PLC控制的多工序气动夹具设计

2012年5月 第4O卷第10期 机床与液压 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241000 2 安徽工程大学 安徽芜湖241000 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s7 200PLC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 PLC控制 多工序 气动夹具 中图分类号 TH122 文献标识码 B 文章编号 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 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 2011 05 03 基金项目 安徽高等学校省级自然科学研究资助项目 KJ2011B023 作者简介 张国政 1980一 男 博士研究生 讲师 主要从事数控加工技术及应用 CAFD技术等方面的教学与科研工 作 E mail zgzaust 163 COmo 第10期 张国政等 PLC控制的多工序气动夹具设计 41 该零件是以635孑L中心线为主的回转体零件 且有6 4 4o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 16孔 除此之外还有3 M10螺纹孔均匀分布在 60的等分 线上 另一端面为长10 mm的 12o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50和工序60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1O至 工序3O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40是一 道独立的工序 在拉床上完成加工 记为工序 工序50至工序80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FANUC 21i系统和 SIEMENS 840D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SIEMENS 802D 802S和FANUC 0i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10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 42 机床与液压 第40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PLC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 24一支架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lO一旋转轴l1一定位键l2一轴承13一分度齿轮14一插拨杆销15 销l6一钻孔翻转定位块17一连接座18一四工位插 销气缸l9一翻转驱动气缸2o 翻转圆齿轮2l一轴承座22一翻转齿条23一钻孔翻转定位挡块25一夹紧气缸26一气缸杆27一压块 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20世纪70 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CAFD Computer Ai ded Fixture Design 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 M10孔 圆柱面等多工序与4一 16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 120端面 120圆柱面 640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11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612o表面 见图1 进行夹紧 此时气缸18驱动推杆14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 内容 完成加工后 由翻转 气缸19驱动齿条22 齿轮2O带动图中元件4一l8顺 时针翻转90 翻转后由气缸25驱动气缸杆26使压 块27夹紧零件 确保钻孔稳定 气缸4和18通过 PLC控制程序实现4一 16四工位的顺序控制工作 当4一 16工位转位时 PLC控制气缸25使压块27 松开 待转到正确工位后 气缸25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PLC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PLC程控流程见图4所示 夹具从图2 所示位置后 经PLC控制进而完成翻转和工位旋转 等多工序装夹动作 第l0期 张国政等 PLC控制的多工序气动夹具设计 43 原 l 始化 M20 吉SBI l夹具翻转卜 V4 l J 专SQ4 M21 l D缸夹紧 YV9 Yv4断 钻孔藿五jE M22 l D缸松开卜 oYV10 1 一 SQl0 M23 1 拨销 土墨Q M24 l工位旋转 亨SQ6 M25 l 插销 SQ2 l D缸夹紧 YV5断 钻孔延时古SQ9 I D缸松开 SQ10 I 拨销 守SQ1 I工位旋转 害SQ7 l 插销 主 J D缸夹紧 YV5断 钻孔延时 YVl YV5 YV2 YV9 YVl0 YVl YV5 YV2 YV9 D缸松开卜 oYV10 SQ10 拨销卜 oYVI SQ1 工位旋转 YV5 王曼Q墨 插销 YV2 SQ2 D缸夹紧 YV9 sQ9 YV5断 钻孔延时 D缸松开 oYV10 拨销 工位反转 D缸松开 二 重量 I 夹具反转 初始化原点 oYVl 26 oYV6 6断 oYVl0 oYV2 27 oYV3 图4多工序夹具PLC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 S7 200PLC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 SIEMENS S7 200PLC程序控制设计 根据气动顺序控制原理 在STEP7软件中编制 PLC梯形图 见图5所示部分梯形图 并通过PLC 成功调试 并自动生成PLC程序部分语句表如下 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 SB1 10 0 启动按钮 11 SQIO I1 0 四工位钻孔D缸松开 2 SQ1 IO 1 拨销到位信号 12 SP1 I1 1 欠压信号 3 SQ2 IO 2 插削到位信号 13 Reset I1 2 复位 4 SQ3 10 3 夹具反转到位信号 14 YV1 Qo 1 拨销 5 SQ4 10 4 夹具翻转到位信号 15 YV2 Qo 2 插销 6 SQ5 10 5 工位初始位置 0 位 信号 16 YV3 Qo 3 夹具反转 7 SQ6 10 6 工位I 旋转90 位 位置信号 17 YV4 QO 4 夹具翻转 8 SQ7 10 7 工位 旋转90 位 位置信号 18 Yv5 Q0 5 工位旋转 9 SQ8 10 8 工位 旋转9O 位 位置信号 19 YV6 Qo 6 工位反转 10 SQ9 10 9 四工位钻孔D缸夹紧 20 ALM Q1 0 系统气压欠压报警 44 机床与液压 第40卷 图5 多工位气动夹具PLC程序控制部分梯形图 5数控机床PLC程序控制开发 西门子数控系统具有开放式的PLC 它等同于 7 200PLC或300PLC 以上用S7 200编制的程序可 集成到SIEMENS 802D或802S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M20至M27指令 并相应改造机床电气控制 系统和修改PLC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PLC通常是开放式的 其开发途径有两种 一种是独立型机床PLC 开发该PLC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 PLC接收处理数控系统的M指令时 通常用PROFI BUS总线来完成 由于系统为用户提供一个PLC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 PLC 该类型PLC与数控装置共用CPU 其信息的处 理是通过数控系统内部交换 但开发此种PLC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SIEMENS S7 200PLC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 2010 46 11 185 192 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 2009 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 2008 24 1 96 99 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 2002 5 焦红卫 SINUMERIC 802D数控系统在立式加工中心改 造中的应用 J 机床与液压 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