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

沈毅松，孟廣耀，宋鈺，高志陽

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

0 引言

近年來，鑄造廠正逐步使用機器人打磨系統(tǒng)取代人工完成鑄件的表面清理過程[1]。但由于工件的外形多種多樣，加工廠一般會為每種工件單獨設(shè)計夾具，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)置不正確就會傷害到鑄件表面[2]。為了提高機器人打磨系統(tǒng)的適用性，保護鑄件表面質(zhì)量，需要對具有共同特征的鑄件研制一種通用夾具，以保證對此類工件的裝夾與定位。本文設(shè)計的夾具系統(tǒng)可以適用于大部分管類鑄件，并且可以較好地保護工件表面，同時實現(xiàn)自動夾緊與放松動作，配合機械臂打磨系統(tǒng)提高鑄件清理產(chǎn)線的自動化程度。

1 工件分析與夾具夾緊方案

1.1 工件分析

本文針對的鑄件主要為非標準管狀類鑄件，此類鑄件具有外形復(fù)雜、易發(fā)生轉(zhuǎn)動、不易定位的特點，如圖1所示。通過分析管狀鑄件可知，若將工件長度最大部位視為X方向，則鑄件最容易圍繞X軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。又因為余痕打磨加工點主要集中于鑄件一側(cè)，打磨加工時砂輪產(chǎn)生的摩擦力和進給作用力會使工件沿X方向和Y方向發(fā)生移動或者圍繞X軸或Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。同時鑄件上延伸出許多分支部位，定位時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行定位。

圖1 管類鑄件分支部位及余痕加工點示意圖

1.2 夾具夾緊方案

根據(jù)六點定位原則，為了保證工件在打磨過程中位置不發(fā)生變動，需要限制工件在三維空間中的6個自由度[3]，即：工件繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動自由度（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)角下壓油缸夾具對鑄件的轉(zhuǎn)動自由度（Y、（Z及移動自由度Y→、Z→進行限制，如圖2（a）所示。對于鑄件沿X軸的移動自由度X→，考慮采用定位油缸加限位板的組合進行定位，如圖2（b）所示。對于工件轉(zhuǎn)動自由度（X的限制，考慮使用平面三點原則，利用工件的分支部位，在其下方使用一個浮動油壓支撐缸，結(jié)合2個V形塊組成平面三點定位，配合一個轉(zhuǎn)角下壓油缸對工件繞X軸的轉(zhuǎn)動自由度進行限制，如圖2（c）所示。

圖2 鑄件各自由度限制示意圖

經(jīng)過上述夾具夾緊方案設(shè)計，鑄件的自由度全部都被限制，實現(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 滑動軌道設(shè)計

考慮到管類鑄件的外形多樣，且打磨點分布位置各不相同，工件裝夾過程中夾具可能會對機械臂打磨加工點位產(chǎn)生干擾。因此需要針對夾具設(shè)計一種可滑動軌道，使夾具可以在一定范圍內(nèi)進行移動，從而既不影響機械臂打磨加工過程，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、長行程浮動支撐缸。若以上夾具可以沿X軸進行滑動，就可以避開鑄件的打磨點，從而解決對機械臂產(chǎn)生干涉的問題。安裝可滑動軌道后，可以根據(jù)工件進行裝夾位置調(diào)整，使得裝夾更穩(wěn)定合理。

在夾具平臺上設(shè)計滑軌槽，并添加油路通道，如圖4所示。夾緊工件前，制動鉗滑軌常開，轉(zhuǎn)角下壓缸和長行程浮動支撐缸都可以在滑軌上沿X軸方向滑動，從而調(diào)整到不影響打磨鑄件的最佳位置。當位置確定后，制動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，轉(zhuǎn)角下壓缸和浮動支撐缸位置固定，開始對工件進行夾緊步驟。

圖4 夾具平臺制動鉗滑軌槽

1.4 夾具動作設(shè)計

本文所設(shè)計夾具的定位油缸與起夾緊作用的轉(zhuǎn)角下壓油缸的動作順序具有特殊性：執(zhí)行工件夾緊時，首先執(zhí)行轉(zhuǎn)角下壓油缸一和轉(zhuǎn)角下壓油缸二的動作，聯(lián)合兩個V形塊對工件進行初步定位，待工件被2個轉(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，進而執(zhí)行X向定位油缸的推出動作，對工件X向進行定位，待X向定位油缸動作完畢，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，浮動支撐油缸動作，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，此時轉(zhuǎn)角下壓油缸三動作，待轉(zhuǎn)角下壓油缸三動作完畢，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，完成對工件的夾緊。按照此順序進行夾緊動作的目的在于方便調(diào)整工件水平角度的同時提高工件夾緊定位精度，避免先執(zhí)行轉(zhuǎn)角下壓油缸動作后摩擦力過大，X向定位油缸繼續(xù)動作造成工件表面劃傷導(dǎo)致無法正確定位。

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，待工件從夾具平臺上拿下后，浮動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工件。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真

2.1 液壓回路設(shè)計

根據(jù)以上油缸的動作步驟對液壓系統(tǒng)進行設(shè)計[4]，如圖5所示。為使各個油缸夾具動作順序符合設(shè)計需求并且工作壓力穩(wěn)定，將油缸進油路分為四組：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，當液壓閥組2電磁線圈得電，I1通道的壓力油就會卸荷至液壓閥組2上的溢流閥調(diào)整壓力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)角油缸一、二卸壓與加壓的動作轉(zhuǎn)換。其他夾具的工作原理同上。

2.2 PLC設(shè)計與仿真

工件在進行夾緊、放松動作時，各個液壓閥組中電磁閥動作通過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)過對加工過程的分析可知，輸入點有14個，輸出點有12個，根據(jù)零件加工工藝特性、控制要求及輸入輸出點情況，并且考慮日后擴充功能的情況，預(yù)留出適當?shù)挠嗔浚x定PLC型號為S7-200 SMART ST30，如圖7所示。其輸入點18個，輸出點12個，滿足方案要求。

圖7 S7-200 SMART ST30型PCL

在STEP7-Micro/WIN SMART軟件中對上述程序進行編譯[5]，選擇其中的電磁鐵Y1a和電磁鐵Y2a進行測試，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。各實驗裝置如圖8所示。

圖8 液壓控制系統(tǒng)實驗裝置

3 夾具平臺設(shè)計及結(jié)構(gòu)仿真

3.1 夾具平臺設(shè)計

夾具平臺主要承擔著承托液壓夾具、吸收加工振動的作用，平臺表面長期暴露在復(fù)雜環(huán)境中，需要具有較好的抵抗腐蝕、吸收振動的能力[6]。為了保證磨削環(huán)境盡量整潔，夾具平臺上方只保留各液壓夾具和待加工工件，液壓夾具的進油管穿過夾具平臺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、油溫計等元件都集成在夾具平臺下方的液壓系統(tǒng)集成箱中。此種設(shè)計把電氣系統(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，又可以保證平臺上方加工環(huán)境的整潔。夾具平臺整體如圖9所示。

圖9 夾具平臺整體

3.2 有限元靜力學分析

查詢平面磨削的技術(shù)指標可知，對于精密平面磨削機床，通常需要機床具有足夠的靜態(tài)、動態(tài)剛度。機床或者加工平臺通常以灰鑄鐵作為基礎(chǔ)材料，該材料的振動衰減性等特性較為優(yōu)秀，且強度、耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能較強，在國內(nèi)外機床中被大量運用，技術(shù)較為成熟。因此本文夾具平臺材料選擇HT200灰鑄鐵。

利用三維繪圖軟件SolidWorks對夾具平臺進行三維建模，并將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中[7]。夾具平臺的材料為HT200灰鑄鐵，將灰鑄鐵的力學性能參數(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中輸入材料的力學性能參數(shù)，HT200灰鑄鐵的力學性能參數(shù)如表2所示。

表2 HT200灰鑄鐵的力學性能參數(shù)

結(jié)合模型的特點及尺寸大小，確定對夾具平臺模型采用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)點總數(shù)為17 794，夾具平臺模型的有限元網(wǎng)格劃分模型示意圖如圖10所示。對夾具平臺模型進行靜力學分析時需要對模型施加載荷及邊界條件。根據(jù)夾具平臺在加工過程中的受力情況，以磨具的最大法向磨削力作為載荷，垂直作用于夾具平臺平面上。平臺的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，夾具平臺在加工過程中受到外部最大載荷時，應(yīng)力主要集中在平臺的中間部位，此處最大應(yīng)力值為0.07 MPa，遠小于材料的抗拉強度極限值，證明夾具平臺在正常作業(yè)時滿足設(shè)計要求。由總變形云圖可以看出，在恒定載荷的作用下，夾具平臺的最大位移量出現(xiàn)在中心無支撐柱部位，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)，故夾具平臺變形量符合設(shè)計要求。

圖10 夾具平臺網(wǎng)格劃分

圖11 等效應(yīng)力云圖

圖12 總變形云圖

4 結(jié)論

針對機器人打磨系統(tǒng)在加工不同種類鑄件時需要更換相應(yīng)夾具的問題，本文首先分析了管類鑄件的結(jié)構(gòu)特殊性，設(shè)計了一種專門針對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工件的6個自由度進行限制。考慮到不同工件分支部位之間的差異，在轉(zhuǎn)角下壓油缸和浮動支撐缸下方增加了可滑動導(dǎo)軌設(shè)計，使夾具適用范圍更廣泛。為避免夾具同時夾緊產(chǎn)生相互干涉現(xiàn)象，設(shè)計了一套特殊的夾具夾緊動作，并通過PLC配合壓力繼電器實現(xiàn)夾具動作順序的控制。最后對夾具平臺的各輔助設(shè)備進行了整體布局，繪制了其三維模型，并對夾具平臺主體部分進行了有限元分析，驗證其結(jié)構(gòu)的可靠性。