PLC控制的多工序氣動夾具設計

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2012年5月 第4O卷第10期 機床與液壓 MACHINE TOOL HYDRAULICS Mav 2012 Vo1 40 No 10 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 2012 10 013 PLC控制的多工序氣動夾具設計 張國政 劉有余 1 安徽機電職業(yè)技術(shù)學院 安徽蕪湖241000 2 安徽工程大學 安徽蕪湖241000 摘要 以某系列升降機中B型聯(lián)軸器為例 在分析其加工工藝基礎上 根據(jù)多工序加工對數(shù)控加工機床設備與夾具裝 置的要求 提出用夾具的柔性化替代機械零件多工序加工依賴于數(shù)控機床的高柔性 從而解決目前企業(yè)實際生產(chǎn)問題 基 于西門子s7 200PLC編制程序控制氣動夾具 給出夾具控制流程圖 定義I O口 編制梯形程序生成語句表 并成功調(diào)試 該夾具的成功開發(fā) 為實際生產(chǎn)中制定同類機械零件的加工工藝方案和進一步實現(xiàn)程序控制氣動夾具融人到數(shù)控機床中的 柔性制造系統(tǒng)提供參考 關鍵詞 數(shù)控加工工藝 PLC控制 多工序 氣動夾具 中圖分類號 TH122 文獻標識碼 B 文章編號 1001 3881 2012 10 040 5 Design of Multi stage Pneumatic Fixture Controlled by PLC ZHANG Guozheng LIU Youyu 1 Anhui Technical College of Mechanical Electrical Engineering Wuhu Anhui 241000 China 2 Anhui Polytechnic University Wuhu Anhui 241000 China Abstract Taking B type coupling in some series of elevator products as research object based on analyzing its machining process according to the requirements of multi stage machining to numerical control NC machine tool and fixture the flexible fixture was used to replace the high flexible machine too1 Then the practical produce problem at present could be solved Based on SIEMENS s7 200PLC program was edited to control pneumatic fixture The control flow diagram was given the 1 O interfaces were defined the ladder diagram was edited and the sentence list was generated and it was successfully debugged The successful development of the fixture provides reference for practically producing this kind of parts and for achieving the programmable control pneumatic fixture in tegrating into NC machine tools which is flexible manufacturing system FMS Keywords Numerical control process PLC control Multi stage Pneumatic fixture 聯(lián)軸器零件是各種機械傳動裝置中不可或缺的重 要零部件 在傳動機構(gòu)中起到中間聯(lián)結(jié)作用 文中所 述零件是某工程升降機中傳動裝置的一種B型半聯(lián) 軸器零件 見圖1所示 圖1 B型聯(lián)軸器零件工程圖及三維實體圖 收稿日期 2011 05 03 基金項目 安徽高等學校省級自然科學研究資助項目 KJ2011B023 作者簡介 張國政 1980一 男 博士研究生 講師 主要從事數(shù)控加工技術(shù)及應用 CAFD技術(shù)等方面的教學與科研工 作 E mail zgzaust 163 COmo 第10期 張國政等 PLC控制的多工序氣動夾具設計 41 該零件是以635孑L中心線為主的回轉(zhuǎn)體零件 且有6 4 4o的花鍵 零件一個端面具有4個均勻分 布的梅花形結(jié)構(gòu)爪 每個梅花結(jié)構(gòu)爪上有 16孔 除此之外還有3 M10螺紋孔均勻分布在 60的等分 線上 另一端面為長10 mm的 12o圓柱 以及零件 各處不同的倒角 總體分析 零件結(jié)構(gòu)形狀并不復 雜 但梅花形結(jié)構(gòu)爪部分需要數(shù)控銑削加工 其他部 鉆床兩種專用夾具設計問題 1 聯(lián)軸器零件的加工工藝 1 1傳統(tǒng)加工工藝分析 傳統(tǒng)加工工藝是按工序分散原則設計的 所謂工 序分散指的是零件加工每道工序內(nèi)容少 甚至為一個 工步或工位 其加工工藝路線長 按照這樣的原則設 計出的工藝方案 通常是解決大批量生產(chǎn)類型的工件 位分別涉及到車 鏜 削 鉆削 鉸削和拉削等 加工問題 其過程需要的機床設備 夾具裝備和人員 可能涉及車 銑 鉆和拉4種型號機床 以及銑床和 等數(shù)量多 見表1所示 表1 工序分散原則的聯(lián)軸器零件加工工藝方案 表1中所示工藝是傳統(tǒng)加工方案 其工藝路線 長 機床設備和夾具裝備量多 同時生產(chǎn)場地面積大 和操作人員多 這就是按工藝分散原則設計的工藝方 案的缺陷 在夾具設計方面 由于設計零件某工序的 夾具先要根據(jù)零件工序要求進行零件的定位規(guī)劃 零 件定位是實現(xiàn)工序要求中位置精度的根本措施 夾具 定位方案規(guī)劃首先必須根據(jù)零件的具體工序要求獲取 工件的定位基準和應約束的自由度信息 同時工序要 求與定位基準應約束的自由度之間存在必然聯(lián)系 如表1中工序50和工序60需要求約束自由度為6 個 而V口虎鉗只能約束零件的5個自由度 另一 個自由度約束需要借助于百分表或劃針的找正方式來 完成 從而實現(xiàn)零件的最終裝夾 由此可見 傳統(tǒng)加 工工藝方案不僅要求工藝設備 裝備 場地面積 人 員數(shù)量等數(shù)目大 而且零件裝夾效率低 對工人技術(shù) 水平要求也相對較高 1 2數(shù)控加工工藝分析 數(shù)控加工工藝是按工序集中原則設計的 所謂工 序集中指的是零件每道加工工序內(nèi)容多 工藝路線 短 要求的加工設備或夾具裝備具有較高的柔性 對 照工序分散原則的工藝設計方案 表1中工序1O至 工序3O所用機床設備和夾具裝備相同 可合并為一 道工序 記為工序I 分兩次裝夾 工序40是一 道獨立的工序 在拉床上完成加工 記為工序 工序50至工序80合并為一道工序 記為工序 這道工序需要設計程控氣動夾具來完成聯(lián)軸器零件的 裝夾 總體分析 在數(shù)控加工工序集中原則下 聯(lián)軸 器零件的整個加工工藝過程被劃分為3道工序 即工 序I為車削加工 工序 為拉削加工 工序 為銑鉆 削加工 2 多工序集中加工對機床與夾具的要求 2 1 多工序集中加工對數(shù)控機床的要求 現(xiàn)代數(shù)控加工是以較高柔性的數(shù)控機床為核心 要求機械零件加工工序集中 從而減少不必要的輔助 時間 可大大提高加工效率 降低工人勞動強度 通 過以上聯(lián)軸器零件加工工藝分析 其數(shù)控加工工序 包括銑 鉆 鉸 攻絲等多個工步和工位 若零件在 一次裝夾中完成多道工序的加工 必須采用四軸聯(lián)動 以上的高柔性數(shù)控機床設備 如FANUC 21i系統(tǒng)和 SIEMENS 840D系統(tǒng)數(shù)控機床等 但這樣高柔性化數(shù) 控設備價格昂貴 在加工具有一定批量的聯(lián)軸器零件 時 對于企業(yè)來說是一種技術(shù)浪費 這是由于高檔數(shù) 控機床只適合高精度 復雜多變的機械零件加工 2 2多工序集中加工對夾具的要求 企業(yè)現(xiàn)有若干臺中檔數(shù)控設備 如SIEMENS 802D 802S和FANUC 0i系統(tǒng)數(shù)控設備 但這些具有 較好柔性的數(shù)控設備不能解決多工序集中加工的零件 一次安裝問題 為此 文中提出程序控制氣動夾具裝 備設計方案 該方案中除了必要的定位元件設計 其 他元件可以考慮采用組合夾具元件 如圖2中除四工 位分度盤6 旋轉(zhuǎn)軸10以外其他夾具元件和組件都 可采用標準元件或組合夾具元件 從而降低了氣動夾 具的元組件制造成本 同時也有效地解決了聯(lián)軸器零 件加工對高成本數(shù)控機床的高柔性需求 由此可見 42 機床與液壓 第40卷 數(shù)控加工的柔性化著眼點主要在機床和工裝兩個方 面 而夾具又是工裝柔性化的重點 組合夾具就是柔 性夾具的代名詞 圖2中所設計的多工序氣動的很 多夾具零部件都可以采用組合夾具元件和其他標準元 件 這是該夾具柔性化特點之一 該夾具的另一個柔 性化特點就是采用了PLC程序自動控制和氣動定位 與夾緊 氣動夾具也滿足綠色夾具設計要求 1一夾具體2 24一支架3 銑削翻轉(zhuǎn)定位擋塊4一四工位驅(qū)動氣缸卜翻轉(zhuǎn)板6一四工位分度盤 卜半圓定位套8一聯(lián)軸器零件 9一定位板lO一旋轉(zhuǎn)軸l1一定位鍵l2一軸承13一分度齒輪14一插撥桿銷15 銷l6一鉆孔翻轉(zhuǎn)定位塊17一連接座18一四工位插 銷氣缸l9一翻轉(zhuǎn)驅(qū)動氣缸2o 翻轉(zhuǎn)圓齒輪2l一軸承座22一翻轉(zhuǎn)齒條23一鉆孔翻轉(zhuǎn)定位擋塊25一夾緊氣缸26一氣缸桿27一壓塊 圖2多工序氣動夾具結(jié)構(gòu)簡圖 3多工序氣動夾具設計 3 1 多工序氣動夾具結(jié)構(gòu)設計 夾具設計主要集中在安裝規(guī)劃 裝夾規(guī)劃 夾具 構(gòu)形設計和夾具性能評價4個方面 從20世紀70 年代以來 前蘇聯(lián)學者就開始了夾具的計算機輔助設 計 又稱計算機輔助夾具設計CAFD Computer Ai ded Fixture Design 雖在夾具本身的設計方面研究出 大量的成果 但在夾具如何融人到數(shù)控機床中 成為 其重要的程序控制執(zhí)行部件方面還尚需研究 工序集中原則下 聯(lián)軸器零件4個梅花形結(jié)構(gòu)爪 面及其上3 M10孔 圓柱面等多工序與4一 16多個 工位在數(shù)控加工中整合為一道工序 故這些工序必須 具有同樣的定位規(guī)劃 其定位基準選擇需滿足相同原 則 經(jīng)分析工序 需采用完全定位方式 其定位基準 應為 120端面 120圓柱面 640花鍵 組合 即可實現(xiàn)工序集中時零件一次裝夾完成多工序 包 括多個工步和多工位等 的加工 該夾具結(jié)構(gòu)如圖2 所示 在圖2所示位置 聯(lián)軸器零件8分別通過定位元 件7 9和11定位 其中定位元件7與其配合的V形 夾緊塊 圖2中未示 對聯(lián)軸器零件8的612o表面 見圖1 進行夾緊 此時氣缸18驅(qū)動推桿14插人 分度盤6的定位孔中 注 分度盤有4個均勻分布的 定位孔 確保零件8在數(shù)控銑床上的正確位置 該 位置可完成零件8工序 內(nèi)容 完成加工后 由翻轉(zhuǎn) 氣缸19驅(qū)動齒條22 齒輪2O帶動圖中元件4一l8順 時針翻轉(zhuǎn)90 翻轉(zhuǎn)后由氣缸25驅(qū)動氣缸桿26使壓 塊27夾緊零件 確保鉆孔穩(wěn)定 氣缸4和18通過 PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)4一 16四工位的順序控制工作 當4一 16工位轉(zhuǎn)位時 PLC控制氣缸25使壓塊27 松開 待轉(zhuǎn)到正確工位后 氣缸25驅(qū)動夾緊 直至 零件8在機床上完成孔加工后 所有氣缸動作復位返 回圖2所示位置 3 2 夾具氣動控制方案設計 根據(jù)夾具順序動作的要求 設計了一款由氣缸驅(qū) 動和齒輪齒條機構(gòu)控制的氣動控制回路 見圖3所示 圖3 多工序夾具氣動控制原理圖 4 多工序氣動夾具PLC控制程序設計 4 1 多工序氣動夾具順序動作流程 根據(jù)聯(lián)軸器零件加工工序集中時夾具順序動作要 求 該夾具的PLC程控流程見圖4所示 夾具從圖2 所示位置后 經(jīng)PLC控制進而完成翻轉(zhuǎn)和工位旋轉(zhuǎn) 等多工序裝夾動作 第l0期 張國政等 PLC控制的多工序氣動夾具設計 43 原 l 始化 M20 吉SBI l夾具翻轉(zhuǎn)卜 V4 l J 專SQ4 M21 l D缸夾緊 YV9 Yv4斷 鉆孔藿五jE M22 l D缸松開卜 oYV10 1 一 SQl0 M23 1 撥銷 土墨Q M24 l工位旋轉(zhuǎn) 亨SQ6 M25 l 插銷 SQ2 l D缸夾緊 YV5斷 鉆孔延時古SQ9 I D缸松開 SQ10 I 撥銷 守SQ1 I工位旋轉(zhuǎn) 害SQ7 l 插銷 主 J D缸夾緊 YV5斷 鉆孔延時 YVl YV5 YV2 YV9 YVl0 YVl YV5 YV2 YV9 D缸松開卜 oYV10 SQ10 撥銷卜 oYVI SQ1 工位旋轉(zhuǎn) YV5 王曼Q墨 插銷 YV2 SQ2 D缸夾緊 YV9 sQ9 YV5斷 鉆孔延時 D缸松開 oYV10 撥銷 工位反轉(zhuǎn) D缸松開 二 重量 I 夾具反轉(zhuǎn) 初始化原點 oYVl 26 oYV6 6斷 oYVl0 oYV2 27 oYV3 圖4多工序夾具PLC控制流程圖 4 2多工序氣動夾具I 0口的定義 根據(jù)柔性夾具的氣動控制動作過程 以西門子 S7 200PLC為控制系統(tǒng) 定義了相應的I O口 并對 相應的I O口進行注釋說明 見表2所示 4 3 SIEMENS S7 200PLC程序控制設計 根據(jù)氣動順序控制原理 在STEP7軟件中編制 PLC梯形圖 見圖5所示部分梯形圖 并通過PLC 成功調(diào)試 并自動生成PLC程序部分語句表如下 LD SM0 1 R SO 0 24 R Qo 1 7 Network 2 LD SM0 0 A I1 1 EU S Q1 0 1 Network 3 LD SMO 0 A I1 2 EU R Q1 0 1 Network 4 I1 1 SCRT S2 4 Network 80 SCRE Network 81 LSCR S2 4 Network 82 LD S2 4 R Qo 1 6 R S0 0 24 S M10 0 1 Network 83 LD M10 0 T0N T41 1 Network 84 LD T41 SCRT s0 1 R M10 0 1 Network 85 SCRE END ORGANIZATION BLOCK SUBR0UTINE BLOCK SBR o SBR0 表2 多工序氣動夾具I O口的定義與注釋 序號符號地址 注釋 序號符號地址 注釋 1 SB1 10 0 啟動按鈕 11 SQIO I1 0 四工位鉆孔D缸松開 2 SQ1 IO 1 撥銷到位信號 12 SP1 I1 1 欠壓信號 3 SQ2 IO 2 插削到位信號 13 Reset I1 2 復位 4 SQ3 10 3 夾具反轉(zhuǎn)到位信號 14 YV1 Qo 1 撥銷 5 SQ4 10 4 夾具翻轉(zhuǎn)到位信號 15 YV2 Qo 2 插銷 6 SQ5 10 5 工位初始位置 0 位 信號 16 YV3 Qo 3 夾具反轉(zhuǎn) 7 SQ6 10 6 工位I 旋轉(zhuǎn)90 位 位置信號 17 YV4 QO 4 夾具翻轉(zhuǎn) 8 SQ7 10 7 工位 旋轉(zhuǎn)90 位 位置信號 18 Yv5 Q0 5 工位旋轉(zhuǎn) 9 SQ8 10 8 工位 旋轉(zhuǎn)9O 位 位置信號 19 YV6 Qo 6 工位反轉(zhuǎn) 10 SQ9 10 9 四工位鉆孔D缸夾緊 20 ALM Q1 0 系統(tǒng)氣壓欠壓報警 44 機床與液壓 第40卷 圖5 多工位氣動夾具PLC程序控制部分梯形圖 5數(shù)控機床PLC程序控制開發(fā) 西門子數(shù)控系統(tǒng)具有開放式的PLC 它等同于 7 200PLC或300PLC 以上用S7 200編制的程序可 集成到SIEMENS 802D或802S等中檔數(shù)控系統(tǒng)中 實現(xiàn)用數(shù)控編程代碼來控制夾具的正確定位和順序夾 緊 但需定義系統(tǒng)的M功能指令 如控制流程圖4 所示的M20至M27指令 并相應改造機床電氣控制 系統(tǒng)和修改PLC程序梯形圖 可進一步實現(xiàn)程序控 制氣動夾具融入到數(shù)控機床中的柔性制造系統(tǒng) 雖然 目前國內(nèi)外都研制出開放式的數(shù)控系統(tǒng) 但基于技術(shù) 保護 其系統(tǒng)并不完全對企業(yè)用戶開放 因此 在開 發(fā)數(shù)控機床的輔助功能時就受到很大的限制 但數(shù) 控系統(tǒng)的PLC通常是開放式的 其開發(fā)途徑有兩種 一種是獨立型機床PLC 開發(fā)該PLC就如同文中編制 的控制程序 通過成功調(diào)試完全可以獨立控制使用 PLC接收處理數(shù)控系統(tǒng)的M指令時 通常用PROFI BUS總線來完成 由于系統(tǒng)為用戶提供一個PLC子程 序庫 利用子程序庫可以迅速地搭建用戶應用程序從 而實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制夾具 另一種是內(nèi)裝 嵌入式 PLC 該類型PLC與數(shù)控裝置共用CPU 其信息的處 理是通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部交換 但開發(fā)此種PLC必須要 弄清數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置參數(shù) 這就要求數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠 家開放其系統(tǒng)參數(shù) 以便拓展機床輔助 M 功能 6結(jié)束語 文中按工序分散和工序集中兩大原則 對聯(lián)軸器 零件傳統(tǒng)加工工藝方案和數(shù)控加工工藝方案進行分 析 根據(jù)數(shù)控機床加工工序集中的原則要求 為了提 高夾具的柔性 設計了翻轉(zhuǎn)式 多工位旋轉(zhuǎn)等多工序 夾具裝置 并以氣缸驅(qū)動和齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)順序控 制 以SIEMENS S7 200PLC編制程序控制該夾具正 確定位與順序夾緊模塊 為實現(xiàn)夾具融入到數(shù)控設備 中的柔性制造系統(tǒng)奠定基礎 文中所設計的夾具還能 適用于升級機傳動裝置的A型聯(lián)軸器 以及具有可 夾持圓柱部位的各種法蘭等零件 且夾具多采用組合 標準元件 具有一定的柔性 參考文獻 1 吳玉光 基于工序要求的夾具定位方案自動規(guī)劃方法 J 機械工程學報 2010 46 11 185 192 2 蔡瑾 組合夾具元件庫集成建模技術(shù)研究 D 天津 河 北工業(yè)大學 2009 3 司廣琚 鐘康民 增力自鎖型沖擊式氣動夾具設計與力 學計算 J 機械設計與研究 2008 24 1 96 99 4 融亦鳴 朱耀祥 羅振璧 計算機輔助夾具設計 M 北 京 機械工業(yè)出版社 2002 5 焦紅衛(wèi) SINUMERIC 802D數(shù)控系統(tǒng)在立式加工中心改 造中的應用 J 機床與液壓 201l 39 6 143 145 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 中國齒輪加工機床制造企業(yè)需求分析 t 得益于近年來汽車 風電 核電行業(yè)的拉動 汽車齒輪加工機床 大規(guī)格齒輪加工機床的需求增長 十分耀眼 隨著齒輪加工機床需求的增加 近年來涉及齒輪加工機床制造的企業(yè)也日益增多 眾所周 i知 齒輪是最基礎的機械傳動元件 量大面廣 而齒輪機床是機床工業(yè)公認技術(shù)含量最高 零部件最 多 結(jié)構(gòu)最復雜的產(chǎn)品之一 但一度我國齒輪機床行業(yè)處在一個十分尷尬的境地 過去我國機床生產(chǎn)企 十業(yè)在技術(shù)上相對落后 普遍缺乏自主創(chuàng)新能力及關鍵 核心技術(shù)支撐 其產(chǎn)品主要以生產(chǎn)低端產(chǎn)品為 j主 缺乏競爭力 在數(shù)控機床質(zhì)量的穩(wěn)定性 可靠性 耐用性上同國外先進產(chǎn)品相比存在明顯差距 但 i我國機床行業(yè)沒有停步 一直在努力中 雖有差距但市場的需求是勢不可擋的 無論是傳統(tǒng)的汽車 船舶 航空航天 軍工等行業(yè) 還是近年來新興的高鐵 鐵路 電子等行業(yè) 十都對機床工具行業(yè)的快速發(fā)展提出了緊迫需求 這就對齒輪加工機床制造商提出了新的要求 現(xiàn)在一些 j企業(yè)已經(jīng)應時而動 積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 不斷拓展產(chǎn)品應用領域 向熱門行業(yè)提供高速 高穩(wěn)定性 高 i精度的機床新品 滿足行業(yè)所需 各行業(yè)對于齒輪加工機床的需求是十分大的 企業(yè)只有抓住這些機會 才能更上一層樓 內(nèi)容來源 中國數(shù)控信息網(wǎng)