PLC控制的多工序气动夹具设计.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 O卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Ma v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 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 ，刘有余 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 ／ O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人到数控机床中的 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 H1 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 0 4 0 5 De s i g n o f M ul ti- s t a g e Pne u ma tic Fi x t ur e Co n t r o l l e d b y PLC ZHANG Gu o z h e n g ． LI U Yo u y u 1 ． A n h u i T e c h n i c a l C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， Wu h u A n h u i 2 4 1 0 0 0，C h i n a ； 2 ． An h u i P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ，Wu h u An h u i 2 4 1 0 0 0，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g B t y p e c o u p l i n g i n s o m e s e ri e s o f e l e v a t o r p r o d u c t s a s r e s e a r c h o b j e c t ，b a s e d o n a n a l y z i n g i t s m a c h i n i n g p r o c e s s ， a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f m u l t i s t a g e m a c h i n i n g t o n u m e ri c a l c o n t r o l N Cm a c h i n e t o o l a n d fi x t u r e ， t h e fl e x i b l e fi x t u r e wa s u s e d t o r e p l a c e t h e h i g h f l e x i b l e ma c h i n e t o o 1 ．T h e n t h e p r a c t i c a l p r o d u c e p r o b l e m a t p r e s e n t c o u l d b e s o l v e d ．B a s e d o n S I EME NS s 7 2 0 0 P L C，p r o g r a m w a s e d i t e d t o c o n t r o l p n e u ma t i c fi x t u r e ．Th e c o n t r o l fl o w d i a g r a m wa s g i v e n ，t h e 1 ／ O i n t e r f a c e s w e r e d e fi n e d， the l a d d e r d i a g r a m wa s e d i t e d a n d t h e s e n t e n c e l i s t w a s g e n e r a t e d，a n d i t wa s s u c c e s s f u l l y d e b u g g e d ．T h e s u c c e s s f u l d e v e l o p me n t of t h e fi x t u r e p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r p r a c t i c a l l y p r o d u c i n g t h i s k i n d of p a r t s ，a n d f o r a c h i e v i n g t h e p r o g r a mma b l e c o n t r o l p n e u ma t i c fi x t u r e i n t e gra t i n g i n t o N C m a c h i n e t o o l s ， w h i c h i s fl e x i b l e m a n u f a c t u ri n g s y s t e m F MS ． Ke y wo r d s Nu me r i c al c o n t r o l p r o c e s s ；P L C c o n t r o l ；Mu l t i ． s t a g e ；P n e u ma t i c fi x t u r e 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 1 所示。 图 1 B型联轴器零件工程图及三维实体图 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 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 B 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 ma i l z g z a u s t 1 6 3 ． C O mo 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 6 3 5孑 L 中心线 为主的回转体零件 ， 且有 6 4 , 4 o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 1 6孔 ， 除此之外还有 3 - M1 0螺纹孔均匀分布在 , ／ 6 0的等分 线上 ；另一端面为长 1 0 m m 的 1 2 o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1 所示。 表 1 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系⋯。 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，要求的加工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 O至 工序3 O所用机床设备和夹具装备相同，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 Ⅱ ； 工序 5 0至工序 8 0合并为一道工序 记为工序 Ⅲ ， 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 Ⅱ为拉削加工，工序Ⅲ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Ⅲ 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 C 2 1 i 系统和 S I E M E N S 8 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 C 0 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 ， 4 2 机床与液压 第 4 0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 。 1 一夹具体 2 、2 4 一支架 3 ～铣削翻转定位挡块 4 一四工位驱动气缸 卜 翻转板 6 一四工位分度盘 卜 半圆定位套 8 一联轴器零件 9 一定位板 l O 一旋转轴 l 1 一定位键l 2 一轴承1 3 一分度齿轮 1 4 一插拨杆销 1 5 _ _ 销l 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 9 一 翻转 驱动 气 缸2 o _ - 翻 转 圆齿轮2 l 一 轴承 座2 2 一 翻转 齿条2 3 一 钻孔 翻转 定位 挡块2 5 一 夹 紧气 缸 2 6 一 气 缸杆2 7 一 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 。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 r A i d e d F i x t u r e D e s i g n ，虽在夹具本身的设计方面研究出 大量的成果，但在夹具如何融人到数控机床中，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 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Ⅲ需采用完全定位方式，其定位基准 应为 “ 1 2 0端面 1 2 0圆柱面 6 4 0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 6 1 2 o表面 见图 1 进行夹紧，此时气缸 1 8驱动推杆 1 4插人 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Ⅲ内容；完成加工后 ，由翻转 气缸 1 9驱动齿条 2 2 、齿轮 2 O带动图中元件 4 一l 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 1 6四工位 的顺 序控制 工 作 ， 当 4一 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。 第 l 0期 张国政 等P L C控制的多工序气动夹具设计 4 3 原 l 始 化 M2 0 吉S B I l 夹具 翻 转卜 _ V 4 l - ． - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _J 专S Q 4 M2 1 l D 缸夹紧 _ _ 。 Y V 9 Y v 4 断 ， 钻 孔 藿 五 j E M 2 2 l D 缸松开卜 _ _ o Y V 1 0 1 ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．．_ 一 S Q l 0 M 2 3 1 拨销 ． 土墨 Q ． M 2 4 l 工位旋转 } 亨S Q6 M 2 5 l 插销 } S Q2 l D 缸夹紧 } Y V5 断，钻孔延时古S Q9 I D 缸松开 S Q1 0 I 拨销 守S Q1 I 工位旋转 害S Q 7 l 插销 } ． 主 ． J D 缸夹紧 } YV 5 断 ，钻孔延 时 YVl YV 5 Y V2 YV9 YVl 0 YVl YV 5 YV 2 YV 9 D 缸松开 卜 _ _ o Y V1 0 S Q1 0 拨销卜 _ _ o YVI S Q1 工位旋转 Y V5 王曼 Q 墨 插 销 YV 2 S Q2 D 缸 夹紧 _ _ 。 Y V 9 s Q9 Y V 5 断 ，钻孔 延时 D缸松 开 o YV1 0 拨 销 工 位反 转 D 缸 松开 二 重 量 ．I 夹具反转 } 初始化原点 oYVl 2 6 oYV6 6 断 oYVl 0 --o YV2 2 7 oY V3 图4 多工序夹具 P L C控制流程图 4 ． 2多工序 气动 夹具 I ／ 0 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 ／ O 口，并 对 相应 的 I ／ O 口进行注释说 明 ，见表 2所示。 4 ． 3 S I E ME N S S 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 T E P 7软 件 中编 制 P L 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 D SM0． 1 R S O． 0．2 4 R Q o ． 1 ， 7 Ne t wo r k 2 L D S M0． 0 A I 1 ． 1 EU S Q 1 ． 0，1 Ne t wo r k 3 LD SMO ． 0 A I 1 ． 2 EU R Q 1 ． 0 ， 1 Ne t wo r k 4 ／ ／ I 1 ． 1 S CRT S 2 ． 4 Ne t wo r k 8 0 S CRE Ne t wo r k 81 LS C R S 2 ． 4 Ne t wo r k 8 2 LD S 2 ． 4 R Q o ． 1 ． 6 R S 0 ． 0．2 4 S M1 0 ． 0．1 Ne t wo r k 8 3 L D M1 0 ． 0 T0N T 41．1 Ne t wo r k 8 4 LD T41 S CRT s 0 ． 1 R M1 0． 0．1 Ne t wo r k 8 5 S CRE END ORGANI ZAT I ON BL OCK S UB R0UTI NE B L O C K S B R - o S B R 0 表 2 多工序气动夹具 I ／ O口的定义 与注释 序号符号地址 注释 序号符号地址 注释 1 S B 1 1 0 ． 0 启动按钮 1 1 S QI O I 1 ． 0 四工位钻孔 D缸松开 2 S Q 1 I O ． 1 拨销到位信号 1 2 S P 1 I 1 ． 1 欠压信号 3 S Q 2 I O ． 2 插削到位信号 1 3 R e s e t I 1 ． 2 复位 4 S Q 3 1 0 ． 3 夹具反转到位信号 1 4 Y V1 Q o ． 1 拨销 5 S Q 4 1 0 ． 4 夹具翻转到位信号 1 5 Y V 2 Q o ． 2 插销 6 S Q 5 1 0 ． 5 工位初始位置 0 。 位 信号 1 6 Y V 3 Q o ． 3 夹具反转 7 S Q 6 1 0 ． 6 工位 I 旋转9 0 。 位 位置信号 1 7 Y V 4 Q O ． 4 夹具翻转 8 S Q 7 1 0 ． 7 工位 Ⅱ 旋转9 0 。 位 位置信号 1 8 Yv 5 Q 0 ． 5 工位旋转 9 S Q 8 1 0 ． 8 工位 Ⅱ 旋转9 O 。 位 位置信号 1 9 Y V 6 Q o ． 6 工位反转 1 0 S Q 9 1 0 ． 9 四工位钻孔 D缸夹紧 2 0 A L M Q 1 ． 0 系统气压欠压报警 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 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 8 0 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 M2 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 ；另一种是内装 嵌入式 P L C ，该类型 P L C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 S S 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 【 1 】 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 1 0 ， 4 6 1 1 1 8 51 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 ． 【 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 ME R I C 8 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 1 l ， 3 9 6 1 4 31 4 5 ． ， ” “ ” 十 ” 十“ 十 ” 十” ” 十 ” 十” 十 ” ” ” ” 十 ” 十“ ” 十“ 十” 十 ” 十” 十 “ 十” ” ” ”十 ” “ 十“ 十 ” 十 ” 十” ” ” ” “ ． 卜“ ” 十 ” 十“ 十 ” ” ” “ i 中国齿轮加工机床制造企业需求分析 t 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 i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 十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 j 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 i 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， 十 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 j 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 i 精度的机床新品，满足行业所需。各行业对于齿轮加工机床的需求是十分大的，企业只有抓住这些机会 } 才能更上一层楼。 内容来源中国数控信息网 ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．