CN111136485A - 一种柔性生产线液压夹具及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性生产线液压夹具及其控制方法，包括液压夹具本体，液压夹具本体包括夹具本体，夹具本体中心位置设置有夹具工件保持架，夹具工件保持架之间设置有夹具排屑排水口，夹具本体表面的四个角落设置有夹具本体油缸，所述的通过夹具本体油缸油路接口与外部油路连接，位于夹具本体上方夹具本体油缸下方设置有夹具气密检测装置，夹具本体油缸周围设置有夹具自清洁装置，液压夹具本体内部通过控制器控制。本发明具有改变传统液压夹具采用间接检测的方式，使用气密检测装置对夹具本体动作进行直接检测，方便机床使用的特点。
Description
技术领域
本发明涉及卧式加工中心及柔性制造系统组线机床智能化控制技术领域，特别涉及一种柔性生产线液压夹具及其控制方法。
背景技术
随着工业自动化发展的大趋势，各机械生产制造企业对机床的自动化智能化要求日益提高，如各类半自动、自动生产线在批量化的机加工制造业中已大量运用。其中使用行架机器人或移动式机械手进行物料调度运输的生产线在实现自动化生产时参与成线机床必须配置有具有可控制功能的液压夹具，以完成机床与运输系统间的交互动作。与此同时大量的半自动生产线也配置了液压夹具及相应的气密检测和夹具自清洁功能，用于保证加工的质量和连续运行的所产生的大量加工碎屑对后续加工的影响。液压夹具在卧式加工中心上大规模的配置和使用已成为当下的流行趋势。
传统手动装夹的夹具，对装夹的工艺方法要求较高，零件装夹过程中对工件和夹具的位置有着较严格的审核，装夹完成后需根据工件的位置进行工件零点的设定和工件坐标系的建立。由于其使用方法的限制，其对应的用时就会增加。
现在数控机床所配置的夹具大都采用人工手动装夹工件很少有配置带自动控制功能的液压夹具，即使配置带自动控制功能的液压夹具仅由PLC控制夹具的松开夹紧动作未能做到夹具本体与机床及控制系统间的集成协调。
传统液压夹具控制仅检测夹具本体液压油缸的执行液压压力状态，或配置磁环开关对液压油缸动作位置状态进行监控，是一个开环的控制方式或简单闭环控制方式，没有真正的与工件完全夹紧状态形成闭环，且配置磁环开关进行检测，涉及检测原件的防护及检测线缆的连接，严重影响液压夹具的快速换型，不适用于柔性生产线的使用。
传统液压夹具不配置夹具自清洁功能，配置于柔性制造系统的智能化无人值守持续生产时会发生铁削在夹具堆积现象，影响夹具的松开夹紧动作和夹具的正确夹持工件，最终影响柔性制造系统的可持续加工性能及工件加工一致性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性生产线液压夹具及其控制方法，具有改变传统液压夹具采用间接检测的方式，使用气密检测装置对夹具本体动作进行直接检测，方便机床使用的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种柔性生产线液压夹具，包括液压夹具本体，所述的液压夹具本体包括夹具本体4，所述的夹具本体4中心位置设置有夹具工件保持架5，所述的夹具工件保持架5之间设置有夹具排屑排水口6，夹具本体4表面的四个角落设置有夹具本体油缸1，所述的通过夹具本体油缸油路接口7与外部油路连接，位于夹具本体4上方夹具本体油缸1下方设置有夹具气密检测装置2，夹具本体油缸1周围设置有夹具自清洁装置3，液压夹具本体内部通过控制器控制。
所述的夹具本体4边缘位置设置有夹具工件辅助支撑点10。
所述的夹具本体4一侧设置有夹具本体油缸油路接口7。
所述的夹具排屑排水口6两两并排设置，夹具排屑排水口6为圆形镂空结构。
所述的夹具本体4两侧设置有夹具本体安装吊装支架9。
所述的夹具本体4安装于加工中心旋转工作台上的吊装操作，底部平行设置有两条夹具本体安装导轨8。
所述的夹具本体油缸1上设置有液压油路电磁阀，液压油路电磁阀通过控制器控制，夹具本体油缸油路接口7与夹具本体油缸1相连。
所述的夹具气密检测装置2上设置有气路电磁阀，气路电磁阀通过控制器控制。
所述的夹具气密检测装置2上设置有气密检测压力传感器，气密检测压力传感器的输出端连接气密检测接口模块，气密检测接口模块与控制器相连。
一种柔性生产线液压夹具的控制方法，包括以下步骤；
控制器接收到NC程序发出的夹具夹紧指令后通过NC指令数据区将指令传输给PLC，PLC通过PLC程序进行判断控制，将指令通过PROFIBUS总线传输至S7-300PLC接口模块和分布式I/O接口模块，其中S7-300PLC接口模块将指令再次传输至S7-300PLC数字量输出模块一，S7-300PLC数字量输出模块一将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具本体油缸1，输出压力液压油至夹具本体油缸油路接口7，最终控制夹具本体油缸1完成夹紧动作；与此同时，分布式I/O接口模块将指令再次传输至分布式I/O数字量输出模块，分布式I/O数字量输出模块将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具气密检测装置2，将气路电磁阀导通，输出压力空气至夹具气密检测装置2，最终与夹具本体油缸1完成同步动作；
夹具(夹具本体油缸1)夹紧动作开始时气密检测压力传感器即开始工作，检测气路压力值，并将检测状态传输给气密检测接口模块，气密检测接口模块将检测信号变为24V电信号通过电缆输入至分布式I/O接口模块，分布式I/O接口模块通过分布式I/O接口模块将信号编码为PROFIBUS总线数据，并传输至PLC，PLC程序进行实时检测判断并将此检测信号分路传输至NC-PLC数据交互区用于NC程序的实时双重检测；
NC控制器接收到NC程序发出的夹具自清洁启动指令后通过NC指令数据区将指令传输给PLC，PLC通过PLC程序进行判断控制，将指令通过PROFIBUS总线传输至S7-300PLC接口模块，S7-300PLC接口模块将指令再次传输至S7-300PLC数字量输出模块二，S7-300PLC数字量输出模块二将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具本体油缸1，液压油路电磁阀导通，输出压力清洁水至夹具自清洁装置3，最终完成夹具自清洁动作。
本发明的有益效果：
使用针对柔性生产线智能化加工用的液压夹具取代传统手动夹具可以满足柔性生产线无人值守自动化生产的使用要求，取代人工手动装夹工件，实现自动装夹提供硬件基础，配置多个专属定位面定位销以提高夹具的装夹一致性，最终提高机床加工的MTBF(加工一直性)值。配置气密检测装置为液压夹具夹紧动作实现直接全闭环控制提供硬件基础。在本体油缸附近配置夹具自清洁装置针对性的直接为本体油缸提供直接清洁以保持夹具油缸的动作可靠性及动作一致性，同时设计多个夹具本体排水排屑孔减少夹具本体的积水积屑现象。
本申请使用NC-PLC交互式控制技术，配置NC指令对液压夹具本体动作进行控制，且由数控系统实时监控各伺服轴及主轴状态，当且仅当机床各进给轴及主轴处于静止状态时夹具才能进行松开夹紧动作，同时当系统检测到夹具未处于完全夹紧状态时对所有进给轴及主轴由PLC进行轴移动禁止控制，绝对禁止NC向所有轴发出移动指令；并配置使用夹具气密检测装置与夹具本体形成直接检测的全闭环控制模式，满足在柔性生产线的无人值守加工的功能、工件加工质量一致性及安全需求。
配置使用气密检测装置由PLC程序实时检测夹具对工件的夹紧状态，并实现信号与PLC、数控系统的控制集成，若在加工过程中气密检测装置检测到工件未夹紧状态，则由PLC程序控制发出报警并中断NC程序执行，等待人为判定，以保证工件的加工质量一致性，大幅提高机床的使用可靠性满足了柔性生产线的使用功能及性能需求。
配置夹具自清洁功能，可由NC程序指令控制，可方便结合最终用户不同的切削工艺要求及时开启夹具自清洁功能对夹具堆积铁屑进行清洁，防止夹具铁屑堆积。同时在加工结束后结合由NC程序结合PLC控制开启最终夹具自清洁保证后续装夹时夹具本体的清洁。适用于解决柔性制造系统的智能化无人值守持续生产时会发生铁削在夹具堆积现象，和解决由于夹具铁削堆积产生的工件装夹一致性差问题，最终提升柔性制造系统的可持续加工性能及工件加工一致性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明控制结构示意图。
图3为夹具本体油缸动作控制流程示意图。
图4为夹具本体油缸动作NC-PLC交互控制流程图示意图。
图5为夹具本体油缸全闭环检测控制流程图示意图。
图6为夹具自清洁功能控制流程图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：用户工件放置于夹具工件保持架5上，夹具工件保持架5安装于夹具本体4中心位置，并配置多个夹具排屑排水口6防止积屑和排水；根据不同工件结构设置夹具工件辅助支撑点10，夹具工件辅助支撑点10用于保持工件在夹具上的安装姿态，夹具工件辅助支撑点10”安装于夹具本体4边缘位置；夹具本体油缸1安装于夹具本体4四个角落位置，通过安装于夹具本体4侧部位置的夹具本体油缸油路接口7与外部油路连接，夹具本体油缸油路接口7用于用户工件在液压夹具上的位置夹持固定；夹具气密检测装置2安装于夹具本体4上方，夹具本体油缸1下方，夹具气密检测装置2用于连接外部气路输出压力气体；夹具自清洁装置3安装于夹具本体4上，夹具本体油缸1周围，用于连接外部水路输出压力清洗液，保持夹具本体油缸1周围清洁；“9夹具本体安装吊装支架”安装于“4夹具本体”左右两侧面，用于夹具本体4安装于加工中心旋转工作台上的吊装操作，并使用配置于夹具本体4底面的前后两条夹具本体安装导轨8与加工中心旋转工作台连接固定。
如图2所示：一种柔性生产线液压夹具的控制方法，包括以下步骤；
步骤一
在自动模式下，当接收到液压夹具本体开启NC指令时，NC将指令地址位传输给PLC，PLC接收到指令位时首先通过NC系统读取各进给轴及主轴状态，判断各轴是否处于静止状态；若为静止状态则通过I/O输出模块开启电磁阀工作，通过接入到外部分布式I/O输出模块开启气密检测装置气路电磁阀，同时由PLC对所有进给轴及主轴进行轴移动禁止控制；此时NC程序和PLC程序同时检测夹具是否处于完全夹紧状态，若在设定时间内没有检测到接入到外部分布式I/O输入模块的气密检测装置发出的夹具夹具到位状态则PLC及NC程序同时发出报警，PLC控制切断输出点动作，NC程序终断禁止向下执行，PLC控制禁止NC程序再次启动。若在设定时间内检测到信号则NC程序继续向下执行进行切削加工，PLC进行全过程的夹紧到位监控；
步骤二
在加工过程中由PLC程序实时监控接入到外部分布式I/O输入模块的气密检测装置发出的工件未夹紧状态，若检测到工件未夹具则由PLC程序控制发出报警并中断NC程序执行，等待人为判定，以保证工件的加工质量一致性；
步骤三
夹具自清洁功能由NC程序或人为手动按钮指令控制，通过NC指令存储区或PLC输入模块将信号传输给PLC，PLC控制输出点动作最终控制夹具自清洁功能水路电磁阀动作，结合最终用户不同的切削工艺要求在加工程序中开启夹具自清洁功能，在切削量大时开启水路电磁阀自动对夹具堆积铁屑进行清洁，防止夹具铁屑堆积，在加工结束后结合由NC程序结合PLC控制开启夹具自清洁保证后续装夹时夹具本体的清洁，不影响后续工件装夹的一致性，从而在工件装夹方面保证工件加工的一致性。
如图3所示：基于西门子840D sl V4.7版本数控系统，在PLC程序中使用代码M320作为液压夹具的自动松开指令，同时使用代码M321作为液压夹具的自动夹紧指令。通过M代码的编辑使用，对控制油路的电磁阀进行开断控制，实现对夹具动作的控制。同理，手动操作时通过操作面板上的手动控制按钮，可以手动控制液压夹具的动作。在PLC程序之中，对手动夹具动作进行防触碰延时处理，在对应的地址DB中填入需要延时的时间(如：2S)，则只有在按住夹具松开按钮2秒后，电磁阀才会执行相应的动作。
为保证液压夹具动作的可靠性，在液压油路上安装压力检测元件，根据油路压力的大小，确认液压夹具是否处于夹紧状态。对夹具夹紧的三路油路进行压力检测(其对应地址分别为I69.0、I69.1和I69.2)。通过设定压力继电器的高压值(如：5MPa)和低压值(如：4.5MPa)给出一个检测范围，当压力值达到范围，发出一个信号给PLC，用于判断此油路控制的动作已完成夹紧。同时，由地址DB320.DBW6和DB320.DBW8分别设定夹具松开和夹紧的检测时间，在检测时间到达之后，若未检测到夹具动作到位，则发出报警。由于每台机床对应的夹具存在着差异，所以检测时间的长短不尽相同，可以根据实际需要，在相应的地址内填入需要的检测时间。
为保证加工过程的安全性，需考虑液压夹具未夹紧时，禁止进给轴运动的控制。避免在自动加工过程中，夹具未夹紧时机床动作，导致零件掉落等危险情况的发生。对所采集到的液压夹具夹紧信号I69.0、I69.1和I69.2进行处理，当夹紧到位后将信号输出到中间地址M321.1中(夹紧检测到位后M321.1的状态为“1”，反之为“0”)。将液压夹具的夹紧到位信号M321.1接入轴禁止DB21.DBX6.0中，并将“JOG”方式对应的地址串联接入，就可达到在自动加工过程中，液压夹具未夹紧情况下，机床各个进给轴禁止，不允许加工，同时又不影响到手动操作机床的效果。如图4所示。
夹具气密检测控制
为判断夹具是否对工件夹持到位，在液压夹具上配置气密检测装置，用于更加直观地判断装夹状态是否满足加工的要求。在夹具夹紧后，工件与气孔贴合，气密装置通过检测气路气压是否达到设定范围，判断夹具是否处于夹紧状态。在夹具执行夹紧动作之后，若零件装夹未满足要求，气密装置将会输送一个信号，程序中对其进行延时报警处理。若在设定时间到达后，状态值仍保持不变，则触发报警。以此增加液压夹具装夹的可靠性，避免由于装夹不到位造成零件加工不合格的情况发生。
手动方式下调试或者维修时产生报警，会影响机床的动作，此时将“JOG”方式接入，以实现手动方式下不触发报警的效果。气密检测的输入检测地址为I69.6，当机密检测未达到要求，装置输出信号“1”，若此时液压夹具处于夹紧动作，则会接通延时导通定时器T80。在所设时间6S之后，若气密装置仍未检测正常，则输出报警DB2.DBX206.3。
为了确保正常加工，对机床进行了功能互锁，将气密报警DB2.DBX206.3接入NC禁止DB21.DBX7.4，以实现当气密检测达不到要求，禁止程序启动的效果，最大限度地确保工件安装的合格性，减少次品率。如图5所示。
液压夹具自清洁
加工过程中产生的大量铁屑会堆积在夹具表面，从而影响夹具的动作，降低机床持续加工能力。为确保液压夹具气密检测的可靠性，在气检出气孔等重要贴合面附近加装喷淋水路，进行气检孔及夹具整体的自清洁，防止铁屑或铝屑对气检产生影响。在PLC程序之中，编辑喷淋的启用指令M327和停止指令M329，在加工过程中根据情况使用喷淋功能，对夹具进行自清洁。同时在全自动加工程序的程序开始和程序结束NC子程序中加入夹具自清洁指令，在全自动加工中自行完成自清洁功能，避免人为干预。如图6所示。
本申请使用NC-PLC交互式控制技术，配置NC指令对液压夹具本体动作进行控制，且由数控系统实时监控各伺服轴及主轴状态，当且仅当机床各进给轴及主轴处于静止状态时夹具才能进行松开夹紧动作，同时当系统检测到夹具未处于完全夹紧状态时对所有进给轴及主轴由PLC进行轴移动禁止控制，绝对禁止NC向所有轴发出移动指令；若在夹具完全松开状态下NC检测到各进给轴及主轴发生移动，则由PLC控制发出报警并禁止机床所有功能部件的任何动作，此时进行当人为排查是否出现工件装夹撞击现象，只有人为解除报警才后机床才可正常动作，这样才能满足在柔性生产线的无人值守加工的功能、工件加工质量一致性及安全需求。
本申请配置液压夹具气密检测装置，并与机床及数控系统形成集成控制满足柔性生产线的快速工件切换功能及安全需求。配置使用气密检测装置可实时检测夹具对工件的夹紧状态，并将信号传输至PLC用于与数控系统完成控制集成，在NC发出夹紧指令后指令经由NC指令数据区传输至PLC，PLC接收到指令后控制输出模块进行输出，控制液压电磁阀导通完成夹紧动作，此时PLC程序及NC程序同时对夹紧状态进行监控，若在设定时间内未检测到气密检测装置发出的工件完全夹紧状态则PLC及NC程序同时发出报警，NC程序终断禁止向下执行，PLC控制禁止NC程序再次启动；若在加工过程中气密检测装置检测到工件未夹紧状态，则由PLC程序控制发出报警并中断NC程序执行，等待人为判定，以保证工件的加工质量一致性。使用NC-PLC交互式控制方式及气密检测装置使液压夹具的控制及控制效果监控形成完全的直接闭环控制，大幅提高机床的使用可靠性满足了柔性生产线的使用功能及性能需求。
本申请配置夹具自清洁功能，可由NC程序指令控制，结合最终用户不同的切削工艺要求开启夹具自清洁功能，在切削量大时开启水路电磁阀，在压力水流作用下自动对夹具堆积铁屑进行清洁，防止夹具铁屑堆积。同时在加工结束后结合由NC程序结合PLC控制开启最终夹具自清洁保证后续装夹时夹具本体的清洁，不影响后续工件装夹的一致性，从而在工件装夹方面保证工件加工的一致性。
Claims (10)
1.一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，包括液压夹具本体，所述的液压夹具本体包括夹具本体(4)，所述的夹具本体(4)中心位置设置有夹具工件保持架(5)，所述的夹具工件保持架(5)之间设置有夹具排屑排水口(6)，夹具本体(4)表面的四个角落设置有夹具本体油缸(1)，所述的通过夹具本体油缸油路接口(7)与外部油路连接，位于夹具本体(4)上方夹具本体油缸(1)下方设置有夹具气密检测装置(2)，夹具本体油缸(1)周围设置有夹具自清洁装置(3)，液压夹具本体内部通过控制器控制。
2.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具本体(4)边缘位置设置有夹具工件辅助支撑点(10)。
3.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具本体(4)一侧设置有夹具本体油缸油路接口(7)。
4.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具排屑排水口(6)两两并排设置，夹具排屑排水口(6)为圆形镂空结构。
5.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具本体(4)两侧设置有夹具本体安装吊装支架(9)。
6.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具本体(4)安装于加工中心旋转工作台上的吊装操作，底部平行设置有两条夹具本体安装导轨(8)。
7.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具本体油缸(1)上设置有液压油路电磁阀，液压油路电磁阀通过控制器控制，夹具本体油缸油路接口(7)与夹具本体油缸(1)相连。
8.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具气密检测装置(2)上设置有气路电磁阀，气路电磁阀通过控制器控制。
9.根据权利要求1所述的一种柔性生产线液压夹具，其特征在于，所述的夹具气密检测装置(2)上设置有气密检测压力传感器，气密检测压力传感器的输出端连接气密检测接口模块，气密检测接口模块与控制器相连。
10.一种柔性生产线液压夹具的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
控制器接收到NC程序发出的夹具夹紧指令后通过NC指令数据区将指令传输给PLC，PLC通过PLC程序进行判断控制，将指令通过PROFIBUS总线传输至S7-300 PLC接口模块和分布式I/O接口模块，其中S7-300 PLC接口模块将指令再次传输至S7-300 PLC数字量输出模块一，S7-300 PLC数字量输出模块一将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具本体油缸(1)，输出压力液压油至夹具本体油缸油路接口(7)，最终控制夹具本体油缸(1)完成夹紧动作；与此同时，分布式I/O接口模块将指令再次传输至分布式I/O数字量输出模块，分布式I/O数字量输出模块将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具气密检测装置(2)，将气路电磁阀导通，输出压力空气至夹具气密检测装置(2)，最终与夹具本体油缸(1)完成同步动作；
夹具本体油缸(1)夹紧动作开始时气密检测压力传感器即开始工作，检测气路压力值，并将检测状态传输给气密检测接口模块，气密检测接口模块将检测信号变为24V电信号通过电缆输入至分布式I/O接口模块，分布式I/O接口模块通过分布式I/O接口模块将信号编码为PROFIBUS总线数据，并传输至PLC，PLC程序进行实时检测判断并将此检测信号分路传输至NC-PLC数据交互区用于NC程序的实时双重检测；
NC控制器接收到NC程序发出的夹具自清洁启动指令后通过NC指令数据区将指令传输给PLC，PLC通过PLC程序进行判断控制，将指令通过PROFIBUS总线传输至S7-300 PLC接口模块，S7-300 PLC接口模块将指令再次传输至S7-300 PLC数字量输出模块二，S7-300 PLC数字量输出模块二将控制指令转换为输出24V电压控制信号，并控制夹具本体油缸(1)，液压油路电磁阀导通，输出压力清洁水至夹具自清洁装置(3)，最终完成夹具自清洁动作。
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