基于軟PLC控制的單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

丁厚永，孫立琴，于曉鵬

（大連豪森設(shè)備制造有限公司a.研發(fā)部；b.經(jīng)營部；c.機(jī)械設(shè)計(jì)部，遼守大連 116036）

基于軟PLC控制的單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

丁厚永a，孫立琴b，于曉鵬c

（大連豪森設(shè)備制造有限公司a.研發(fā)部；b.經(jīng)營部；c.機(jī)械設(shè)計(jì)部，遼守大連 116036）

針對(duì)傳統(tǒng)固定式夾緊定位機(jī)構(gòu)在對(duì)某些加工精度較差的工件進(jìn)行夾緊過程中，銷軸無法順利進(jìn)入定位孔的問題，以傳統(tǒng)的夾緊定位機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用新方法設(shè)計(jì)和制造了一種能夠在一定范圍內(nèi)改變定位銷軸位置的機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)于存在誤差的零部件的夾緊和定位。詳細(xì)分析了其結(jié)構(gòu)原理和工作過程，設(shè)計(jì)了基于PC的軟PLC的控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線和串口通訊實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，采用工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)向上位機(jī)的快速傳輸，實(shí)踐表明夾緊定位準(zhǔn)確，適應(yīng)能力強(qiáng)，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

軟PLC；浮動(dòng)；夾緊定位

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的種類和數(shù)量日益增多，汽車零部件裝配過程中的夾緊定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)也千變?nèi)f化，更新?lián)Q代的速度也越來越快，夾緊定位是汽車生產(chǎn)制造過程中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的夾緊定位機(jī)構(gòu)可以把復(fù)雜的加工程序變?yōu)楹?jiǎn)單化，在實(shí)施過程中取得良好的效果。汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，制造出高品質(zhì)的夾緊定位機(jī)構(gòu)，保證穩(wěn)定的定位一致性是制造出高品質(zhì)白車身的基本保障［1-3］。夾具的種類按使用特點(diǎn)可分為萬能通用夾具、專用性夾具、可調(diào)夾具和組合夾具，其作用是讓同一工序中的所有工件加工時(shí)按加工要求在夾具中占有一致的正確位置［4-6］。目前關(guān)于夾緊定位機(jī)構(gòu)的研究多集中在機(jī)械加工中工件的定位，帶浮動(dòng)裝置的定位夾緊機(jī)構(gòu)相對(duì)比較少，浮動(dòng)支撐定位裝置可根據(jù)工件毛坯具體尺寸而有效地調(diào)整支撐柱的位置，保證支撐柱與工件毛坯接觸，從而保證工件毛坯能被準(zhǔn)確夾緊定位及后工序的有效進(jìn)行［7-8］。

項(xiàng)目針對(duì)加工精度較差時(shí)（如毛坯件）夾緊定位困難的問題，設(shè)計(jì)了一種單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾緊定位穩(wěn)定可靠，可以用于加工精度和表面精度較差工件的夾緊定位的單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)。

1 單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理

單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括兩個(gè)夾爪，其中一個(gè)夾爪與傳統(tǒng)的夾緊定位機(jī)構(gòu)的夾爪的結(jié)構(gòu)相同，即其上設(shè)置有兩個(gè)固定的定位銷軸，另一個(gè)夾爪則可以根據(jù)工件的加工精度和表面精度進(jìn)行有針對(duì)性的浮動(dòng)，該可浮動(dòng)的夾爪上設(shè)置有軸，在軸的外端頭處設(shè)置有壓板，而軸的內(nèi)端則設(shè)置有臺(tái)階，在壓板和臺(tái)階之間的軸上套接有可軸向竄動(dòng)的縱向浮動(dòng)套，并且壓板和臺(tái)階之間的距離為H，縱向浮動(dòng)套的高度為h，H與h之間的差值為100～500μm，即縱向浮動(dòng)套的縱向浮動(dòng)距離為100～500μm。在縱向浮動(dòng)套外轉(zhuǎn)動(dòng)連接有轉(zhuǎn)板，在轉(zhuǎn)板上對(duì)稱地設(shè)置有兩個(gè)定位銷軸，與轉(zhuǎn)板相配的夾爪機(jī)架上對(duì)稱地設(shè)置有兩套調(diào)整機(jī)構(gòu)，每套調(diào)整機(jī)構(gòu)都與轉(zhuǎn)板一端相配，該調(diào)整機(jī)構(gòu)包括一個(gè)調(diào)整螺栓和一個(gè)球頭柱塞。

圖1 單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

其工作過程如下：夾緊定位機(jī)構(gòu)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手臂等）的作用下移至需抓取的工件處，并讓與傳統(tǒng)夾緊定位機(jī)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)的夾爪與工件上相配的定位孔對(duì)應(yīng)，而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的夾爪也與該工件上的其他定位孔相對(duì)應(yīng)，整個(gè)夾緊定位機(jī)構(gòu)靠近工件的過程中，由于定位銷軸的前端為錐狀，因此定位銷軸會(huì)插入工件上的定位孔中。如果定位孔的加工精度較差，則轉(zhuǎn)板會(huì)順著定位孔的位置發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，讓兩個(gè)定位銷軸能夠順利的、完全的進(jìn)入定位孔中，實(shí)現(xiàn)定位，定位夾緊工作完成后，兩個(gè)定位銷軸從定位孔中抽出，在復(fù)位彈簧的作用下轉(zhuǎn)板恢復(fù)到初始狀態(tài)。操作者可以根據(jù)所夾緊工件的加工精度的情況來調(diào)整轉(zhuǎn)板，可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍，即調(diào)整螺栓的端頭與轉(zhuǎn)板之間的距離。如果工件的表面精度較差，當(dāng)定位銷軸插入定位孔后，轉(zhuǎn)板與工件表面接觸后，縱向浮動(dòng)套會(huì)在軸上發(fā)生軸向竄動(dòng)，防止轉(zhuǎn)板與工件之間壓力過大造成工件或本裝置的損傷。夾緊工作完成后，轉(zhuǎn)板和縱向浮動(dòng)套在自重的作用下下落，恢復(fù)到初始位置。工作狀態(tài)示意圖如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)形式的單側(cè)浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)，針對(duì)傳統(tǒng)的固定式的夾緊定位機(jī)構(gòu)在對(duì)某些加工精度較差的工件進(jìn)行夾緊的過程中，其定位銷軸無法順利地進(jìn)入工件上的定位孔的問題，設(shè)計(jì)出一種能夠在一定范圍內(nèi)改變定位銷軸位置的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)于存在誤差的定位孔。同時(shí)還可以在與工件相垂直的方向上浮動(dòng)，以防止因工件表面精度較差而產(chǎn)生的工件與夾緊定位機(jī)構(gòu)之間的擠壓，保護(hù)工件和夾緊定位機(jī)構(gòu)。并且制作工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉，因此該機(jī)構(gòu)具備了諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在相關(guān)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，其市場(chǎng)前景十分廣闊。

圖2 夾緊定位機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)示意圖

2 基于軟PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟PLC也稱為軟邏輯，是指在PC機(jī)的平臺(tái)上面用軟件來虛擬一臺(tái)PLC，通過軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)以及編程等功能，同時(shí)通過I/O驅(qū)動(dòng)模塊以及現(xiàn)場(chǎng)總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的輸出。不僅可以打破傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品硬件體系結(jié)構(gòu)的封閉性和各傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品間互不兼容的局限性，還可以提高PLC的性價(jià)比，軟PLC技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，市場(chǎng)需求量也在不斷地增長［9-13］。軟PLC的控制架構(gòu)同傳統(tǒng)PLC的控制架構(gòu)不一樣，如圖3，圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)PLC的控制結(jié)構(gòu)

圖4 軟PLC的控制結(jié)構(gòu)

軟PLC直接基于PC開發(fā)，其數(shù)據(jù)傳輸速度，運(yùn)算速度都得到了很大的提高，人機(jī)交互也更加友好，操作起來更加方便。

控制器選擇西門子的PC677及其ET200SI/O模塊，主要完成以下動(dòng)作，如有工件需要進(jìn)行加工定位時(shí)，首先要移動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位，然后調(diào)整浮動(dòng)裝置，待加工完成之后抽出兩個(gè)定位銷，最后轉(zhuǎn)板回復(fù)到初始位置。采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊工作，將該控制系統(tǒng)并入整個(gè)控制環(huán)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)DCS控制。部分控制程序如圖5所示。

圖5 部分控制程序塊圖

夾緊定位是在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上應(yīng)用最多的工序之一，搭建的控制系統(tǒng)如圖6所示?？刂坪诵臑槲鏖T子的PC677，同時(shí)控制6個(gè)工位，通過通訊模塊，每個(gè)工位現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)PC477，主要用來對(duì)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警顯示，以及ET200SI/O模塊，RFID射頻識(shí)別裝置等。

圖6 控制系統(tǒng)原理

3 通訊與組態(tài)

以太網(wǎng)最初是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［14］。

項(xiàng)目的控制核心為PC677，通過8口網(wǎng)關(guān)保持各級(jí)系統(tǒng)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸，夾緊定位工序的所有數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給PC677，PC677通過以太網(wǎng)接入整個(gè)裝配線的控制環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)繼續(xù)上傳給數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，整個(gè)通信過程是雙向的，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，快速。具體通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式夾緊定位機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在與工件相垂直的方向上浮動(dòng)，防止因工件表面精度較差而產(chǎn)生的工件與夾緊定位機(jī)構(gòu)之間的擠壓，保護(hù)工件和夾緊定位機(jī)構(gòu)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)等多種通訊方式，搭建了以軟PLC為控制核心的控制系統(tǒng)，該控制結(jié)構(gòu)以PC為平臺(tái)，可以充分利用PC機(jī)的豐富資源，大大提高了數(shù)據(jù)的處理能力，人機(jī)交互功能得到了很大的改善。該機(jī)構(gòu)制作工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉，控制方法新穎，已成功應(yīng)用于多條發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的裝配工藝過程中，特別適合于在本領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

［1］吳錦文，羅燈遠(yuǎn)，曹偉，等.淺談汽車焊裝夾具定位一致性驗(yàn)證方法［A］.中國汽車工程學(xué)會(huì).2013中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集［C］.中國汽車工程學(xué)會(huì)，2013.

［2］焦麗麗，倪國林.基于知識(shí)的組合機(jī)床夾具可擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)件庫的開發(fā)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（12）：145-147.

［3］王素粉.基于自動(dòng)夾緊控制的減速箱端蓋與箱體結(jié)合面加工夾具的設(shè)計(jì)分析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（2）：141.

［4］蒙啟泳.基于PLC的自動(dòng)化夾具教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械工程師，2014（11）：118-120.

［5］馬洪新.拖拉機(jī)變速器裝配線上箱體的定位夾緊研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（5）：140-142.

［6］劉巍.談車工定位分析疑點(diǎn)［J］.民營科技，2014（8）：47.

［7］王才東，王立權(quán)，趙冬巖，等.變自由度螺栓夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2013，24（13）：1743-1748.

［8］卜洪冠.機(jī)械加工夾具浮動(dòng)支撐定位裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2014（7）：243.

［9］于恩超，杜瑩.對(duì)軟PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及前景展望［J］.科技風(fēng)，2014（13）：253.

［10］陳嬋娟，李龍.軟PLC開發(fā)系統(tǒng)指令表編輯模塊的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012（12）：224-226.

［11］代征宇，楊觀賜，李少波.軟PLC邏輯控制元件圖形化分析與實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（10）：74-76.

［12］劉威.軟PLC通信接口的控制研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（8）：52.

［13］馬遠(yuǎn)佳.一種集成組態(tài)的軟PLC控制系統(tǒng)的研究［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（3）：117-120.

［14］魏亞鵬，韓衛(wèi)光.實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（7）：49-53.

（編輯 趙蓉）

The Design of Clamping Positioning Equipment with Unilateral Floating Based on Soft PLC Control System

DING Hou-yonga，SUN Li-qinb，YU Xiao-pengc
（a.Research and Development Department；b.Business Department；c.Mechanical Design Department，Dalian Haosen Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116036，China）

A new clamping positioning pin shaft mechanismwith the function of position changing in a certain range was designed and manufactured on the basis of traditional fixture with a new method，which can adapt to the parts which exists error location and solve the positioning pin can′t smoothly into the positioning hole on some poor machining precision of workpiece clamping.Structure principle and working process was analyzed in detail and the soft PLC control system on the basis of PC was designed.The monitoring information of field devices was realized by profibus and the data was fast uploaded to the upper computer by the industrial Ethernet.Thepracticeshows that the clamping position was accurate，adaptable，stable and reliable control system was reliable.

softPLC；floating；clamping and position

TH132；TG65

A

1001-2265（2015）06-0140-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.038

2015-01-12

2015-03-23

遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)（201408001）

丁厚永（1975—），男，南京人，大連豪森設(shè)備制造有限公司工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)&變速箱裝備業(yè)中新設(shè)備、新技術(shù)應(yīng)用與建議企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，（E-mail）dinghouyong@haosen.com.cn。