空气夹紧方法和设计选择｜从计算到安全电路的各种说明。

我们有了夹紧机构　用得着空气夹紧方法、设计和选择注释

在机床设计中，许多设计人员至少有一次会担心设计的夹紧力是否能承受实际加工载荷和工件保持力，或者夹紧臂是否会因为惯性矩计算不当而折断。

此外，仅根据目录规格选择设备也会造成许多故障和遗憾，例如现场管道布线困难或因安全电路不足而在维护过程中险些发生事故。

本文系统地阐述了解决这些实际问题的具体设计过程。　　文章还深入探讨了 "使用惯性力系数 G 计算特定载荷 "和 "根据 JIS 标准构建安全电路的程序"，这些内容仅在其他信息网站上根据现场经验和制造商的最新技术数据进行了片段讨论。

我们希望，通过阅读本文，您能够自信地选择 "空气夹紧法"。

基本气动夹紧方法和类型。

受空气可压缩性影响的抓握特性。

气夹设计面临的第一个物理挑战是 "空气可压缩性"。　　空气具有像弹簧一样被压缩的特性，而液压夹具中使用的液压油是一种不可压缩的流体。　　这种特性的优点是可以柔和地夹紧工件，但缺点是刚性低，无法抵抗切割等外力。

具体来说，当施加间歇性切削阻力时，例如在铣削过程中，气缸内的空气会被压缩，活塞会轻微移动，导致加工表面产生 "颤振"，最严重的情况下，工件可能会发生位移。　　此外，在完成夹紧操作的瞬间，压缩空气的回弹会导致机头反弹，即 "反弹现象"。

为了避免这种情况，不仅要增加压力，还要使用下面介绍的机械锁定装置，并首先确定工艺（装配、运输、轻切割）是否适合气压。

下表总结了气动和液压特性的比较。请以此为参考，确定气动卡箍是否适用于相关工艺。

利用帕斯卡原理产生推力

气夹产生的力是物理学的基础，即 "帕斯卡原理"。这是由以下定律决定的。　　这是流体在密闭容器中受到的压力在各个方向上的传递相同的定律。在设计实践中，理论推力 F 的计算公式如下

F = P × A × η

其中，P 是供气压力（兆帕），A 是气缸的受压面积（平方毫米），η 是机器效率（通常约为 0.8 至 0.9）。　　从公式中可以看出要获得所需的夹紧力，有两个选择："增加压力 "或 "增加气缸直径（受压面积）"。　　不过，由于工厂供气压力一般固定在 0.5 兆帕左右，因此设计人员需要通过选择适当的气缸直径来确保推力。

应注意气缸 "推动侧 "和 "拉动侧 "受压区域的不同点。　是这样的。　　在有拉杆的一侧（拉动侧），受压面积因拉杆的横截面积分而减小，因此产生的推力也较小。　　使用伸缩式或摆动式卡箍时，请务必参照产品目录中的推力表，检查所用运动方向上的面积。

摆动卡箍的引线槽结构

摆动式夹具是夹具设计中最常用的装置之一，因为它能确保在安装和拆卸时操作简便。　　这种设备使用单个气缸来完成杆的复杂运动，杆旋转、下降，最后垂直夹紧。　　这种运动是通过在杆和内部凸轮上雕刻 "铅槽"（螺旋槽）来实现的。

在一般结构中，当活塞杆上升和下降时，导向销会沿着导槽移动，从而产生旋转运动。　　但是，长期使用和高速运转会导致导槽和销钉之间的接触区域磨损不均，从而导致臂发出响声（在活塞杆旋转方向上产生间隙）。

为了解决这个问题Cosmec Inc.　有些制造商，如纳博热，使用具有特殊截面形状的导槽，即 "哥特拱形"。　　这种技术可优化接触面积，通过导球与沟槽之间的 "两点接触 "而非 "点接触 "来降低表面压力。

与传统产品相比，这大大提高了耐用性，并实现了高精度定位。　　在设计选型时，不仅要考虑推力，还要考虑内部结构差异所带来的耐用性。

链接夹具的特点

而摆动卡箍可以 "摆动"、链接夹　机械臂通过基于手柄原理的连杆机构前后移动夹持工件。　　这种机构的主要特点是气缸的推力通过连杆比率放大，从而在紧凑的机身内实现强大的夹紧力。　　另一个优点是机械臂不旋转，便于放置在工件侧面有墙壁或与相邻夹具有严重干扰的空间。

然而连杆机构的结构比摆动式夹钳复杂，因为有几个部件是用销子连接的。　　因此，如果切削冷却液或切屑积聚在连杆中，就容易导致故障。　　在设计机器时，需要采取一些措施，如采用覆盖连杆的结构或安装可定期吹气清洁的电路。

下表比较了主要的气动夹紧装置。

机械锁的固定功能

开发这种夹具是为了避免气动夹具的缺点--停止供气时会失去夹持力、机械锁(或拨动锁）功能。　　该功能具有一种机制，可将内部楔块或肘杆链接以几何方式锁定在完成夹紧动作的位置。

有了这种功能，即使在发生断电或软管断开事故时气压降为零，也能通过强大的弹簧力和摩擦力保持夹紧状态。　　从日本职业健康和安全法规以及 JIS 标准的角度来看，强烈建议在夹紧位置输送重物的过程中以及在焊接线等高危险设备上使用具有这种安全机制的卡箍。

但请注意，在开锁（松开）时，需要更大的力才能松开锁，因此供应压力的下限可以设置得比普通气缸更高（例如要求 0.4 MPa 或更高）。

选择确定最佳空气夹紧方法。

理论推力计算公式

如上所述，理论推力是由受压面积和压力的乘积决定的，但实际选择需要更详细的研究。　　具体来说有必要估算 "有效推力"，其中要考虑到管道阻力造成的压力损失以及气缸内填料的滑动阻力。　　一般来说，目录中列出的理论推力乘以负载系数（安全系数的倒数）。

F_要求 = F_理论 × η_负荷

其中 F_要求 是实际夹紧力，F_理论 是理论推力，η_负荷 是负载系数。

许多设计新手都会犯的一个错误是，选择的尺寸只是目录中的理论推力，导致在实际现场压力波动（下降）时抓取力不足。无故障设计的基础是在选择气缸直径时留有足够的余量，以防即使设备的原始压力为 0.5 兆帕，在末端执行器部分也会瞬间降至 0.4 兆帕左右。

设置适当的负载系数。

那么，应该设定怎样的具体负载系数（安全系数）呢？　　国内主要制造商（如 SMC 和 CKD）的技术文件根据不同的应用提供了明确的建议。

• 静态夹紧（只需将工件固定到位）：负载系数 70% 或以下（安全系数约为 1.4 倍或以上）
• 动态夹紧（带运输，带冲击）：负载系数 50% 或以下（安全系数约为 2.0 倍或以上）

例如，假设根据切削阻力和工件自重计算出的所需抓取力为 500 N。　　对于静态固定，所需的理论推力为 500÷0.7≈714 N。另一方面，在机械手抓取和摆动等动态条件下，必须选择理论推力为 500 ÷ 0.5 = 1000 N 或更大的气缸。

同样重要的是，在设计气缸时，应确保在使用无导轨的简单气缸推动工件时，不会对杆施加横向载荷（径向载荷）。　　如果要施加横向载荷，则必须结合使用单独的直线导轨，或者选择导向气缸，并将其保持在气缸允许的横向载荷范围内。

参考资料来源：SMC 公司 (https://www.smcworld.com/catalog/BEST-technical-data/pdf/6-2-1-m21-43-tech.pdf）

惯性矩和惯性力系数 G

在选择回转夹具时，"惯性矩 "的计算甚至比推力的计算更为重要，但却经常被忽视。　　当臂摆动时，臂本身的质量、末端的附件和旋转速度会产生大量惯性能量。　　夹钳在旋转端停止的瞬间，这些能量以冲击扭矩的形式撞击内部凸轮机构和导向销。

为了定量评估这种冲击力，制造商的文件（如 CKD）使用了 "惯性力系数 G "参数。

M = m × G × L

• M： 允许的弯矩或扭矩（N-m）
• m：手臂等的质量（千克）
• L：旋转中心到重心的距离（米）
• G：惯性系数（取决于运行速度）

值得注意的是，系数 G 随运行速度的增加而呈指数增长。例如，如果速度增加一倍，G 会跃升数倍。　　如果计算结果超出了允许力矩，在增大油缸尺寸前应考虑采取以下措施

1. 减轻手臂重量将钢材（S45C）改为铝材（如 A7075），并拆除不必要的部件。
2. 降低速度使用速度控制器降低转弯速度。这是最有效的方法。

许多破损问题都是由于对这个惯性矩计算不充分造成的。请务必根据计算公式进行验证，而不是根据 "这个重量应该没问题 "之类的感觉值。

参考资料来源：CKD 公司 (https://www.ckd.co.jp/kiki/jp/file/2778）

安全空气夹紧方法的电路。

余压排放阀确保安全

安装 "残压排放阀 "是确保空气夹紧系统安全的一项法律和实际要求。　　即使在维护或紧急停车时关闭了气源，压缩空气仍会残留在气缸和切换阀之间的管道中（残余压力）。　　如果在这种状态下试图断开管路，压缩空气可能会释放出爆炸声，软管可能会发狂并击中操作员，或者残余空气可能会导致气缸意外运行，从而引发严重事故，例如夹伤手指。

JIS B 8370 "气动系统一般规则 "还要求，在能量切断的情况下，结构必须能够安全地释放剩余能量。　　具体来说，在电路入口附近，例如在 FRL 装置（过滤器、调节器和润滑器）之后，"3 端口余压排放阀(例如 VHS 系列）"。

通过关闭该阀门，可以切断供气，同时将下游空气释放到大气中。　　设计人员应确保在绘制电路图阶段就将该阀门纳入其中，并将其放置在任何人都能看到如何操作的位置。

先导止回阀，防止坠落。

在垂直方向（Z 轴）使用夹紧气缸时，如果切断气源，气缸有可能在自身重量或工件重量的作用下坠落。　　这是用来防止这种情况发生的。先导止回阀".　　在供气压力（先导压力）作用下，该阀允许空气自由流动，但当供气停止时，内部单向阀关闭并阻止气缸的排气侧。　　这样就可以将空气控制在气缸内并保持在该位置。

在 SMC 和小金井的技术文件中，也推荐使用先导止回阀来构建防坠落回路。　　不过，由于它只是 "空气密封"，因此不适合长期保留。　　因为随着时间的推移，可能会出现微小的泄漏，压力也会逐渐降低。

因此如果需要保留数天或在有人进入的区域绝对安全，则应采取多重安全措施，或与上述带机械锁的圆筒一起使用，或增加一个物理防坠销（射钉销）。

参考资料：小金井公司。https://product.koganei.co.jp/common/pdf/tech/SP237_Pilot_check_Valve_J_Ver1.pdf）

参考资料：Cosmec Inc.https://www.kosmek.co.jp/data/pdf/jp/BWS_R00_2022FA.pdf）

速度控制是计量控制。

在调整气动夹钳的速度时、仪表失控"。　主要原则是　　这是一种通过节流从气缸排出的空气（排气）而不是进入气缸的空气来调节速度的方法。　　当排出的空气被节流时，气缸内就会产生背压，活塞就会在其与气缸之间的气垫作用下稳步移动。

如果采用 "表入控制 "来挤压进入的空气，活塞在气缸内压力升高之前不会移动，而一旦开始移动，就容易出现 "粘滑 "现象，即活塞一下子加速。

这对夹紧设备来说是致命的，可能导致工件受到冲击、错位，甚至损坏设备。除单作用气缸和其他例外情况外，使用双作用气缸的钳位回路应始终选择表输出型速度控制器，并将其直接安装在气缸端口上。　　这确保了稳定的运行速度，不受负载波动的影响。

必要的排水措施。

气动设备故障的主要原因之一是压缩空气中的水分（冷凝水）造成的问题。　　压缩机压缩的热空气在通过管道的过程中会被冷却，并在此凝结成水滴。　　如果这些湿气进入夹钳气缸，就会冲走内部润滑油脂，导致填料加速磨损和气缸管生锈。

特别是，现代高性能气夹的内部公差非常精确，最轻微的生锈或碎屑都可能直接导致运行故障。　　设计人员必须将以下排水措施作为一个流程纳入电路中

1. 源控制空气干燥器：在压缩机后面安装一个空气干燥器（如制冷型），以降低露点。
2. 清除措施在设备前安装空气过滤器和雾气分离器，以去除湿气和油污。
3. 管道安装安装排水阀：在管道末端安装排水阀，启动管道，然后分支到设备（水流到下端）。

还有如果不小心在无润滑的气缸上使用润滑器进行润滑，初始润滑脂就会流出，从而缩短气缸的使用寿命。　　设计人员的一项重要职责是向维护人员明确说明 "禁止加油"。

参考资料来源：fukuhara corporation（仅日文）。https://www.fukuhara-net.co.jp/necessity）

实地使用的空气夹紧方法摘要。

• 空气夹钳的设计必须考虑到由于空气的可压缩性而导致的刚性不足和反弹现象，并确定其应用。
• 推力计算是通过应用帕斯卡原理（压力 x 面积）加上负载系数（静态 70%，动态 50% 或以下）来选择的。
• 摆动夹具易于安装和拆卸，但由于转动时的惯性矩，损坏的风险很高，因此必须进行计算。
• 引线槽的形状（如哥特式拱形）与耐用性和可重复性直接相关，应作为选择制造商的一个指标。
• 连杆卡箍由于采用了倍增机构，因此具有很强的夹紧力，在节省空间和避免干扰方面具有优势。
• 机械锁定功能非常安全，因为即使在供气中断的情况下，它也能保持抓取力。
• 惯性力系数 G 与速度的平方成正比增长，因此减轻臂重和降低速度是最有效的措施。
• 作为一项安全措施，回路入口处始终安装有余压排放阀，以防止在维护过程中发生失控事故。
• 对于垂直安装，应使用先导止回阀并设置一个回路，以防止气缸在空气关闭时下降。
• 在速度控制方面，使用了一个跳表系统，该系统利用背压来防止跳表并稳定运行。
• 冷凝水（湿气）是设备故障的主要原因，因此应采取空气干燥器、过滤器和雾气分离器等多重措施。
• 推动侧 "和 "拉动侧 "气缸的压力敏感区域不同，因此计算以操作方向的面积为基础。
• 禁止对未润滑的气缸进行润滑，因为这会导致油脂泄漏，现场应了解这一点。
• 管道直径和接头尺寸也会影响流速（速度），因此要根据气缸尺寸选择合适的管道直径和接头尺寸。
• 实现零故障的捷径是将所有这些元素视为一个流程，并在设计时为其提供逻辑支持。

上图