PLC控制的多工序气动夹具设计.pdf

2 0 1 2 年5 月 第4 0 卷第1 0 期 机床与液压 M A C H I N ET 0 0 L H Y D R A U U C S M a v2 0 1 2 V 0 1 4 0N o 1 0 D 0 l 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 0 1 3 P L C 控制的多工序气动夹具设计 张国政1 刘有余2 1 安徽机电职业技术学院 安徽芜湖2 4 1 0 0 0 2 安徽工程大学 安徽芜湖2 4 1 0 0 0 摘要 以某系列升降机中B 型联轴器为例 在分析其加工工艺基础上 根据多工序加工对数控加工机床设备与夹具装 置的要求 提出用夹具的柔性化替代机械零件多工序加工依赖于数控机床的高柔性 从而解决目前企业实际生产问题 基 于西门子s 7 2 0 0 P L c 编制程序控制气动夹具 给出夹具控制流程图 定义I 0 口 编制梯形程序生成语句表 并成功调试 该夹具的成功开发 为实际生产中制定同类机械零件的加工工艺方案和进一步实现程序控制气动夹具融入到数控机床中的 柔性制造系统提供参考 关键词 数控加工工艺 P L c 控制 多工序 气动夹具 中图分类号 T H l 2 2文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 l1 0 一0 4 0 一5 D e s i 驴o fM 山6 s 拓喀eP n 舢吐c 硒 t I l r eC o n 劬U e db yP L C Z H A N GG u o z l l e n 9 1 L I UY o u y u 2 1 A I I I l u iT e c h I l i c a lC o n e g eo fM e c h a n i c 8 l E I e c t r i c a lE n 百n e 谢I l g W u h uA I I I u i2 4 1 0 0 0 C h i n a 2 A r I I I u iP o l 丫t e c h n i cU n i v e 玛i t y W u h uA r d l u i2 4 1 0 0 0 C h i I l a A h 嘣 T a l i I I gBt y p ec 仙p l i l I gi n m es 耐髑0 fe l e v 栅p I o d u c t s 鼬r e s 咄ho b j e c t b a s e d a I l a l y z i l I g 池m 腑l I i I l i I l g p r o c e 鹪 们c 眦d i n g t o t l l er I I l i 弛m e n t so f m I I h i s t a g e m l l i I I i n g t 0n 唧e r i c a l 咖幻r o l N C n I l l i n e t l 锄d f t I I m t l l en 懿i b I e6 m l 陀 w 拍u s e dt o 弛p l a c e 血el l i g I In 脚b l em a c h i n et 0 0 1 强e nt l l ep 眦6 c a lp r o d u c ep m b l e ma tp 嘲e n tc 0 I I l db e8 0 1 v e d B a 8 e d S I E M E N s S 7 2 0 0 P L c p D o 毋mw 酗e d i t e dt o n t r o lp n 哪帽旧c 矗x t u 弛 n I e n h D In 州d i 薯I 印mw 聃g i v 吼 t h eI 0i n t e 血c w e 陀d e 6 n e d t h e l a d d 盯d i a g m mw e d i t e d 蛐dt I e8 即咖c el i s tw 衄g e 眦m t e d 朋di t 帆8 叫c c 赫l l yd e b u 船e d T h e 鲫c c e s s 觚d e v e l 叩m 即t0 ft l I e 铀她p m r i d I e f b 陀n c ef o rp m c t i c a l l yp I o d u c i n gt l I i sl i n do fp a r t s 蚰df o r 龇K e 1 1 9t l l ep m 铲蜘m l 丑b l ec 佣t r o lp n e u m a 虹cf i x t I l 弛i n t e g r a b l l gi n t oN Cm 神h i m 啪1 8 w 量I i c hi s 丑e d b l em 肋u t I l r i I l gs y s 哪 F M S m o r d s N u m r i c a lc 州p m c 啪 P L cc 砌 M 出 8 啤 P I I e u m c 缸啪 联轴器零件是各种机械传动装置中不可或缺的重 要零部件 在传动机构中起到中间联结作用 文中所 述零件是某工程升降机中传动装置的一种B 型半联 轴器零件 见图l 所示 图1B 型联轴器零件工程图及三维实体图 收稿日期 2 0 1 1 一0 5 一0 3 基金项目 安徽高等学校省级自然科学研究资助项目 K J 2 0 1 1 8 0 2 3 作者简介 张国政 1 9 8 0 一 男 博士研究生 讲师 主要从事数控加工技术及应用 c A F D 技术等方面的教学与科研工 作 E m a i l 礤舢s t 1 6 3 c o m 万方数据 第1 0 期 张国政等 P L c 控制的多工序气动夹具设计 4 1 该零件是以咖3 5 孔中心线为主的回转体零件 且有6 一妒0 的花键 零件一个端面具有4 个均匀分 布的梅花形结构爪 每个梅花结构爪上有吊1 6 孔 除此之外还有3 M 1 0 螺纹孔均匀分布在卿的等分 线上 另一端面为长1 0 伽的咖1 2 0 圆柱 以及零件 各处不同的倒角 总体分析 零件结构形状并不复 杂 但梅花形结构爪部分需要数控铣削加工 其他部 钻床两种专用夹具设计问题 1 联轴器零件的加工工艺 1 1 传统加工工艺分析 传统加工工艺是按工序分散原则设计的 所谓工 序分散指的是零件加工每道工序内容少 甚至为一个 工步或工位 其加工工艺路线长 按照这样的原则设 计出的工艺方案 通常是解决大批量生产类型的工件 位分别涉及到车 镗 削 钻削 铰削和拉削等 加工问题 其过程需要的机床设备 夹具装备和人员 可能涉及车 铣 钻和拉4 种型号机床 以及铣床和 等数量多 见表l 所示 表l工序分散原则的联轴器零件加工工艺方案 表1 中所示工艺是传统加工方案 其工艺路线 长 机床设备和夹具装备量多 同时生产场地面积大 和操作人员多 这就是按工艺分散原则设计的工艺方 案的缺陷 在夹具设计方面 由于设计零件某工序的 夹具先要根据零件工序要求进行零件的定位规划 零 件定位是实现工序要求中位置精度的根本措施 夹具 定位方案规划首先必须根据零件的具体工序要求获取 工件的定位基准和应约束的自由度信息 同时工序要 求与定位基准应约束的自由度之间存在必然联条 如表1 中工序5 0 和工序6 0 需要求约束自由度为6 个 而V 口虎钳只能约束零件的5 个自由度 另一 个自由度约束需要借助于百分表或划针的找正方式来 完成 从而实现零件的最终装夹 由此可见 传统加 工工艺方案不仅要求工艺设备 装备 场地面积 人 员数量等数目大 而且零件装夹效率低 对工人技术 水平要求也相对较高 1 2 数控加工工艺分析 数控加工工艺是按工序集中原则设计的 所谓工 序集中指的是零件每道加工工序内容多 工艺路线 短 要求的加丁设备或夹具装备具有较高的柔性 对 照工序分散原则的工艺设计方案 表1 中工序1 0 至 工序3 0 所用机床设备和央具装备相同 可合并为一 道工序 记为工序I 分两次装夹 工序4 0 是一 道独立的工序 在拉床上完成加工 记为工序 工序5 0 至工序8 0 合并为一道工序 记为工序 这道工序需要设计程控气动夹具来完成联轴器零件的 装夹 总体分析 在数控加工工序集中原则下 联轴 器零件的整个加工工艺过程被划分为3 道工序 即工 序I 为车削加工 工序 为拉削加工 工序 为铣钻 削加工 2多工序集中加工对机床与夹具的要求 2 1 多工序集中加工对数控机床的要求 现代数控加工是以较高柔性的数控机床为核心 要求机械零件加工工序集中 从而减少不必要的辅助 时间 可大大提高加工效率 降低工人劳动强度 通 过以上联轴器零件加工工艺分析 其数控加工工序 包括铣 钻 铰 攻丝等多个工步和工位 若零件在 一次装夹中完成多道工序的加工 必须采用四轴联动 以上的高柔性数控机床设备 如F A N u c2 1 i 系统和 s I E M E N s8 4 0 D 系统数控机床等 但这样高柔性化数 控设备价格昂贵 在加工具有一定批量的联轴器零件 时 对于企业来说是一种技术浪费 这是由于高档数 控机床只适合高精度 复杂多变的机械零件加工 2 2 多工序集中加工对夹具的要求 企业现有若干台中档数控设备 如s I E M E N S 8 0 2 D 8 0 2 s 和F A N u cO i 系统数控设备 但这些具有 较好柔性的数控设备不能解决多工序集中加工的零件 一次安装问题 为此 文中提出程序控制气动夹具装 备设计方案 该方案中除了必要的定位元件设计 其 他元件可以考虑采用组合夹具元件 如图2 中除四工 位分度盘6 旋转轴1 0 以外其他夹具元件和组件都 可采用标准元件或组合夹具元件 从而降低了气动夹 具的元组件制造成本 同时也有效地解决了联轴器零 件加工对高成本数控机床的高柔性需求 由此可见 万方数据 4 2 机床与液压 第加卷 数控加工的柔性化着眼点主要在机床和工装两个方 面 而夹具又是工装柔性化的重点 组合夹具就是柔 性夹具的代名词 图2 中所设计的多工序气动的很 多夹具零部件都可以采用组合夹具元件和其他标准元 件 这是该夹具柔性化特点之一 该夹具的另一个柔 性化特点就是采用了P L c 程序自动控制和气动定位 与夹紧 气动夹具也满足绿色夹具设计要求 I 一夹具体2 2 4 一支架卜铣削翻转定位挡块卜四工位驱动气缸5 一翻转板6 一四工位分度盘7 一半圆定位套8 一联轴器零件 9 一定位板l O 一旋转轴1 1 一定位键l 卜轴承l 卜分度齿轮1 4 一插拨杆销l s 一销1 6 一钻孔翻转定位块1 7 一连接座1 8 一四工位插 销气缸l 卜翻转驱动气缸2 卜翻转嚼齿轮2 1 一轴承座2 卜翻转齿条2 卜钻孔翻转定位挡块2 卜夹紧气缸2 卜气缸杆2 7 压块 图2 多工序气动夹具结构简图 3 多工序气动夹具设计 3 1 多工序气动夹具结构设计 夹具设计主要集中在安装规划 装夹规划 夹具 构形设计和夹具性能评价4 个方面 1 从2 0 世纪7 0 年代以来 前苏联学者就开始了夹具的计算机辅助设 计 又称计算机辅助夹具设计c A F D c o m p u t e rA i d e dF i x t u r eD e s i g l l 虽在夹具本身的设计方面研究出 大量的成果 但在夹具如何融入到数控机床中 成为 其重要的程序控制执行部件方面还尚需研究 工序集中原则下 联轴器零件4 个梅花形结构爪 面及其上3 M 1 0 孔 圆柱面等多工序与4 一咖1 6 多个 工位在数控加工中整合为一道工序 故这些工序必须 具有同样的定位规划 其定位基准选择需满足相同原 则 经分析工序 需采用完全定位方式 其定位基准 应为 咖1 2 0 端面 咖1 2 0 圆柱面 弘O 花键 组合 即可实现工序集中时零件一次装夹完成多工序 包 括多个工步和多工位等 的加工 该夹具结构如图2 所示 在图2 所示位置 联轴器零件8 分别通过定位元 件7 9 和1 1 定位 其中定位元件7 与其配合的V 形 夹紧块 图2 中未示 对联轴器零件8 的西1 2 0 表面 见图1 进行夹紧 此时气缸1 8 驱动推杆1 4 插入 分度盘6 的定位孔中 注 分度盘有4 个均匀分布的 定位孔 确保零件8 在数控铣床上的正确位置 该 位置可完成零件8 工序 内容 完成加工后 由翻转 气缸1 9 驱动齿条2 2 齿轮2 0 带动图中元件4 一1 8 顺 时针翻转9 0 翻转后由气缸2 5 驱动气缸杆2 6 使压 块2 7 夹紧零件 确保钻孔稳定 气缸4 和1 8 通过 P L C 控制程序实现4 一币1 6 四工位的顺序控制工作 当4 一咖1 6 工位转位时 P L C 控制气缸2 5 使压块2 7 松开 待转到正确工位后 气缸2 5 驱动夹紧 直至 零件8 在机床上完成孔加工后 所有气缸动作复位返 回图2 所示位置 3 2 夹具气动控制方案设计 根据夹具顺序动作的要求 设计了一款由气缸驱 动和齿轮齿条机构控制的气动控制回路 见图3 所示 图3 多工序夹具气动控制原理图 4 多工序气动夹具P L C 控制程序设计 4 1 多工序气动夹具顺序动作流程 根据联轴器零件加工工序集中时夹具顺序动作要 求 该夹具的P L C 程控流程见图4 所示 夹具从图2 所示位置后 经P L c 控制进而完成翻转和工位旋转 等多工序装夹动作 万方数据 第1 0 期张国政等 P L c 控制的多工序气动夹具设计 4 3 延时 图4 多工序夹具P L c 控制流程图 4 2 多工序气动夹具L O 口的定义 根据柔性夹具的气动控制动作过程 以西门子 S 7 2 0 0 P L c 为控制系统 定义了相应的I 0 口 并对 相应的 O 口进行注释说明 见表2 所示 4 3S I E M E N SS 7 2 0 0 P L C 程序控制设计 根据气动顺序控制原理 在S I E P 7 软件中编制 P I J c 梯形图 见图5 所示部分梯形图 并通过P L c 成功调试 并自动生成P L c 程序部分语句表如下 L DS M O 1 RS 0 O 2 4 RQ o 1 7 N 咖o r k2 L DS M 0 O A1 1 1 E U SQ 1 0 l N 栅r k3 L DS M 0 0 A1 1 2 E U RQ 1 O 1 N e t w o 出4 1 1 1 S C R Ts 2 4 N e t w o r k8 0 S C R E N e t w o r k8 l L S C RS 2 4 N e t w o r k8 2 L DS 2 4 RQ o 1 6 RS 0 0 2 4 SM 1o 0 1 N e t w o r k8 3 L DM 1 0 O T O NT 4 1 1 N e t w o r k8 4 L D 1 4 l S C R TS O 1 RM 1 0 0 1 N e t w o r k8 5 S C R E E N D 一0 R G A N I z A r n O N B L O C K S U B R O U r n N E B L O C KS B R o S B R 0 表2 多工序气动夹具L 0 口的定义与注释 序号符号地址 注释序号符号地址注释 1S B l1 0 O 启动按钮 S Q l 0 1 1 O 四工位钻孔D 缸松开 2 s Q l I o 1 拨销到位信号 1 2s P l1 1 1 欠压信号 3 s Q 2 1 0 2 插削到位信号 1 3m 爆e t1 1 2 复位 4 s Q 3 帕 3 夹具反转到位信号 1 4Y V l Q 0 1 拨销 5 s Q 4 I o 4 夹具翻转到位信号 1 5Y v 2Q 0 2 插销 6 S Q 5 1 0 5 工位初始位置 O 位 信号 1 6W 3Q O 3 夹具反转 7s Q 6I o 6 工位I 旋转9 0 位 位置信号 1 7Y v 4Q o 4 夹具翻转 8 s Q 7 I o 7 工位 旋转9 0 位 位置信号 1 8W 5 Q 0 5 工位旋转 9 s Q 8 I o 8 工位 旋转9 0 位 位置信号 1 9Y V 6 Q O 6 工位反转 l O s Q 9 I o 9 四工位钻孔D 缸夹紧 2 0 A L MQ 1 O 系统气压欠压报警 万方数据 4 4 机床与液压 第4 0 卷 图5 多工位气动夹具P L c 程序控制部分梯形图 5 数控机床P L C 程序控制开发 西门子数控系统具有开放式的P L C 它等同于 s 7 2 0 0 P L c 或3 0 0 P L c 以上用S 7 2 0 0 编制的程序可 集成到s I E M E N s 舳2 D 或8 0 2 s 等中档数控系统中 实现用数控编程代码来控制夹具的正确定位和顺序夹 紧 但需定义系统的M 功能指令 如控制流程图4 所示的M 2 0 至M 2 7 指令 并相应改造机床电气控制 系统和修改P L C 程序梯形图 可进一步实现程序控 制气动夹具融入到数控机床中的柔性制造系统 虽然 目前国内外都研制出开放式的数控系统 但基于技术 保护 其系统并不完全对企业用户开放 因此 在开 发数控机床的辅助功能时就受到很大的限制 但数 控系统的P L c 通常是开放式的 其开发途径有两种 一种是独立型机床P L C 开发该P L c 就如同文中编制 的控制程序 通过成功调试完全可以独立控制使用 P L c 接收处理数控系统的M 指令时 通常用P R o F I B u s 总线来完成 由于系统为用户提供一个P L C 子程 序库 利用子程序库可以迅速地搭建用户应用程序从 而实现数控系统控制夹具忙o 另一种是内装 嵌入式 P L c 该类型眦与数控装置共用C P U 其信息的处 理是通过数控系统内部交换 但开发此种P L c 必须要 弄清数控系统的内置参数 这就要求数控系统生产厂 家开放其系统参数 以便拓展机床辅助 M 功能 6 结束语 文中按工序分散和工序集中两大原则 对联轴器 零件传统加工工艺方案和数控加工工艺方案进行分 析 根据数控机床加工工序集中的原则要求 为了提 高夹具的柔性 设计了翻转式 多工位旋转等多工序 夹具装置 并以气缸驱动和齿轮齿条机构实现顺序控 制 以s I E M E N Ss 7 2 0 0 P L C 编制程序控制该夹具正 确定位与顺序夹紧模块 为实现夹具融入到数控设备 中的柔性制造系统奠定基础 文中所设计的夹具还能 适用于升级机传动装置的A 型联轴器 以及具有可 夹持圆柱部位的各种法兰等零件 且夹具多采用组合 标准元件 具有一定的柔性 参考文献 l 吴玉光 基于工序要求的夹具定位方案自动规划方法 J 机械工程学报 2 0 l O 4 6 1 1 1 8 5 一1 9 2 2 蔡瑾 组合夹具元件库集成建模技术研究 D 天津 河 北工业大学 2 0 0 9 1 3 司广琚 钟康民 增力自锁型冲击式气动夹具设计与力 学计算 J 机械设计与研究 2 0 0 8 2 4 1 9 6 9 9 4 融亦鸣 朱耀祥 罗振璧 计算机辅助夹具设计 M 北 京 机械工业出版社 2 0 0 2 5 焦红卫 s I N u M E 甩c8 0 2 D 数控系统在立式加工中心改 造中的应用 J 机床与液压 2 0 l l 3 9 6 1 4 3 一1 4 5 中国齿轮加工机床制造企业需求分析 得益于近年来汽车 风电 核电行业的拉动 汽车齿轮加工机床 大规格齿轮加工机床的需求增长 十分耀眼 随着齿轮加工机床需求的增加 近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多 众所周 知 齿轮是最基础的机械传动元件 量大面广 而齿轮机床是机床工业公认技术含量最高 零部件最 多 结构最复杂的产品之一 但一度我国齿轮机床行业处在一个十分尴尬的境地 过去我国机床生产企 业在技术上相对落后 普遍缺乏自主创新能力及关键 核心技术支撑 其产品主要以生产低端产品为 主 缺乏竞争力 在数控机床质量的稳定性 可靠性 耐用性上同国外先进产品相比存在明显差距 但 我国机床行业没有停步 一直在努力中 虽有差距但市场的需求是势不可挡的 无论是传统的汽车 船舶 航空航天 军工等行业 还是近年来新兴的高铁 铁路 电子等行业 都对机床工具行业的快速发展提出了紧迫需求 这就对齿轮加工机床制造商提出了新的要求 现在一些 企业已经应时而动 积极调整产业结构 不断拓展产品应用领域 向热门行业提供高速 高稳定性 高 精度的机床新品 满足行业所需 各行业对于