自動控制技術(shù)在工裝領(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要：在傳統(tǒng)的工裝設(shè)計(jì)和使用過程中，產(chǎn)品的定位、夾緊、組裝和防錯等步驟均由工人的手工操作來完成，這不僅浪費(fèi)大量的時間、也會大大增加工人的勞動強(qiáng)度、使生產(chǎn)效率難以有效提高。隨著自動化生產(chǎn)時代的到來，人們對產(chǎn)品生產(chǎn)的效率要求越來越高，傳統(tǒng)的工裝顯然成了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵瓶頸。因此，通過采用先進(jìn)的自動控制技術(shù)對工裝夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對于提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少勞動強(qiáng)度有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：自動控制;工裝夾具;生產(chǎn)效率

1自動控制技術(shù)概述

自動控制技術(shù)是指以控制論為理論基礎(chǔ)，以控制設(shè)備為技術(shù)支撐，在無人干預(yù)的情況下，按預(yù)設(shè)的程序完成特定的控制任務(wù)的技術(shù)[]。自動控制技術(shù)是20世紀(jì)最具影響力的技術(shù)之一，目前已發(fā)展為一門具有完善理論基礎(chǔ)的獨(dú)立學(xué)科，在機(jī)械制造、軍事裝置、航空航天、通信網(wǎng)絡(luò)、電子工藝、智能家電等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。自動控制的基本原理是對被控制對象進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，將對比的偏差進(jìn)行放大后，反饋至控制設(shè)備，最終使被控制對象保持在預(yù)期的變化范圍之內(nèi)。從形式上看，可以分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制三種形式。從1940年經(jīng)典控制理論的出現(xiàn)算起，控制理論已經(jīng)歷了近80年的發(fā)展，逐步由經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論過渡，其中前者仍然對后者起著重要的理論支撐作用。

2工裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用概述

工裝是工藝裝備的簡稱，它泛指生產(chǎn)線制造過程中所涉及到的輔助工具，常見的工裝主要有刀具、夾具、模具、量具、檢具、輔具等等[2]。盡管不同生產(chǎn)場合的工裝在結(jié)構(gòu)和功能上均有很大的差別，但從其設(shè)計(jì)原理的角度上看仍然可以總結(jié)出一般工裝夾具的共性。以普通機(jī)床夾具為例，其工裝夾具由定位裝置、夾緊裝置、安裝元件、導(dǎo)向?qū)Φ对?、分度裝置、夾具體等六大部分組成。其中定位裝置使工件保持一個特定的位置上，避免受外力影響而移動;安裝元件進(jìn)一步確定工件的具體位置;導(dǎo)向?qū)Φ对梢愿鶕?jù)工藝要求對刀具的運(yùn)動軌跡進(jìn)行引導(dǎo)和控制，以完成工件的切削加工。

一般來說，工裝夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其定位的準(zhǔn)確性和夾緊的可靠性，在使用過程中應(yīng)快速方便，操作簡單，減少不必要的調(diào)整時間，充分利用氣動、液壓等手段提高動作的效率，避免增加工人的勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率[3]?？傊瑠A具設(shè)計(jì)必須遵守以下基本原則：（1）工件加工精度可控;（2）能有效提高生產(chǎn)效率;（3）具有較好的工藝性能;（4）保證良好的使用性能;（5）標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì);（6）成本可控。

3自動化工裝設(shè)計(jì)的必要性分析

當(dāng)前大部分制造企業(yè)均采用較先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工，但加工工藝較很難跟上數(shù)據(jù)機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床無法發(fā)揮出其最大的作用。以某型號的梁類零件銑切加工工藝為例，工藝加工的目標(biāo)是對該零件的內(nèi)外形面和緣條進(jìn)行銑切整形，根據(jù)現(xiàn)有的工藝路線，需要采用常規(guī)固定銑切夾具進(jìn)行六點(diǎn)壓緊，壓緊的實(shí)現(xiàn)方法是通過螺母和壓板組合后由機(jī)械機(jī)構(gòu)完成手工調(diào)整。在加工過程中，根據(jù)不同的工藝步驟，必須對夾具的夾緊位置進(jìn)行多次調(diào)整，以適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的加工方位要求。

通過對上述的傳統(tǒng)加工工藝進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)床實(shí)際切削加工所占的時間僅為整個工藝過程的一半左右，其余時間均用于零件的位置調(diào)整和夾緊，在調(diào)整期間，機(jī)床不得不反復(fù)停車和啟動，這不但不利于產(chǎn)品的質(zhì)量控制，還會嚴(yán)重限制機(jī)床性能的發(fā)揮。究其根本原因，關(guān)鍵在于工裝夾具的設(shè)計(jì)思路與數(shù)據(jù)機(jī)床的生產(chǎn)要求不相符合。數(shù)據(jù)機(jī)床已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化，然而相應(yīng)的工裝仍然保持著傳統(tǒng)的手工調(diào)整和夾緊要求，這成為了阻礙自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵這所在。因此，按照自動化生產(chǎn)的要求對傳統(tǒng)工裝進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì)，是我國提高生產(chǎn)自動化水平、實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的必經(jīng)之路。

4自動控制技術(shù)在工裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用

工裝夾具種類繁多、功能各異、結(jié)構(gòu)也各不相同，很難對進(jìn)行進(jìn)行統(tǒng)一的分析和闡述，因此本文以前節(jié)所述的零件加工工裝的設(shè)計(jì)應(yīng)用為例，對自動控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1總體設(shè)計(jì)方案

某型梁類零件銑切加工自動化工裝主要由三大部分構(gòu)成，分別為：

（1）機(jī)械部分。主要是各類機(jī)械部件，例如通用機(jī)械移動平臺、油缸連接件、定位裝置等等。

（2）傳統(tǒng)部分?？紤]到梁類零件銑切需要較大的壓力和動力，本文設(shè)計(jì)的工裝傳統(tǒng)部分采用液壓傳動方案，由動力提供機(jī)構(gòu)、壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)、液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)等部分組成。

（3）電氣部分。電氣部分主要負(fù)責(zé)整個自動化工裝的電氣控制，使電子部分和機(jī)械部分協(xié)調(diào)工作，共同完成工件的快速定位與夾緊。

4.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分是電氣控制的實(shí)物載體，由于夾緊機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)，因此機(jī)械部分采用了通用機(jī)械平臺和專用旋轉(zhuǎn)油缸組件。通用機(jī)械平臺的作用是為了適應(yīng)不同尺寸和形狀的工件固定，使各種工件均可在平臺上方便地選出夾緊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平臺的通用化應(yīng)用需求，避免不同的工件需要反復(fù)切換平臺。工件需要在機(jī)械平臺上完成定位，采用兩個工藝孔上的圓柱銷進(jìn)行固定。考慮到夾緊點(diǎn)位置通常需要反復(fù)變換，因此夾緊油缸采用轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)與通用平臺相連，可以實(shí)現(xiàn)快速鎖緊。

4.3傳動部分設(shè)計(jì)

傳動部分采用液壓傳動方案，可以實(shí)現(xiàn)工件的快速旋轉(zhuǎn)夾緊和松開，準(zhǔn)確地執(zhí)行躲刀動作。液壓傳動保證了工件夾緊力足以抵抗外力的作用，保證工件位置的固定?？刂朴吐房梢詽M足液壓夾緊裝置的快速性要求，同時保證密封性能。旋轉(zhuǎn)油缸作為液壓傳動部分中的關(guān)鍵執(zhí)行元件，其內(nèi)壁有一條螺旋狀的導(dǎo)槽，活塞外圓有一個鋼球，油缸腔充油時鋼球沿導(dǎo)槽軌跡螺旋式運(yùn)行，驅(qū)動活塞桿完成夾緊和松開動作。

4.4電氣部分設(shè)計(jì)

電氣部分是實(shí)現(xiàn)工裝自動化的核心組成部分，它由觸摸屏、PLC控制器、驅(qū)動放大器、時間信號控制器等部分構(gòu)成，其中觸摸屏上有啟動、停止、夾緊、松開和自動編程等功能按鈕，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝動作，觸摸屏上還可以實(shí)時顯示工裝的當(dāng)前狀態(tài)，以及工件加工情況，用戶可以通過編程對加工工藝進(jìn)行精確控制，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)床自動編程。整個電氣部分由PLC作為主控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有部件的動作組合，共同完成工藝加工過程。

上述自動化工裝控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高級語言編程，適用于米制、英制或混合尺寸編程，編制可以與加工同時進(jìn)行。PLC控制器采用西門子SIMATIC S7-300軟件及模塊，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床坐標(biāo)的連續(xù)控制以及主軸的啟?？刂?，還能完成刀庫換刀機(jī)械手、工作臺托板交換、氣液壓、冷卻和潤滑等輔助功能，通過I/O控制實(shí)現(xiàn)各工序的有序進(jìn)行，完成工裝的自動化調(diào)整、夾緊與松開。

5結(jié)語

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用將與其有著更緊密的結(jié)合，為工裝領(lǐng)域帶來一次革命性進(jìn)步。在自動控制技術(shù)的參與下，工件加工時間大大減小、裝夾時間幾乎被消除、實(shí)現(xiàn)全程加工無停車、加工質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍、工人勞動強(qiáng)度大大下降。因此，自動控制技術(shù)在工裝領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]何勝男. 考世美：工裝自動化夾具元器件讓生產(chǎn)更具效率[J]. 數(shù)控機(jī)床市場， 2015（3）：31-31.

作者簡介：

薛超然（1983-）性別：男民族：漢.籍貫：山東省陽谷縣學(xué)歷：本科，就職山東省陽谷祥光銅業(yè)有限公司，職稱：助理工程師。從事工作，銅冶煉設(shè)備管理。