一种大型工件定位装夹系统及方法与流程

1.本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种大型工件定位装夹系统及方法。


背景技术：

2.大型工件在机械加工前，需在机床上定位、装夹。传统的压板、垫铁仅限制工件在垂直于支靠面的移动，而工件绕支靠面的转动仅由施加在压板上的正压力转化而来的摩擦力进行限制。这种固定方式产生以下问题：1、未限制工件多余自由度，工件易产生位移；2、施加正压力过大会使工件变形，对于刚性较差的工件会导致尺寸超差而产生不良品；3、压板施加的正压力需作用在工件的上表面，若上表面为待加工表面会导致加工工序中断；4、为达到足够的压紧力，操作员在施力过程需使用杠杆，若空间不允许就必须借助自身的冲量进行压紧；这样的工作方式不论对工具还是人员都存在安全隐患。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种夹持效果好、工件不变形的大型工件定位装夹系统及方法。
4.本发明采用的技术方案为：一种大型工件定位装夹系统，包括装夹平台、若干可调垫铁结构、若干自由虎钳和球面垫圈，所述可调垫铁结构用于支撑并调平工件，其周向间隔分布在工件的周围；所述可调垫铁结构的顶部安装有球面垫圈，可调垫铁结构的底部直接安装在装夹平台上，或通过支撑结构安装在装夹平台上；所述自由虎钳用于对工件外侧面施加压力以较直工件，所述自由虎钳周向间隔分布在工件的周围；所述自由虎钳直接安装在装夹平台上，或通过支撑结构安装在装夹平台上；所述自由虎钳的施力端通过球面垫圈与工件的外侧面压紧。
5.按上述方案，所述球面垫圈包括本体和支座，所述本体与可调垫铁结构或自由虎钳相连；所述本体上加工有球形凹槽，本体加工有沉孔，沉孔内安装有用于吸附制支座的磁钢；所述支座的外侧直接与工件接触，支座内侧加工有球形凸起，球形凸起与球形凹槽相适配，二者可相对滑动。
6.按上述方案，所述装夹平台上设置有多个平行间隔的t型槽，t型槽与t 型的滑块配置；所述支撑结构包括若干上下对正连接的支撑模块，底层支撑模块与滑块相连，顶层支撑模块与可调垫铁结构或自由虎钳相连。
7.按上述方案，所述支撑模块的底面和顶面均分别开设有连接槽，连接槽与连接块和滑块相适配；支撑模块的中心开设有穿过连接槽的通孔，通孔内配置有连接螺栓；底层支撑模块的连接槽与滑块相连，上下相邻的两个支撑模块之间通过连接块相连，顶层支撑模块通过连接块与可调垫铁结构或自由虎钳相连，所述连接螺栓自顶部的连接块穿过，依次经各支撑模块的通孔、各连接块、底层支撑模块后与滑块相连，连接螺栓的顶部通过螺母锁死。
8.按上述方案，所述连接槽为横向和纵向交错的十字槽，所述连接块为t型的连接
块，所述连接块的整体结构与滑块相同。
9.本发明还提供了一种大型工件定位装夹方法，该方法包括如下步骤：
10.步骤一、提供权利要求1～5中任意一项所述的大型工件定位装夹系统各部件；
11.步骤二、根据工件装夹位置布置支撑点，分布在各支撑点和施力点设支撑结构，并将支撑结构安装在装夹平台上；
12.步骤三、在各支撑点处的支撑结构上安装可调垫铁结构，并在球面垫圈，补偿工件支靠表面的形状误差；
13.步骤四、将工件在可调垫铁结构上落位，利用可调垫铁结构调整可调垫铁结构整平工件；
14.步骤五、根据工件压紧位置布置施力点，在施力点处的装夹平台上安装支撑结构；
15.步骤六、并在支撑结构上连接自由虎钳，并利用连接螺栓将自由虎钳和支撑结构整体固定在装夹平台上；在自由虎钳的施力端配置球面垫圈；
16.步骤七、工件校直并压紧。
17.本发明的有益效果为：
18.1、本发明利用自由虎钳与可调垫铁结构配合，可提供有效、可靠的支靠与夹持力，实现大型工件的定位装夹；自由虎钳的压紧力可向内和向下的分力，向内的分力消除了转动的自由度，可以取代千斤顶对工件直线进行调整，配合可调垫铁实现工件所需的预变形，并且向下的分力作用趋势会使工件紧密贴合底部的可调垫铁结构，消除了由于过约束而产生的间隙，工件夹持效果更好，工件不变形；并且，压紧力由自由虎钳的螺旋机构与可调垫铁结构放大，无需加力杆对工件调整与压紧，操作者劳动强度低，与传统技术相比，操作简单，工作人员仅需一把扳手就可对工件进行校平校直。
19.2、本发明中自由虎钳的夹持由螺旋机构来限制工件平行于支靠面的两个移动副，与现有技术中采用压板限位相比，从原理上减少了对压紧力的要求；自由虎钳施加向内、向下的压紧力效消除工件移动与转动的自由度。
20.3、本发明设计精巧，可根据工件结构、重心位置安放可调垫铁可取代千斤顶直接对工件进行顶升，并且保持调整后的高度恒定；可按工件预变形位置布置的可调垫铁可精确实现计算出的变形量，从而最大限度的避免重力对加工精度的干扰；在工件每个压紧位布置可调垫铁可消除压紧力使工件产生的变形，从而提高加工精度。
21.4、本发明设计支撑结构，可对工件高度进行初步补偿，可调垫铁结构可对工件高差进行精密补偿；支撑结构可模块化拼装，提高了装夹的灵活性，可夹持异形工件。
22.5、本发明中的自由虎钳定点设置，与压板装夹相比，工件表面开放无干涉，有助于连续生产；并且占用机床空间小，可在单位面积内更有效的装夹工件。
23.6、本发明所述装夹系统及方法结合制造、装备车间的实际生产情况，质量轻、调整迅速、压紧可靠、结构简单。
附图说明
24.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
25.图2为本实施例的主视图。
26.图3为本实施例中可调垫铁结构和自由虎钳的工作示意图。
27.图4为本实施例中支撑结构、可调垫铁结构和球面垫圈的结构示意图。
28.图5为本实施例中支撑模块的结构示意图。
29.图6为本实施例中滑块的结构示意图。
30.图7为本实施例中球面垫圈的结构示意图。
31.图8为本实施例中可调垫铁结构的主视图。
32.图9为图8的a
‑
a剖视图。
33.图10为可调垫铁结构的俯视图。
34.图11为可调垫铁结构中楔形块的结构示意图。
35.图12为本实施例中自由虎钳的结构示意图。
36.图13为自由虎钳的主视图。
37.图14为自由虎钳的俯视图。
38.图15为图14的b
‑
b剖视图。
39.其中：1、滑块；2、支撑模块；3、可调垫铁结构；3.1、底座；3.2、楔形块；3.2.1、通孔；3.2.2、安装槽；3.3、圆柱；3.3.1、螺纹孔；3.4、推动螺栓；3.5、垫铁；3.6、螺钉；3.7、螺栓座；3.8、限位凸起；4、球面垫圈；4.1、本体；4.2、支座；5、自由虎钳；5.1、钳口；5.1.1、导向侧板；5.1.2、压紧侧板；5.1.3、顶板；5.2、钳身；5.3、柱形螺母；5.4、压紧螺栓；5.5、支撑侧板；5.6、安装槽；6、工件；7、装夹平台；8、t型槽；9、连接块；10、长螺栓。
具体实施方式
40.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
41.如图1～3所示的一种大型工件定位装夹系统，包括装夹平台7、若干可调垫铁结构3、若干自由虎钳5和球面垫圈4，所述可调垫铁结构3用于支撑并调平工件6，其周向间隔分布在工件6的周围；所述可调垫铁结构3的顶部安装有球面垫圈4，可调垫铁结构3的底部直接安装在装夹平台7上，或通过支撑结构安装在装夹平台7上；所述自由虎钳5用于对工件6外侧面施加压力以较直工件6，所述自由虎钳5周向间隔分布在工件6的周围；所述自由虎钳5直接安装在装夹平台7上，或通过支撑结构安装在装夹平台7上；所述自由虎钳5的施力端通过球面垫圈4与工件6的外侧面压紧；所述球面垫圈4用于补偿工件6接触面角度。
42.优选地，如图7所示，所述球面垫圈4包括本体4.1和支座4.2，所述本体 4.1与可调垫铁结构3或自由虎钳5相连；所述本体4.1上加工有球形凹槽，本体4.1加工有沉孔，沉孔内安装有用于吸附制支座4.2的磁钢；所述支座4.2的外侧为工作面，直接与工件6表面贴合，支座4.2内侧加工有球形凸起，球形凸起与球形凹槽相适配，球形凸起可在球形凹槽内滑动，补偿工件6接触面角度。本发明中，支座4.2受磁力作用吸附在本体4.1上，二者能相对滑动而不至于解体；所述本体4.1通过磁力吸附在可调垫铁结构3或自由虎钳5上。
43.优选地，所述装夹平台7上设置有多个平行间隔的t型槽8，t型槽8与t 型的滑块1配置；所述支撑结构包括若干上下对正连接的支撑模块2，底层支撑模块2与滑块1相连，顶层支撑模块2与可调垫铁结构3或自由虎钳5相连，如图4所示。
44.优选地，如图5所示，所述支撑模块2的底面和顶面均分别开设有连接槽 5.6，连接槽5.6与连接块9和滑块1相适配；支撑模块2的中心开设有穿过连接槽5.6的通孔3.2.1，通孔3.2.1内配置有连接螺栓；底层支撑模块2的连接槽5.6 与滑块1相连，上下相邻的两个支
撑模块2之间通过连接块9相连，顶层支撑模块2通过连接块9与可调垫铁结构3或自由虎钳5相连，所述连接螺栓自顶部的连接块9穿过，依次经各支撑模块2的通孔3.2.1、各连接块9、底层支撑模块2 后与滑块1相连，连接螺栓的顶部通过螺母锁死。
45.优选地，所述连接槽5.6为横向和纵向交错的十字槽，所述连接块9为t型的连接块9，所述连接块9的整体结构与滑块1相同，如图6所示。
46.本发明中，如图8～11所示，所述可调垫铁结构3包括垫铁3.5、底座3.1、楔形块3.2、推动机构和定位机构；所述垫铁3.5下表面为斜面，垫铁3.5布置在底座3.1的上方，二者之间留有间隙；所述球面垫圈4安装在垫铁3.5上；所述楔形块3.2安装在垫铁3.5与底座3.1之间的间隙内，楔形块3.2的上表面为与垫铁3.5下表面适配的斜面；所述定位机构竖直安装，自下而上穿入底座3.1 和垫铁3.5，且垫铁3.5可沿定位机构的高度方向上下移动；所述推动机构安装在垫铁3.5的外部，且与楔形块3.2相连；所述推动机构的驱动端伸入垫铁3.5 与底座3.1之间的间隙内，与定位机构螺纹连接；当推动机构的驱动端拧入或拧出定位机构时，楔形块3.2随推动机构沿斜面移动，楔形块3.2的上表面与垫铁 3.5的下表面发生相对移动，垫铁3.5沿定位机构升降。如图8～11所示，所述推动机构包括推动螺栓3.4和螺栓座3.7；所述推动螺栓3.4的头部与螺栓座3.7 连接，螺栓座3.7设于垫铁3.5外，螺栓座3.7的两侧分别通过螺钉3.6与楔形块3.2相连。所述定位机构为圆柱3.3，圆柱3.3上开设有与推动螺栓3.4适配的螺纹孔3.3.1，圆柱3.3与推动螺栓3.4螺纹连接。如图11所示，所述楔形块3.2为楔形对称结构，楔形块3.2的中部开设有上下贯通的通孔3.2.1；所述圆柱3.3穿过通孔3.2.1；所述楔形块3.2靠近推动螺栓3.4的一侧(为外侧) 还开设有与通孔3.2.1连通的安装槽3.2.2，推动螺栓3.4穿过安装槽3.2.2与通孔3.2.1内的圆柱3.3连接；所述螺栓座3.7通过螺钉3.6与安装槽3.2.2 两侧的楔形块3.2相连；所述楔形块3.2的外侧设有防止楔形块3.2滑脱的限位凸起3.8。所述垫铁3.5、楔形块3.2、底座3.1、螺栓座3.7等，均可采用钢板制作。
47.所述可调垫铁结构3的工作过程如下：
48.1、垫铁3.5上升：各构件装配到位后，将推动螺栓3.4拧入圆柱3.3的螺纹孔3.3.1内(推动螺栓3.4高度不变)，螺栓座3.7随之向左移动同时带动楔形块3.2沿底座3.1滑动，楔铁的上表面与垫铁3.5的下表面产生相对滑动，使垫铁3.5沿圆柱3.3的轴线方向上升(圆柱3.3空套在底座3.1与垫铁3.5的光孔内)。
49.2、垫铁3.5下降：将推动螺栓3.4拧出圆柱3.3的螺纹孔3.3.1，螺栓座 3.7随之向右移动并带动楔形块3.2沿底座3.1滑动，楔铁的上表面与垫铁3.5 的下表面产生相对滑动，使得垫铁3.5沿圆螺母轴线方向下降。
50.本发明中，如图12～15所示，所述自由虎钳5包括钳身5.2、钳口5.1和压紧机构，所述钳身5.2的前端中部和/或后端中部设有压紧机构，压紧机构的下端与钳身5.2相连，且压紧机构可对钳身5.2施加向下和向外的作用力；压紧机构的上端与钳口5.1的上部相连，钳口5.1外侧的工作面通过球面垫圈4与工件6表面紧贴；当压紧机构沿钳身5.2方向移动时，压紧机构的压紧钳口5.1 上表面，同时对钳口5.1的工作面施加向下和向外的作用力，使钳口5.1工作面对球面垫圈4施力，压紧工件6。
51.优选地，所述压紧机构包括柱形螺母5.3和压紧螺栓5.4，所述柱形螺母5.3 与压紧螺栓5.4适配，安装在钳身5.2内的光孔内，且柱形螺母5.3可在钳身 5.2光孔内转动；所
述压紧螺栓5.4的上端穿过钳口5.1，压紧螺栓5.4的下端与柱形螺母5.3螺纹连接；当压紧螺栓5.4向下拧入柱形螺母5.3时，压紧螺栓 5.4顶部的螺帽与钳口5.1上部压紧，给钳口5.1工作面施加向下和向外的作用力(本实施例中，施加给钳口5.1工作面向下和向左的作用力)。优选地，柱形螺母5.3安装在钳身5.2的光孔内。
52.优选地，所述钳身5.2为对称结构，所述柱形螺母5.3安装在钳身5.2的上部；所述钳身5.2的下部两侧各设一个支撑侧板5.5；所述钳身5.2和支撑侧板 5.5的下部均分别开设有位置对应且用于固定的连接槽5.6，该连接槽5.6与连接块9适配，支撑模块2、连接块9和钳身5.2通过长螺栓相连。本实施例中，所述钳身5.2采用多块钢板拼接；所述连接槽5.6为t型。所述钳口5.1包括顶板5.1.3和压紧侧板5.1.2，所述顶板5.1.3上开设有与压紧螺栓5.4配合的螺栓孔，顶板5.1.3前端与压紧侧板5.1.2的顶部相连，压紧侧板5.1.2的外侧面为工作面。所述钳口5.1还包括导向侧板5.1.1，导向侧板5.1.1分别与压紧侧板5.1.2和顶板5.1.3连接，导向侧板5.1.1位于支撑侧板5.5的上部，且可沿支撑侧板5.5表面滑动。在钳身5.2的前端和后端各安装有一个柱形螺母5.3；钳身5.2及钳口5.1的各部分结构均可采用钢板制作。
53.本发明中，所述自由虎钳5的工作原理如下：
54.1、钳口5.1压紧：将钳口5.1放置在钳身5.2上部，使压紧螺栓5.4的螺杆穿过钳口5.1的顶板5.1.3；将压紧螺栓5.4拧入柱形螺母5.3，柱形螺母5.3 空套在钳身5.2的光孔中，压紧螺栓5.4的螺帽压紧钳口5.1顶板5.1.3，并逐渐带动钳口5.1沿着钳身5.2的支撑侧板5.5滑动，钳口5.1的压紧侧板5.1.2 随之向下、向左移动，通过球面垫圈4与工件6接触后施加给工件6向下、向左的压紧力。
55.2、钳口5.1放松：反向将压紧螺栓5.4从柱形螺母5.3中拧出，同时压紧螺栓5.4的柱形螺母5.3上升并逐渐与钳口5.1顶板5.1.3分离；二者分离后(拧出3～4扣后即可分离)，向远离钳口5.1压紧侧板5.1.2的方向拉动压紧螺栓 5.4(此时柱形螺母5.3翻转)，放松钳口5.1(如图4所示)，将压紧螺栓5.4 抽出后即可将钳口5.1直接取出，钳口5.1上的球面垫圈4与工件6脱离，实现快拆。
56.本发明还提供了一种大型工件定位装夹方法，该方法包括如下步骤：
57.步骤一、提供上述大型工件6定位装夹系统各部件。
58.步骤二、根据工件6装夹位置布置支撑点，分布在各支撑点和施力点设支撑结构，并将支撑结构安装在装夹平台7上，具体方法为：利用滑块1和长螺栓10将支撑模块2固定在装夹平台7上；每一支撑结构的高度通过增减支撑模块2 的数量来实现，支撑模块2之间同样可用连接块9和长螺杆10进行连接、固定；也可将多个支撑结构组合起来，由于可调垫铁结构3仅承受正压力，所以自由放置在支撑结构2上。自由虎钳5由于需要提供压紧力，故需要用长螺栓固定在支撑模块2上。
59.步骤三、在各支撑点处的支撑结构上安装可调垫铁结构3，并在球面垫圈4，补偿工件6支靠表面的形状误差。
60.步骤四、工件6落位并调平。将工件6在可调垫铁结构3上落位，利用可调垫铁结构3调整可调垫铁结构3整平工件6。
61.本实施例中，所述可调整垫铁3.5结构内部采用螺纹传动，配合调整扳手可直接对工件6顶升或下落，配合适应的螺栓可完成精密(小于等于0.01毫米) 调整；高度调整到位
后，可调垫铁结构3用其内部具有自锁特性的楔形块3.2可保证调整高度稳定。
62.步骤五、根据工件6压紧位置布置施力点，在施力点处的装夹平台7上安装支撑结构。
63.步骤六、并在支撑结构上连接自由虎钳5，并利用连接螺栓将自由虎钳5和支撑结构整体固定在装夹平台7上；在自由虎钳5的施力端配置球面垫圈4。
64.步骤七、工件6校直并压紧。利用工件6一侧的自由虎钳5施加压力，通过球面垫圈4压紧使工件6调直；再在对侧对称安装自由虎钳5，利用该侧自由虎钳5将工件6压紧。本实施例中，自由虎钳5的压紧力由螺旋机构提供，在压紧的过程中侧向力可直接用于调整工件6直线；调整完毕后可调垫铁结构3内部的楔形块3.2与自由虎钳5的施力端压紧保证工件6位置可靠。
65.最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。