基于PLC的管類鑄件打磨生產(chǎn)線通用液壓夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈毅松，孟廣耀，宋鈺，高志陽(yáng)

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

0 引言

近年來(lái)，鑄造廠正逐步使用機(jī)器人打磨系統(tǒng)取代人工完成鑄件的表面清理過(guò)程[1]。但由于工件的外形多種多樣，加工廠一般會(huì)為每種工件單獨(dú)設(shè)計(jì)夾具，這就導(dǎo)致夾緊裝置的適用性很低。精密鑄造企業(yè)引入機(jī)器人打磨系統(tǒng)是為了提高鑄件的表面質(zhì)量，若夾具的夾緊力設(shè)置不正確就會(huì)傷害到鑄件表面[2]。為了提高機(jī)器人打磨系統(tǒng)的適用性，保護(hù)鑄件表面質(zhì)量，需要對(duì)具有共同特征的鑄件研制一種通用夾具，以保證對(duì)此類工件的裝夾與定位。本文設(shè)計(jì)的夾具系統(tǒng)可以適用于大部分管類鑄件，并且可以較好地保護(hù)工件表面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊與放松動(dòng)作，配合機(jī)械臂打磨系統(tǒng)提高鑄件清理產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

1 工件分析與夾具夾緊方案

1.1 工件分析

本文針對(duì)的鑄件主要為非標(biāo)準(zhǔn)管狀類鑄件，此類鑄件具有外形復(fù)雜、易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、不易定位的特點(diǎn)，如圖1所示。通過(guò)分析管狀鑄件可知，若將工件長(zhǎng)度最大部位視為X方向，則鑄件最容易圍繞X軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。又因?yàn)橛嗪鄞蚰ゼ庸c(diǎn)主要集中于鑄件一側(cè)，打磨加工時(shí)砂輪產(chǎn)生的摩擦力和進(jìn)給作用力會(huì)使工件沿X方向和Y方向發(fā)生移動(dòng)或者圍繞X軸或Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)鑄件上延伸出許多分支部位，定位時(shí)需要考慮到定位元件與這些分支部位不能相互干涉，并且盡可能利用分支部位進(jìn)行定位。

圖1 管類鑄件分支部位及余痕加工點(diǎn)示意圖

1.2 夾具夾緊方案

根據(jù)六點(diǎn)定位原則，為了保證工件在打磨過(guò)程中位置不發(fā)生變動(dòng)，需要限制工件在三維空間中的6個(gè)自由度[3]，即：工件繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（X、（Y、（Z，以及沿X、Y、Z軸平移的自由度X→、Y→、Z→。在遵循用最少的定位元件限制盡可能多的自由度的原則下，首先考慮采用V形塊夾具配合轉(zhuǎn)角下壓油缸夾具對(duì)鑄件的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（Y、（Z及移動(dòng)自由度Y→、Z→進(jìn)行限制，如圖2（a）所示。對(duì)于鑄件沿X軸的移動(dòng)自由度X→，考慮采用定位油缸加限位板的組合進(jìn)行定位，如圖2（b）所示。對(duì)于工件轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（X的限制，考慮使用平面三點(diǎn)原則，利用工件的分支部位，在其下方使用一個(gè)浮動(dòng)油壓支撐缸，結(jié)合2個(gè)V形塊組成平面三點(diǎn)定位，配合一個(gè)轉(zhuǎn)角下壓油缸對(duì)工件繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行限制，如圖2（c）所示。

圖2 鑄件各自由度限制示意圖

經(jīng)過(guò)上述夾具夾緊方案設(shè)計(jì)，鑄件的自由度全部都被限制，實(shí)現(xiàn)了工件的完全定位。最終夾具組合如圖3所示。

圖3 夾具組合示意圖

1.3 滑動(dòng)軌道設(shè)計(jì)

考慮到管類鑄件的外形多樣，且打磨點(diǎn)分布位置各不相同，工件裝夾過(guò)程中夾具可能會(huì)對(duì)機(jī)械臂打磨加工點(diǎn)位產(chǎn)生干擾。因此需要針對(duì)夾具設(shè)計(jì)一種可滑動(dòng)軌道，使夾具可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，從而既不影響機(jī)械臂打磨加工過(guò)程，又不影響夾具的夾緊定位精度。有可能影響打磨加工的夾具有：轉(zhuǎn)角下壓油缸一、轉(zhuǎn)角下壓油缸二、轉(zhuǎn)角下壓油缸三、長(zhǎng)行程浮動(dòng)支撐缸。若以上夾具可以沿X軸進(jìn)行滑動(dòng)，就可以避開鑄件的打磨點(diǎn)，從而解決對(duì)機(jī)械臂產(chǎn)生干涉的問(wèn)題。安裝可滑動(dòng)軌道后，可以根據(jù)工件進(jìn)行裝夾位置調(diào)整，使得裝夾更穩(wěn)定合理。

在夾具平臺(tái)上設(shè)計(jì)滑軌槽，并添加油路通道，如圖4所示。夾緊工件前，制動(dòng)鉗滑軌常開，轉(zhuǎn)角下壓缸和長(zhǎng)行程浮動(dòng)支撐缸都可以在滑軌上沿X軸方向滑動(dòng)，從而調(diào)整到不影響打磨鑄件的最佳位置。當(dāng)位置確定后，制動(dòng)鉗滑軌油路在繼電器的控制下接通，撓性壓力板夾緊滑塊平臺(tái)，轉(zhuǎn)角下壓缸和浮動(dòng)支撐缸位置固定，開始對(duì)工件進(jìn)行夾緊步驟。

圖4 夾具平臺(tái)制動(dòng)鉗滑軌槽

1.4 夾具動(dòng)作設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)夾具的定位油缸與起夾緊作用的轉(zhuǎn)角下壓油缸的動(dòng)作順序具有特殊性：執(zhí)行工件夾緊時(shí)，首先執(zhí)行轉(zhuǎn)角下壓油缸一和轉(zhuǎn)角下壓油缸二的動(dòng)作，聯(lián)合兩個(gè)V形塊對(duì)工件進(jìn)行初步定位，待工件被2個(gè)轉(zhuǎn)角下壓油缸夾緊后將轉(zhuǎn)角下壓油缸的工作壓力卸至低壓，進(jìn)而執(zhí)行X向定位油缸的推出動(dòng)作，對(duì)工件X向進(jìn)行定位，待X向定位油缸動(dòng)作完畢，將X向定位油缸工作壓力卸至低壓，調(diào)整工件至水平位置后，浮動(dòng)支撐油缸動(dòng)作，支撐頭向上頂出直至碰到工件分支部位，立即停止上行并加壓至鎖死，此時(shí)轉(zhuǎn)角下壓油缸三動(dòng)作，待轉(zhuǎn)角下壓油缸三動(dòng)作完畢，轉(zhuǎn)角下壓油缸一、二和X向定位油缸重新獲得正常夾緊工作壓力，完成對(duì)工件的夾緊。按照此順序進(jìn)行夾緊動(dòng)作的目的在于方便調(diào)整工件水平角度的同時(shí)提高工件夾緊定位精度，避免先執(zhí)行轉(zhuǎn)角下壓油缸動(dòng)作后摩擦力過(guò)大，X向定位油缸繼續(xù)動(dòng)作造成工件表面劃傷導(dǎo)致無(wú)法正確定位。

加工完成后，轉(zhuǎn)角下壓油缸三首先撤回初始位置，隨后X向定位油缸頂桿縮回，轉(zhuǎn)角下壓油缸一、二撤回初始位置，待工件從夾具平臺(tái)上拿下后，浮動(dòng)支撐油缸支撐頭接觸鎖定并撤回初始位置。所有夾具回到初始位置后等待加工下一個(gè)工件。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 液壓回路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上油缸的動(dòng)作步驟對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]，如圖5所示。為使各個(gè)油缸夾具動(dòng)作順序符合設(shè)計(jì)需求并且工作壓力穩(wěn)定，將油缸進(jìn)油路分為四組：I1、I2、I3、I4。回油路則統(tǒng)一使用O路，如圖6所示。

圖5 整體液壓系統(tǒng)回路

圖6 各油缸回路

轉(zhuǎn)角下壓油缸一、二的下壓與退回由液壓閥組1控制，并增加液壓閥組2，液壓閥組2的引出管路并聯(lián)于液壓閥組1上的I1通道油路，當(dāng)液壓閥組2電磁線圈得電，I1通道的壓力油就會(huì)卸荷至液壓閥組2上的溢流閥調(diào)整壓力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角油缸一、二卸壓與加壓的動(dòng)作轉(zhuǎn)換。其他夾具的工作原理同上。

2.2 PLC設(shè)計(jì)與仿真

工件在進(jìn)行夾緊、放松動(dòng)作時(shí)，各個(gè)液壓閥組中電磁閥動(dòng)作通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)。各電磁閥得電順序如表1所示。

表1 液壓回路電磁閥得電順序表

經(jīng)過(guò)對(duì)加工過(guò)程的分析可知，輸入點(diǎn)有14個(gè)，輸出點(diǎn)有12個(gè)，根據(jù)零件加工工藝特性、控制要求及輸入輸出點(diǎn)情況，并且考慮日后擴(kuò)充功能的情況，預(yù)留出適當(dāng)?shù)挠嗔浚x定PLC型號(hào)為S7-200 SMART ST30，如圖7所示。其輸入點(diǎn)18個(gè)，輸出點(diǎn)12個(gè)，滿足方案要求。

圖7 S7-200 SMART ST30型PCL

在STEP7-Micro/WIN SMART軟件中對(duì)上述程序進(jìn)行編譯[5]，選擇其中的電磁鐵Y1a和電磁鐵Y2a進(jìn)行測(cè)試，并使用Micsig TO1000雙通道示波器觀察電磁閥的電壓曲線。將程序下載到PLC中后，觀察到電磁鐵Y1a和電磁鐵Y2a按照程序正常運(yùn)作，且示波器中的曲線穩(wěn)定，證明此液壓控制系統(tǒng)滿足需求。各實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 液壓控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

3 夾具平臺(tái)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)仿真

3.1 夾具平臺(tái)設(shè)計(jì)

夾具平臺(tái)主要承擔(dān)著承托液壓夾具、吸收加工振動(dòng)的作用，平臺(tái)表面長(zhǎng)期暴露在復(fù)雜環(huán)境中，需要具有較好的抵抗腐蝕、吸收振動(dòng)的能力[6]。為了保證磨削環(huán)境盡量整潔，夾具平臺(tái)上方只保留各液壓夾具和待加工工件，液壓夾具的進(jìn)油管穿過(guò)夾具平臺(tái)的油路通孔與下方的液壓系統(tǒng)集成箱相連。壓力繼電器、PLC控制器、電源、油箱、濾油器、蓄能器、膠管總成、壓力表、油位計(jì)、油溫計(jì)等元件都集成在夾具平臺(tái)下方的液壓系統(tǒng)集成箱中。此種設(shè)計(jì)把電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與執(zhí)行元件隔離開，既方便后期檢修與維護(hù)，又可以保證平臺(tái)上方加工環(huán)境的整潔。夾具平臺(tái)整體如圖9所示。

圖9 夾具平臺(tái)整體

3.2 有限元靜力學(xué)分析

查詢平面磨削的技術(shù)指標(biāo)可知，對(duì)于精密平面磨削機(jī)床，通常需要機(jī)床具有足夠的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度。機(jī)床或者加工平臺(tái)通常以灰鑄鐵作為基礎(chǔ)材料，該材料的振動(dòng)衰減性等特性較為優(yōu)秀，且強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能較強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)外機(jī)床中被大量運(yùn)用，技術(shù)較為成熟。因此本文夾具平臺(tái)材料選擇HT200灰鑄鐵。

利用三維繪圖軟件SolidWorks對(duì)夾具平臺(tái)進(jìn)行三維建模，并將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中[7]。夾具平臺(tái)的材料為HT200灰鑄鐵，將灰鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)導(dǎo)入到有限元分析模型中，并在有限元分析軟件界面的Engineering Data中輸入材料的力學(xué)性能參數(shù)，HT200灰鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 HT200灰鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)

結(jié)合模型的特點(diǎn)及尺寸大小，確定對(duì)夾具平臺(tái)模型采用Tetrahedrons四面體網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格方式。最終得到的單元總數(shù)為10 022，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為17 794，夾具平臺(tái)模型的有限元網(wǎng)格劃分模型示意圖如圖10所示。對(duì)夾具平臺(tái)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)需要對(duì)模型施加載荷及邊界條件。根據(jù)夾具平臺(tái)在加工過(guò)程中的受力情況，以磨具的最大法向磨削力作為載荷，垂直作用于夾具平臺(tái)平面上。平臺(tái)的4根立柱地面施加固定載荷。最終求解得到模型的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖，如圖11、圖12所示。

根據(jù)等效應(yīng)力云圖可知，夾具平臺(tái)在加工過(guò)程中受到外部最大載荷時(shí)，應(yīng)力主要集中在平臺(tái)的中間部位，此處最大應(yīng)力值為0.07 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度極限值，證明夾具平臺(tái)在正常作業(yè)時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。由總變形云圖可以看出，在恒定載荷的作用下，夾具平臺(tái)的最大位移量出現(xiàn)在中心無(wú)支撐柱部位，其余部位變形量較小，最大變形量為0.000 96 mm，此數(shù)據(jù)在變形量允許的范圍內(nèi)，故夾具平臺(tái)變形量符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 夾具平臺(tái)網(wǎng)格劃分

圖11 等效應(yīng)力云圖

圖12 總變形云圖

4 結(jié)論

針對(duì)機(jī)器人打磨系統(tǒng)在加工不同種類鑄件時(shí)需要更換相應(yīng)夾具的問(wèn)題，本文首先分析了管類鑄件的結(jié)構(gòu)特殊性，設(shè)計(jì)了一種專門針對(duì)管類鑄件的通用夾具。根據(jù)加工鑄件的極限尺寸，分別采用不同的液壓夾具相互配合對(duì)工件的6個(gè)自由度進(jìn)行限制。考慮到不同工件分支部位之間的差異，在轉(zhuǎn)角下壓油缸和浮動(dòng)支撐缸下方增加了可滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，使夾具適用范圍更廣泛。為避免夾具同時(shí)夾緊產(chǎn)生相互干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套特殊的夾具夾緊動(dòng)作，并通過(guò)PLC配合壓力繼電器實(shí)現(xiàn)夾具動(dòng)作順序的控制。最后對(duì)夾具平臺(tái)的各輔助設(shè)備進(jìn)行了整體布局，繪制了其三維模型，并對(duì)夾具平臺(tái)主體部分進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可靠性。