聯(lián)軸器零件是各種機械傳動裝置中不可或缺的重要零部件，在傳動機構(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中傳動裝置的一種B型半聯(lián)軸器零件，見圖1所示。

圖1 B型聯(lián)軸器零件工程圖及三維實體圖

　　該零件是以Φ35孔中心線為主的回轉(zhuǎn)體零件，且有6-Φ40的花鍵；零件一個端面具有4個均勻分布的梅花形結(jié)構(gòu)爪，每個梅花結(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10mm的Φ120圓柱；以及零件各處不同的倒角?？傮w分析，零件結(jié)構(gòu)形狀并不復雜，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種型號機床，以及銑床和鉆床兩種專用夾具設(shè)計問題。

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，甚至為一個工步或工位，其加工工藝路線長。按照這樣的原則設(shè)計出的工藝方案，通常是解決大批量生產(chǎn)類型的工件加工問題，其過程需要的機床設(shè)備、夾具裝備和人員等數(shù)量多，見表1所示。

　　表1中所示工藝是傳統(tǒng)加工方案，其工藝路線長，機床設(shè)備和夾具裝備量多，同時生產(chǎn)場地面積大和操作人員多，這就是按工藝分散原則設(shè)計的工藝方案的缺陷。在夾具設(shè)計方面，由于設(shè)計零件某工序的夾具先要根據(jù)零件工序要求進行零件的定位規(guī)劃。零件定位是實現(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和應約束的自由度信息，同時工序要求與定位基準應約束的自由度之間存在必然聯(lián)條“。如表1中工序50和工序60需要求約束自由度為6個，而V口虎鉗只能約束零件的5個自由度，另一個自由度約束需要借助于百分表或劃針的找正方式來完成，從而實現(xiàn)零件的最終裝夾。由此可見，傳統(tǒng)加工工藝方案不僅要求工藝設(shè)備、裝備、場地面積、人員數(shù)量等數(shù)目大，而且零件裝夾效率低，對工人技術(shù)水平要求也相對較高。

　　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。對照工序分散原則的工藝設(shè)計方案，表1中工序10至工序30所用機床設(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)計程控氣動夾具來完成聯(lián)軸器零件的裝夾?？傮w分析，在數(shù)控加工工序集中原則下，聯(lián)軸器零件的整個加工工藝過程被劃分為3道工序，即工序1為車削加工，工序Ⅱ為拉削加工，工序Ⅲ為銑鉆削加工。

2 多工序集中加工對機床與夾具的要求

　　2.1 多工序集中加工對數(shù)控機床的要求

　　現(xiàn)代數(shù)控加工是以較高柔性的數(shù)控機床為核心，要求機械零件加工工序集中，從而減少不必要的輔助時間，可大大提高加工效率，降低工人勞動強度。通過以上聯(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)動以上的高柔性數(shù)控機床設(shè)備，如FANUC 21i系統(tǒng)和SIEMENS 840D系統(tǒng)數(shù)控機床等。但這樣高柔性化數(shù)控設(shè)備價格昂貴，在加工具有一定批量的聯(lián)軸器零件時，對于企業(yè)來說是一種技術(shù)浪費，這是由于高檔數(shù)控機床只適合高精度、復雜多變的機械零件加工。

　　2.2 多工序集中加工對夾具的要求

　　企業(yè)現(xiàn)有若干臺中檔數(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題。為此，文中提出程序控制氣動夾具裝備設(shè)計方案，該方案中除了必要的定位元件設(shè)計，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準元件或組合夾具元件，從而降低了氣動夾具的元組件制造成本，同時也有效地解決了聯(lián)軸器零件加工對高成本數(shù)控機床的高柔性需求。由此可見．數(shù)控加工的柔性化著眼點主要在機床和工裝兩個方面，而夾具又是工裝柔性化的重點，組合夾具就是柔性夾具的代名詞Ⅲ。圖2中所設(shè)計的多工序氣動的很多夾具零部件都可以采用組合夾具元件和其他標準元件，這是該夾具柔性化特點之一；該夾具的另一個柔性化特點就是采用了PLC程序自動控制和氣動定位與夾緊，氣動夾具也滿足綠色夾具設(shè)計要求。

圖2多工序氣動夾具結(jié)構(gòu)簡圖

3 多工序氣動夾具設(shè)計

　　3.1 多工序氣動夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　夾具設(shè)計主要集中在安裝規(guī)劃、裝夾規(guī)劃、夾具構(gòu)形設(shè)計和夾具性能評價4個方面。從20世紀70年代以來，前蘇聯(lián)學者就開始了夾具的計算機輔助設(shè)計(又稱計算機輔助夾具設(shè)計CAFD，computer AidedFixture Desigll)，雖在夾具本身的設(shè)計方面研究出大量的成果，但在夾具如何融入到數(shù)控機床中，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，其定位基準應為“Φ120端面+Φ120圓柱面+Φ40花鍵”組合。即可實現(xiàn)工序集中時零件一次裝夾完成多工序(包括多個工步和多工位等)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)對聯(lián)軸器零件8的西120表面(見圖1)進行夾緊，此時氣缸18驅(qū)動推桿14插入分度盤6的定位孔中(注：分度盤有4個均勻分布的定位孔)，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)動齒條22、齒輪20帶動圖中元件4-18順時針翻轉(zhuǎn)90。，翻轉(zhuǎn)后由氣缸25驅(qū)動氣缸桿26使壓塊27夾緊零件，確保鉆孔穩(wěn)定；氣缸4和18通過PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)4-Φ16四工位的順序控制工作，當4-Φ16工位轉(zhuǎn)位時，PLC控制氣缸25使壓塊27松開，待轉(zhuǎn)到正確工位后，氣缸25驅(qū)動夾緊，直至零件8在機床上完成孔加工后，所有氣缸動作復位返回圖2所示位置。

　　3.2 夾具氣動控制方案設(shè)計

　　根據(jù)夾具順序動作的要求，設(shè)計了一款由氣缸驅(qū)動和齒輪齒條機構(gòu)控制的氣動控制回路，見圖3所示。

圖3多工序夾具氣動控制原理圖

4 多工序氣動夾具PLC控制程序設(shè)計

　　4.1 多工序氣動夾具順序動作流程

　　根據(jù)聯(lián)軸器零件加工工序集中時夾具順序動作要求，該夾具的PLC程控流程見圖4所示，夾具從圖2所示位置后，經(jīng)PLC控制進而完成翻轉(zhuǎn)和工位旋轉(zhuǎn)等多工序裝夾動作。

圖4多工序夾具PLc控制流程圖

　　4.2 多工序氣動夾具I/O口的定義

　　根據(jù)柔性夾具的氣動控制動作過程，以西門子S7-200PLc為控制系統(tǒng)，定義了相應的I/O口，并對相應的I/O口進行注釋說明，見表2所示。

　　4.3 SIEMENS S7-200PLC程序控制設(shè)計

　　根據(jù)氣動順序控制原理，在STEP7軟件中編制PLC梯形圖，并通過PLC成功調(diào)試，并自動生成PLC程序部分語句。

5 數(shù)控機床PLC程序控制開發(fā)

　　西門子數(shù)控系統(tǒng)具有開放式的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，實現(xiàn)用數(shù)控編程代碼來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，并相應改造機床電氣控制系統(tǒng)和修改PLC程序梯形圖，可進一步實現(xiàn)程序控制氣動夾具融入到數(shù)控機床中的柔性制造系統(tǒng)。雖然目前國內(nèi)外都研制出開放式的數(shù)控系統(tǒng)，但基于技術(shù)保護，其系統(tǒng)并不完全對企業(yè)用戶開放，因此，在開發(fā)數(shù)控機床的輔助功能時就受到很大的限制。但數(shù)控系統(tǒng)的PLC通常是開放式的，其開發(fā)途徑有兩種：

　　一種是獨立型機床PLC，開發(fā)該PLC就如同文中編制的控制程序，通過成功調(diào)試完全可以獨立控制使用，PLC接收處理數(shù)控系統(tǒng)的M指令時，通常用PROFI—BUS總線來完成，由于系統(tǒng)為用戶提供一個PLC子程序庫，利用子程序庫可以迅速地搭建用戶應用程序從而實現(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數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部交換，但開發(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)廠家開放其系統(tǒng)參數(shù)，以便拓展機床輔助(M)功能。

6 結(jié)束語

　　文中按工序分散和工序集中兩大原則，對聯(lián)軸器零件傳統(tǒng)加工工藝方案和數(shù)控加工工藝方案進行分析。根據(jù)數(shù)控機床加工工序集中的原則要求，為了提高夾具的柔性。設(shè)計了翻轉(zhuǎn)式、多工位旋轉(zhuǎn)等多工序夾具裝置，并以氣缸驅(qū)動和齒輪齒條機構(gòu)實現(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)計的夾具還能適用于升級機傳動裝置的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，且夾具多采用組合標準元件，具有一定的柔性。