡。压力继续下降到低于液体的饱和蒸 气压力时，液体大量蒸发而形成气泡。 影响：当液体中的气泡随着液流进入高压区时迅速破裂， 并又凝结成液体。引起局部液压冲击；发出噪声,形 成气蚀。 防气穴现象和气蚀： (1)减小流经小孔处的压力差，一般希望其前后压 力比p1/p2＜3.5； (2)油泵吸油管的通径比泵出口油管适当大一些， 并尽量避免急弯或局部窄缝； (3)在易受气穴危害的部位，应考虑采用抗腐蚀能 力强的金属材料或涂保护镀层。4．振动和噪声 振动和噪声：机械传动部件和液压系统自身。 原因： (1)液压泵的输出流量脉动，产生压力脉 动，通过液压油传播到其他部分而诱发 振动，产生噪音； (2)泵的困油区和工作腔的压力急剧变化， 使泵体及管壁振动，发出噪声； (3)吸油条件不好，液压泵进油管漏气以及 泵的转速过高等原因使液压系统中含有空 气，发生气穴现象，引起振动和噪声；(4)液压油的黏度太大，低温或泵的吸入条件 不好时，应降低液压油的黏度，采用低 牌号液压油； (5)溢流阀的质量不好，阀芯工作时稳定性 差， 产生振动和噪声： (6)液压冲击引起振动和噪声； (7)齿轮泵的齿形精度差，叶片和定子内表面 接触不良，引起振动和噪声； (8)液压泵和电动机安装不同心，油管固定不 合理，也会产生振动和噪声。 措施：参见p110表3-15。
5．液压冲击 液压冲击：在液压系统中，工作机构运动速度的 变换(突然起动、变速、制动)，工作负载突然 消失以及冲击,形成很大的压力峰值，即液压 冲击。 防止措施通常有： (1)泵采用卸荷、空载起动方式； (2)设置缓冲装置，在保证工作周期的原则下， 尽量减慢换向速度 (3)限制管路中液流的流速，在液压冲击源装 安全阀； (4)在液压冲击源附近设置蓄能器。6．进气 原理： 空气进入液压系统中，混在油液里，会 使系统工作不正常，产生振动、爬行、噪声、 动作迟缓现象。 措施：对速度稳定性要求较高的液压系统，应在 液压缸的最高部位设置专门的排气装置，如排 气塞、放气阀等。当松开排气塞或阀的锁紧螺 钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就 会排出液压缸，空气排完后拧紧螺钉，液压缸 便可正常工作。7．爬行 原理：工作机构低速运动时，常会出现运动速度 周期性变化甚至时动时停的现象，这种现象称 之为爬行。系统中混入空气，导轨润滑不良， 不能形成稳定的润滑油膜，致使摩擦力变化很 大；供油流量不稳定，液压油变质或被污染等， 都会引起爬行。 8．温升 液压系统温升过高的原因归纳起来有两类：一 是系统设计不合理，包括传动和控制形式、元 件选用、油箱设计、有无冷却器等；二是在使 用中发生的，包括使用不合理，如液压油的污 染控制不当。见p111表3-16。9．工作介质 高牌号液压油：在高压或者高温条件 低牌号液压油：在低温时或泵的吸入条件不好时第三节 电力传动系统一、概述 电力传动系统：一般由电动机、传动机构、控制设备 和电源等基本环节组成。 电力传动系统按电流类型可分为交流传动系统和直 流传动系统。 交流传动系统：用同步电动机或异步电动机作为执行元 件，具有结构简单、价格便宜、维护方便、单机容量 大以及能实现高速传动等优点。调速装置复杂，随着 变频技术的发展，特别是大功率的电力电子器件的出 现，为交流调速开辟了广阔的前景。交流调速是电力 传动的一个主要发展方向。 直流传动系统：采用各种形式的直流电动机，有良好的 调速性能，在需要进行调速，特别是需要进行精确控 制的场合，直流调速系统一直占据统治地位。 控制电动机或伺服电动机：用作检测、放大、执行和计 算用的各种各样的小功率交直流电动机。比如直流 伺服电动机、力矩电动机和步进电动机。电力传动的特点：p112表3―17。二、交流电动机的结构、特点和用途 1. 异步电动机 异步电动机（induction motor）按其用途分类： 可分为一般用途异步电动机和专用异步电动机。 异步电动机按其转子绕组结构形式分为两类：鼠 笼型转子（普通型、深槽型、双鼠笼型）和绕 线型转子电动机。 依相数：单相电动机(有电阻起动型、电容起动 型、电容运转型和罩极型电动机)和 三相电动机。2. 同步电动机 同步电动机： （synchronous motor）是一种交流 电动机，它区别于异 步电动机的一个重要 特征在于它的转速与 电源频率之间有着严 格的关系 Ns=60f/p p―电动机极对数 永磁式同步电动机：小 功率同步电动机的转 子由永久磁钢做成， 称为永磁式同步电动 机。 （1）原理p114图330,3-31
（2）起动方法：鼠笼绕组起动―永磁钢轴向 和径向,图3-30a、b。 磁滞起动―图3-30c圆筒用 有磁滞现象的硬磁性材料制成。 同步电动机的发展：(解决起动 调速问题) 永磁式同步电动机结构简单、制造方便， 转子又能做成多对磁极，使电动机的转速做得 较低。自70年代以来，科学技术的发展极大地 推动了同步电动机的发展和应用，其主要原因 有以下几方面。 (1) 高性能永磁材料的发展，当今中小功率的 同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。(2) 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机 的开发应用。第一代半控式晶闸管，第二代有自关断 能力的半导体器件(大功率晶体管GTR、可关断晶闸 管GTO、功率场效应管MOSFET)，第三代复合场控 器件(绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管 SIT、MOS控制的晶体管MCT等)，直至90年代出现 第四代功率集成电路IPM。 (3) 大规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了 现代永磁同步电动机的控制。 矢量控制,调速,单片机 到DSP。 应用：交流异步电动机变频调速取代直流调速系统, 而交流永磁同步电动机由于体积小、重量轻、高效 节能,又取代上述二者。下为永磁式应用 压缩机（永磁无刷直流电动机） 电梯 IT(打印机、驱动器、复印机)3. 交流电动机变频调速 (1) 变频调速原理 交流电动机不论是三相异步电动机还是三 相同步电动机，它们的转速都与电源频率有关， 异步电动机的转速公式为： n = ns (1-S ) = 60(1-S )f／p ( Ns=60f/p同步) 式中 ns――同步转速(r/min)； n ――异步电动机转速(r/min)； S ――转差率(0～6％)； f ――电源频率(Hz)； p ――电机的极对数。 变频调速：同时改变电压和频率,变频调速器.(2) 交流电动机变频调速四种控制方案的选择 (p118表3-18) 方案1：通用变频器开环控制异步电动机. 方案2：矢量控制变频器开环控制异步电动机. 方案3：矢量控制变频器闭环控制异步电动机. 方案4：变频调速开环控制永磁同步电动机.
三、直流电动机的结构、特点和用途 1. 直流电动机的特点 直流电动机的最大特点是运行转速可在宽广的范 围内任意控制，无级变速，额定转速可在很大的范围 内选择。它具有优良的调速特性，调速平滑、方便以 及调速范围宽广；其过载能力大，能承受频繁的冲击 负载;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运 行的要求。 2. 直流电动机的励磁方式及用途 直流电动机的结构分为定子和转子两大部分。 定子的励磁方式可分为永磁、他励、并励、串励、 复励和稳定并励方式。 转子包括电枢铁芯及电枢绕组，感应交流电动势， 流过负载电流，借助于换向器和电刷的作用使外电路 的直流电与电枢绕组的交流电之间相互变换。3. 直流电动机主要技术数据和性能指标 主要技术数据：直流电动机在规定的使用环境和 运行条件下，主要技术数据有额定功率、额定 电压、额定转速、额定电流、励磁方式和励磁 电压等。 分类型：大、中、小p120表3-19 直流电动机的主要性能指标： 效率(η) ,即电动机的输出功率和输入功率 之比； 转速变化率(Δn) ,即从额定负载到空载时 转速差与额定转速之比； 转子转动惯量(飞轮力矩GD2) ,转动惯量的大 小直接影响到电动机的起动和运行时间的长短。4. Z4系列小型直流电动机简介 Z4系列小型直流电动机系适用于静止整流 器供电的直流电动机，广泛用于轻工机械、纺 织、造纸和冶金工业等调速要求高的自动化传 动系统中。 电压等级有160v 440v两种。p121表3-20
四、直流伺服电动机的结构、特点和用途 直流伺服电动机（direct current servomotor）实质上是一种永磁式或电磁式 的直流电动机，按其结构来分可分为：传统式 直流伺服电动机、印刷绕组直流伺服电动机、 无槽电枢直流伺服电动机和绕线电枢直流伺服 电动机。 1. 传统式直流伺服电动机 -定子励磁 分类：传统式直流伺服电动机的结构和普通直 流电机基本相同，分为定子和转子两大部分。 按其励磁方式又可分为永磁式和电磁式（他励、 串励、复励）两种。 焊接工装采用他励. SZ系列：p123表3-21
电动