自動控制技術在工裝領域的應用

摘 要：在傳統的工裝設計和使用過程中，產品的定位、夾緊、組裝和防錯等步驟均由工人的手工操作來完成，這不僅浪費大量的時間、也會大大增加工人的勞動強度、使生產效率難以有效提高。隨著自動化生產時代的到來，人們對產品生產的效率要求越來越高，傳統的工裝顯然成了進一步提高生產效率的關鍵瓶頸。因此，通過采用先進的自動控制技術對工裝夾具進行設計和應用，對于提高生產率、保證產品質量、減少勞動強度有著重要的現實意義。

關鍵詞：自動控制;工裝夾具;生產效率

1自動控制技術概述

自動控制技術是指以控制論為理論基礎，以控制設備為技術支撐，在無人干預的情況下，按預設的程序完成特定的控制任務的技術[]。自動控制技術是20世紀最具影響力的技術之一，目前已發展為一門具有完善理論基礎的獨立學科，在機械制造、軍事裝置、航空航天、通信網絡、電子工藝、智能家電等領域有著極為廣泛的應用。自動控制的基本原理是對被控制對象進行動態監測，并與預設值進行對比，將對比的偏差進行放大后，反饋至控制設備，最終使被控制對象保持在預期的變化范圍之內。從形式上看，可以分為開環控制、閉環控制和復合控制三種形式。從1940年經典控制理論的出現算起，控制理論已經歷了近80年的發展，逐步由經典控制理論向現代控制理論過渡，其中前者仍然對后者起著重要的理論支撐作用。

2工裝設計及應用概述

工裝是工藝裝備的簡稱，它泛指生產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]。盡管不同生產場合的工裝在結構和功能上均有很大的差別，但從其設計原理的角度上看仍然可以總結出一般工裝夾具的共性。以普通機床夾具為例，其工裝夾具由定位裝置、夾緊裝置、安裝元件、導向對刀元件、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;安裝元件進一步確定工件的具體位置;導向對刀元件可以根據工藝要求對刀具的運動軌跡進行引導和控制，以完成工件的切削加工。

一般來說，工裝夾具的設計應保證其定位的準確性和夾緊的可靠性，在使用過程中應快速方便，操作簡單，減少不必要的調整時間，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度，提高勞動生產率[3]。總之，夾具設計必須遵守以下基本原則：（1）工件加工精度可控;（2）能有效提高生產效率;（3）具有較好的工藝性能;（4）保證良好的使用性能;（5）標準化和通用化設計;（6）成本可控。

3自動化工裝設計的必要性分析

當前大部分制造企業均采用較先進的數控機床進行零件加工，但加工工藝較很難跟上數據機床控制技術的發展，使數控機床無法發揮出其最大的作用。以某型號的梁類零件銑切加工工藝為例，工藝加工的目標是對該零件的內外形面和緣條進行銑切整形，根據現有的工藝路線，需要采用常規固定銑切夾具進行六點壓緊，壓緊的實現方法是通過螺母和壓板組合后由機械機構完成手工調整。在加工過程中，根據不同的工藝步驟，必須對夾具的夾緊位置進行多次調整，以適應數控機床的加工方位要求。

通過對上述的傳統加工工藝進行分析不難發現，機床實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整和夾緊，在調整期間，機床不得不反復停車和啟動，這不但不利于產品的質量控制，還會嚴重限制機床性能的發揮。究其根本原因，關鍵在于工裝夾具的設計思路與數據機床的生產要求不相符合。數據機床已經可以實現生產自動化，然而相應的工裝仍然保持著傳統的手工調整和夾緊要求，這成為了阻礙自動化生產的關鍵這所在。因此，按照自動化生產的要求對傳統工裝進行改造或重新設計，是我國提高生產自動化水平、實現制造強國的必經之路。

4自動控制技術在工裝設計的應用

工裝夾具種類繁多、功能各異、結構也各不相同，很難對進行進行統一的分析和闡述，因此本文以前節所述的零件加工工裝的設計應用為例，對自動控制技術的應用進行詳細分析。

4.1總體設計方案

某型梁類零件銑切加工自動化工裝主要由三大部分構成，分別為：

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

（2）傳統部分。考慮到梁類零件銑切需要較大的壓力和動力，本文設計的工裝傳統部分采用液壓傳動方案，由動力提供機構、壓力傳導機構、液壓調整機構和運動控制系統等部分組成。

（3）電氣部分。電氣部分主要負責整個自動化工裝的電氣控制，使電子部分和機械部分協調工作，共同完成工件的快速定位與夾緊。

4.2機械部分設計

機械部分是電氣控制的實物載體，由于夾緊機構需要實現通用化設計，因此機械部分采用了通用機械平臺和專用旋轉油缸組件。通用機械平臺的作用是為了適應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，實現平臺的通用化應用需求，避免不同的工件需要反復切換平臺。工件需要在機械平臺上完成定位，采用兩個工藝孔上的圓柱銷進行固定。考慮到夾緊點位置通常需要反復變換，因此夾緊油缸采用轉接機構與通用平臺相連，可以實現快速鎖緊。

4.3傳動部分設計

傳動部分采用液壓傳動方案，可以實現工件的快速旋轉夾緊和松開，準確地執行躲刀動作。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。控制油路可以滿足液壓夾緊裝置的快速性要求，同時保證密封性能。旋轉油缸作為液壓傳動部分中的關鍵執行元件，其內壁有一條螺旋狀的導槽，活塞外圓有一個鋼球，油缸腔充油時鋼球沿導槽軌跡螺旋式運行，驅動活塞桿完成夾緊和松開動作。

4.4電氣部分設計

電氣部分是實現工裝自動化的核心組成部分，它由觸摸屏、PLC控制器、驅動放大器、時間信號控制器等部分構成，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，可實現相應的工藝動作，觸摸屏上還可以實時顯示工裝的當前狀態，以及工件加工情況，用戶可以通過編程對加工工藝進行精確控制，也可以實現數據機床自動編程。整個電氣部分由PLC作為主控制器，負責協調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可實現高級語言編程，適用于米制、英制或混合尺寸編程，編制可以與加工同時進行。PLC控制器采用西門子SIMATIC S7-300軟件及模塊，可以實現機床坐標的連續控制以及主軸的啟停控制，還能完成刀庫換刀機械手、工作臺托板交換、氣液壓、冷卻和潤滑等輔助功能，通過I/O控制實現各工序的有序進行，完成工裝的自動化調整、夾緊與松開。

5結語

隨著自動控制技術的發展，工裝的設計與應用將與其有著更緊密的結合，為工裝領域帶來一次革命性進步。在自動控制技術的參與下，工件加工時間大大減小、裝夾時間幾乎被消除、實現全程加工無停車、加工質量有了質的飛躍、工人勞動強度大大下降。因此，自動控制技術在工裝領域有著極其廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]王松. 論工裝夾具自動化設計與改進[J]. 中國科技博覽， 2015（43）：268-268.

[2]蔣信芳. 數控銑床工裝夾具設計內容與改進分析[J]. 科技視界， 2014（33）：247-247.

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

作者簡介：

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