聯(lián)軸器零件是各種機(jī)械傳動(dòng)裝置中不可或缺的重要零部件，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中起到中間聯(lián)結(jié)作用，文中所述零件是某工程升降機(jī)中傳動(dòng)裝置的一種B型半聯(lián)軸器零件。

　　該零件是以35孔中心線為主的回轉(zhuǎn)體零件，且有6-40的花鍵；零件一個(gè)端面具有4個(gè)均勻分布的梅花形結(jié)構(gòu)爪，每個(gè)梅花結(jié)構(gòu)爪上有吊16孔，除此之外還有3·M10螺紋孔均勻分布在卿的等分線上；另一端面為長(zhǎng)10mm的Φ120圓柱；以及零件各處不同的倒角。總體分析，零件結(jié)構(gòu)形狀并不復(fù)雜，但梅花形結(jié)構(gòu)爪部分需要數(shù)控銑削加工，其他部位分別涉及到車(鏜)削、鉆削、鉸削和拉削等，可能涉及車、銑、鉆和拉4種型號(hào)機(jī)床，以及銑床和鉆床兩種專用夾具設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 聯(lián)軸器零件的加工工藝

　　1.1 傳統(tǒng)加工工藝分析

　　傳統(tǒng)加工工藝是按工序分散原則設(shè)計(jì)的。所謂工序分散指的是零件加工每道工序內(nèi)容少，甚至為一個(gè)工步或工位，其加工工藝路線長(zhǎng)。按照這樣的原則設(shè)計(jì)出的工藝方案，通常是解決大批量生產(chǎn)類型的工件加工問(wèn)題，其過(guò)程需要的機(jī)床設(shè)備、夾具裝備和人員等數(shù)量多。

　工藝是傳統(tǒng)加工方案，其工藝路線長(zhǎng)，機(jī)床設(shè)備和夾具裝備量多，同時(shí)生產(chǎn)場(chǎng)地面積大和操作人員多，這就是按工藝分散原則設(shè)計(jì)的工藝方案的缺陷。在夾具設(shè)計(jì)方面，由于設(shè)計(jì)零件某工序的夾具先要根據(jù)零件工序要求進(jìn)行零件的定位規(guī)劃。零件定位是實(shí)現(xiàn)工序要求中位置精度的根本措施，夾具定位方案規(guī)劃首先必須根據(jù)零件的具體工序要求獲取工件的定位基準(zhǔn)和應(yīng)約束的自由度信息，同時(shí)工序要求與定位基準(zhǔn)應(yīng)約束的自由度之間存在必然聯(lián)條。工序50和工序60需要求約束自由度為6個(gè)，而V口虎鉗只能約束零件的5個(gè)自由度，另一個(gè)自由度約束需要借助于百分表或劃針的找正方式來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)零件的最終裝夾。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)加工工藝方案不僅要求工藝設(shè)備、裝備、場(chǎng)地面積、人員數(shù)量等數(shù)目大，而且零件裝夾效率低，對(duì)工人技術(shù)水平要求也相對(duì)較高。

　　1.2 數(shù)控加工工藝分析

　　數(shù)控加工工藝是按工序集中原則設(shè)計(jì)的。所謂工序集中指的是零件每道加工工序內(nèi)容多，工藝路線短，要求的加丁設(shè)備或夾具裝備具有較高的柔性。對(duì)照工序分散原則的工藝設(shè)計(jì)方案，表1中工序10至工序30所用機(jī)床設(shè)備和央具裝備相同，可合并為一道工序(記為工序I)，分兩次裝夾；工序40是一道獨(dú)立的工序，在拉床上完成加工(記為工序Ⅱ)；工序50至工序80合并為一道工序(記為工序Ⅲ)，這道工序需要設(shè)計(jì)程控氣動(dòng)夾具來(lái)完成聯(lián)軸器零件的裝夾。總體分析，在數(shù)控加工工序集中原則下，聯(lián)軸器零件的整個(gè)加工工藝過(guò)程被劃分為3道工序，即工序1為車削加工，工序Ⅱ?yàn)槔骷庸ぃば颌鬄殂娿@削加工。

2 多工序集中加工對(duì)機(jī)床與夾具的要求

　　2.1 多工序集中加工對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求

　　現(xiàn)代數(shù)控加工是以較高柔性的數(shù)控機(jī)床為核心，要求機(jī)械零件加工工序集中，從而減少不必要的輔助時(shí)間，可大大提高加工效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)以上聯(lián)軸器零件加工工藝分析，其數(shù)控加工工序Ⅲ包括銑、鉆、鉸、攻絲等多個(gè)工步和工位，若零件在一次裝夾中完成多道工序的加工，必須采用四軸聯(lián)動(dòng)以上的高柔性數(shù)控機(jī)床設(shè)備，如FANUC 21i系統(tǒng)和SIEMENS 840D系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床等。但這樣高柔性化數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，在加工具有一定批量的聯(lián)軸器零件時(shí)，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)是一種技術(shù)浪費(fèi)，這是由于高檔數(shù)控機(jī)床只適合高精度、復(fù)雜多變的機(jī)械零件加工。

　　2.2 多工序集中加工對(duì)夾具的要求

　　企業(yè)現(xiàn)有若干臺(tái)中檔數(shù)控設(shè)備，如SIEMENS802D／802s和FANUC Oi系統(tǒng)數(shù)控設(shè)備，但這些具有較好柔性的數(shù)控設(shè)備不能解決多工序集中加工的零件一次安裝問(wèn)題。為此，文中提出程序控制氣動(dòng)夾具裝備設(shè)計(jì)方案，該方案中除了必要的定位元件設(shè)計(jì)，其他元件可以考慮采用組合夾具元件，如圖2中除四工位分度盤6、旋轉(zhuǎn)軸10以外其他夾具元件和組件都可采用標(biāo)準(zhǔn)元件或組合夾具元件，從而降低了氣動(dòng)夾具的元組件制造成本，同時(shí)也有效地解決了聯(lián)軸器零件加工對(duì)高成本數(shù)控機(jī)床的高柔性需求。由此可見(jiàn)．?dāng)?shù)控加工的柔性化著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，而夾具又是工裝柔性化的重點(diǎn)，組合夾具就是柔性?shī)A具的代名詞Ⅲ。圖2中所設(shè)計(jì)的多工序氣動(dòng)的很多夾具零部件都可以采用組合夾具元件和其他標(biāo)準(zhǔn)元件，這是該夾具柔性化特點(diǎn)之一；該夾具的另一個(gè)柔性化特點(diǎn)就是采用了PLC程序自動(dòng)控制和氣動(dòng)定位與夾緊，氣動(dòng)夾具也滿足綠色夾具設(shè)計(jì)要求。

3 多工序氣動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

　　3.1 多工序氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　夾具設(shè)計(jì)主要集中在安裝規(guī)劃、裝夾規(guī)劃、夾具構(gòu)形設(shè)計(jì)和夾具性能評(píng)價(jià)4個(gè)方面。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，前蘇聯(lián)學(xué)者就開(kāi)始了夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(又稱計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)CAFD，computer AidedFixture Desigll)，雖在夾具本身的設(shè)計(jì)方面研究出大量的成果，但在夾具如何融入到數(shù)控機(jī)床中，成為其重要的程序控制執(zhí)行部件方面還尚需研究。

　　工序集中原則下，聯(lián)軸器零件4個(gè)梅花形結(jié)構(gòu)爪面及其上3-M10孔、圓柱面等多工序與4-Φ16多個(gè)工位在數(shù)控加工中整合為一道工序，故這些工序必須具有同樣的定位規(guī)劃，其定位基準(zhǔn)選擇需滿足相同原則。經(jīng)分析工序Ⅲ需采用完全定位方式，其定位基準(zhǔn)應(yīng)為“Φ120端面+Φ120圓柱面+Φ40花鍵”組合。即可實(shí)現(xiàn)工序集中時(shí)零件一次裝夾完成多工序(包括多個(gè)工步和多工位等)的加工。該夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　在圖2所示位置，聯(lián)軸器零件8分別通過(guò)定位元件7、9和11定位，其中定位元件7與其配合的V形夾緊塊(圖2中未示)對(duì)聯(lián)軸器零件8的西120表面(見(jiàn)圖1)進(jìn)行夾緊，此時(shí)氣缸18驅(qū)動(dòng)推桿14插入分度盤6的定位孔中(注：分度盤有4個(gè)均勻分布的定位孔)，確保零件8在數(shù)控銑床上的正確位置，該位置可完成零件8工序Ⅲ內(nèi)容；完成加工后，由翻轉(zhuǎn)氣缸19驅(qū)動(dòng)齒條22、齒輪20帶動(dòng)圖中元件4-18順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)90。，翻轉(zhuǎn)后由氣缸25驅(qū)動(dòng)氣缸桿26使壓塊27夾緊零件，確保鉆孔穩(wěn)定；氣缸4和18通過(guò)PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)4-Φ16四工位的順序控制工作，當(dāng)4-Φ16工位轉(zhuǎn)位時(shí)，PLC控制氣缸25使壓塊27松開(kāi)，待轉(zhuǎn)到正確工位后，氣缸25驅(qū)動(dòng)夾緊，直至零件8在機(jī)床上完成孔加工后，所有氣缸動(dòng)作復(fù)位返回圖2所示位置。

　　3.2 夾具氣動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)夾具順序動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)了一款由氣缸驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)控制的氣動(dòng)控制回路。

4 多工序氣動(dòng)夾具PLC控制程序設(shè)計(jì)

　　4.1 多工序氣動(dòng)夾具順序動(dòng)作流程

　　根據(jù)聯(lián)軸器零件加工工序集中時(shí)夾具順序動(dòng)作要求，該夾具的PLC程控流程，經(jīng)PLC控制進(jìn)而完成翻轉(zhuǎn)和工位旋轉(zhuǎn)等多工序裝夾動(dòng)作。

　　4.2 多工序氣動(dòng)夾具I/O口的定義

　　根據(jù)柔性?shī)A具的氣動(dòng)控制動(dòng)作過(guò)程，以西門子S7-200PLc為控制系統(tǒng)，定義了相應(yīng)的I/O口，并對(duì)相應(yīng)的I/O口進(jìn)行注釋說(shuō)明，見(jiàn)表2所示。

　　4.3 SIEMENS S7-200PLC程序控制設(shè)計(jì)

　　根據(jù)氣動(dòng)順序控制原理，在STEP7軟件中編制PLC梯形圖，并通過(guò)PLC成功調(diào)試，并自動(dòng)生成PLc程序部分語(yǔ)句表如下：

5 數(shù)控機(jī)床PLC程序控制開(kāi)發(fā)

　　西門子數(shù)控系統(tǒng)具有開(kāi)放式的PLC，它等同于S7—200PLc或300PLc，以上用S7—200編制的程序可集成到SIEMENS 802D或802s等中檔數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)用數(shù)控編程代碼來(lái)控制夾具的正確定位和順序夾緊，但需定義系統(tǒng)的M功能指令，如控制流程圖4所示的M20至M27指令，并相應(yīng)改造機(jī)床電氣控制系統(tǒng)和修改PLC程序梯形圖，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序控制氣動(dòng)夾具融入到數(shù)控機(jī)床中的柔性制造系統(tǒng)。雖然目前國(guó)內(nèi)外都研制出開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)，但基于技術(shù)保護(hù)，其系統(tǒng)并不完全對(duì)企業(yè)用戶開(kāi)放，因此，在開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床的輔助功能時(shí)就受到很大的限制。但數(shù)控系統(tǒng)的PLC通常是開(kāi)放式的，其開(kāi)發(fā)途徑有兩種：

　　一種是獨(dú)立型機(jī)床PLC，開(kāi)發(fā)該P(yáng)LC就如同文中編制的控制程序，通過(guò)成功調(diào)試完全可以獨(dú)立控制使用，PLC接收處理數(shù)控系統(tǒng)的M指令時(shí)，通常用PROFI—BUS總線來(lái)完成，由于系統(tǒng)為用戶提供一個(gè)PLC子程序庫(kù)，利用子程序庫(kù)可以迅速地搭建用戶應(yīng)用程序從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制夾具；另一種是內(nèi)裝(嵌入式)PLC，該類型眥與數(shù)控裝置共用CPU，其信息的處理是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部交換，但開(kāi)發(fā)此種PLc必須要弄清數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置參數(shù)，這就要求數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家開(kāi)放其系統(tǒng)參數(shù)，以便拓展機(jī)床輔助(M)功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　文中按工序分散和工序集中兩大原則，對(duì)聯(lián)軸器零件傳統(tǒng)加工工藝方案和數(shù)控加工工藝方案進(jìn)行分析。根據(jù)數(shù)控機(jī)床加工工序集中的原則要求，為了提高夾具的柔性。設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)式、多工位旋轉(zhuǎn)等多工序夾具裝置，并以氣缸驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)順序控制，以SIEMENS S7-200PLC編制程序控制該夾具正確定位與順序夾緊模塊，為實(shí)現(xiàn)夾具融入到數(shù)控設(shè)備中的柔性制造系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。文中所設(shè)計(jì)的夾具還能適用于升級(jí)機(jī)傳動(dòng)裝置的A型聯(lián)軸器，以及具有可夾持圓柱部位的各種法蘭等零件，且?jiàn)A具多采用組合標(biāo)準(zhǔn)元件，具有一定的柔性。