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摘 要：在传统的工装设计和使用过程中，产品的定位、夹紧、组装和防错等步骤均由工人的手工操作来完成，这不仅浪费大量的时间、也会大大增加工人的劳动强度、使生产效率难以有效提高。随着自动化生产时代的到来，人们对产品生产的效率要求越来越高，传统的工装显然成了进一步提高生产效率的关键瓶颈。因此，通过采用先进的自动控制技术对工装夹具进行设计和应用，对于提高生产率、保证产品质量、减少劳动强度有着重要的现实意义。
关键词：自动控制;工装夹具;生产效率
1自动控制技术概述
自动控制技术是指以控制论为理论基础，以控制设备为技术支撑，在无人干预的情况下，按预设的程序完成特定的控制任务的技术[]。自动控制技术是20世纪最具影响力的技术之一，目前已发展为一门具有完善理论基础的独立学科，在机械制造、军事装置、航空航天、通信网络、电子工艺、智能家电等领域有着极为广泛的应用。自动控制的基本原理是对被控制对象进行动态监测，并与预设值进行对比，将对比的偏差进行放大后，反馈至控制设备，最终使被控制对象保持在预期的变化范围之内。从形式上看，可以分为开环控制、闭环控制和复合控制三种形式。从1940年经典控制理论的出现算起，控制理论已经历了近80年的发展，逐步由经典控制理论向现代控制理论过渡，其中前者仍然对后者起着重要的理论支撑作用。
2工装设计及应用概述
工装是工艺装备的简称，它泛指生产线制造过程中所涉及到的辅助工具，常见的工装主要有刀具、夹具、模具、量具、检具、辅具等等[2]。尽管不同生产场合的工装在结构和功能上均有很大的差别，但从其设计原理的角度上看仍然可以总结出一般工装夹具的共性。以普通机床夹具为例，其工装夹具由定位装置、夹紧装置、安装元件、导向对刀元件、分度装置、夹具体等六大部分组成。其中定位装置使工件保持一个特定的位置上，避免受外力影响而移动;安装元件进一步确定工件的具体位置;导向对刀元件可以根据工艺要求对刀具的运动轨迹进行引导和控制，以完成工件的切削加工。
一般来说，工装夹具的设计应保证其定位的准确性和夹紧的可靠性，在使用过程中应快速方便，操作简单，减少不必要的调整时间，充分利用气动、液压等手段提高动作的效率，避免增加工人的劳动强度，提高劳动生产率[3]。总之，夹具设计必须遵守以下基本原则：（1）工件加工精度可控;（2）能有效提高生产效率;（3）具有较好的工艺性能;（4）保证良好的使用性能;（5）标准化和通用化设计;（6）成本可控。
3自动化工装设计的必要性分析
当前大部分制造企业均采用较先进的数控机床进行零件加工，但加工工艺较很难跟上数据机床控制技术的发展，使数控机床无法发挥出其最大的作用。以某型号的梁类零件铣切加工工艺为例，工艺加工的目标是对该零件的内外形面和缘条进行铣切整形，根据现有的工艺路线，需要采用常规固定铣切夹具进行六点压紧，压紧的实现方法是通过螺母和压板组合后由机械机构完成手工调整。在加工过程中，根据不同的工艺步骤，必须对夹具的夹紧位置进行多次调整，以适应数控机床的加工方位要求。
通过对上述的传统加工工艺进行分析不难发现，机床实际切削加工所占的时间仅为整个工艺过程的一半左右，其余时间均用于零件的位置调整和夹紧，在调整期间，机床不得不反复停车和启动，这不但不利于产品的质量控制，还会严重限制机床性能的发挥。究其根本原因，关键在于工装夹具的设计思路与数据机床的生产要求不相符合。数据机床已经可以实现生产自动化，然而相应的工装仍然保持着传统的手工调整和夹紧要求，这成为了阻碍自动化生产的关键这所在。因此，按照自动化生产的要求对传统工装进行改造或重新设计，是我国提高生产自动化水平、实现制造强国的必经之路。
4自动控制技术在工装设计的应用
工装夹具种类繁多、功能各异、结构也各不相同，很难对进行进行统一的分析和阐述，因此本文以前节所述的零件加工工装的设计应用为例，对自动控制技术的应用进行详细分析。
4.1总体设计方案
某型梁类零件铣切加工自动化工装主要由三大部分构成，分别为：
（1）机械部分。主要是各类机械部件，例如通用机械移动平台、油缸连接件、定位装置等等。
（2）傳统部分。考虑到梁类零件铣切需要较大的压力和动力，本文设计的工装传统部分采用液压传动方案，由动力提供机构、压力传导机构、液压调整机构和运动控制系统等部分组成。
（3）电气部分。电气部分主要负责整个自动化工装的电气控制，使电子部分和机械部分协调工作，共同完成工件的快速定位与夹紧。
4.2机械部分设计
机械部分是电气控制的实物载体，由于夹紧机构需要实现通用化设计，因此机械部分采用了通用机械平台和专用旋转油缸组件。通用机械平台的作用是为了适应不同尺寸和形状的工件固定，使各种工件均可在平台上方便地选出夹紧点，实现平台的通用化应用需求，避免不同的工件需要反复切换平台。工件需要在机械平台上完成定位，采用两个工艺孔上的圆柱销进行固定。考虑到夹紧点位置通常需要反复变换，因此夹紧油缸采用转接机构与通用平台相连，可以实现快速锁紧。
4.3传动部分设计
传动部分采用液压传动方案，可以实现工件的快速旋转夹紧和松开，准确地执行躲刀动作。液压传动保证了工件夹紧力足以抵抗外力的作用，保证工件位置的固定。控制油路可以满足液压夹紧装置的快速性要求，同时保证密封性能。旋转油缸作为液压传动部分中的关键执行元件，其内壁有一条螺旋状的导槽，活塞外圆有一个钢球，油缸腔充油时钢球沿导槽轨迹螺旋式运行，驱动活塞杆完成夹紧和松开动作。
4.4电气部分设计
电气部分是实现工装自动化的核心组成部分，它由触摸屏、PLC控制器、驱动放大器、时间信号控制器等部分构成，其中触摸屏上有启动、停止、夹紧、松开和自动编程等功能按钮，可实现相应的工艺动作，触摸屏上还可以实时显示工装的当前状态，以及工件加工情况，用户可以通过编程对加工工艺进行精确控制，也可以实现数据机床自动编程。整个电气部分由PLC作为主控制器，负责协调所有部件的动作组合，共同完成工艺加工过程。
上述自动化工装控制系统可实现高级语言编程，适用于米制、英制或混合尺寸编程，编制可以与加工同时进行。PLC控制器采用西门子SIMATIC S7-300软件及模块，可以实现机床坐标的连续控制以及主轴的启停控制，还能完成刀库换刀机械手、工作台托板交换、气液压、冷却和润滑等辅助功能，通过I/O控制实现各工序的有序进行，完成工装的自动化调整、夹紧与松开。
5结语
随着自动控制技术的发展，工装的设计与应用将与其有着更紧密的结合，为工装领域带来一次革命性进步。在自动控制技术的参与下，工件加工时间大大减小、装夹时间几乎被消除、实现全程加工无停车、加工质量有了质的飞跃、工人劳动强度大大下降。因此，自动控制技术在工装领域有着极其广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王松. 论工装夹具自动化设计与改进[J]. 中国科技博览， 2015（43）：268-268.
[2]蒋信芳. 数控铣床工装夹具设计内容与改进分析[J]. 科技视界， 2014（33）：247-247.
[3]何胜男. 考世美：工装自动化夹具元器件让生产更具效率[J]. 数控机床市场， 2015（3）：31-31.
作者简介：
薛超然（1983-）性别：男民族：汉.籍贯：山东省阳谷县学历：本科，就职山东省阳谷祥光铜业有限公司，职称：助理工程师。从事工作，铜冶炼设备管理。
关键词：自动控制;工装夹具;生产效率
1自动控制技术概述
自动控制技术是指以控制论为理论基础，以控制设备为技术支撑，在无人干预的情况下，按预设的程序完成特定的控制任务的技术[]。自动控制技术是20世纪最具影响力的技术之一，目前已发展为一门具有完善理论基础的独立学科，在机械制造、军事装置、航空航天、通信网络、电子工艺、智能家电等领域有着极为广泛的应用。自动控制的基本原理是对被控制对象进行动态监测，并与预设值进行对比，将对比的偏差进行放大后，反馈至控制设备，最终使被控制对象保持在预期的变化范围之内。从形式上看，可以分为开环控制、闭环控制和复合控制三种形式。从1940年经典控制理论的出现算起，控制理论已经历了近80年的发展，逐步由经典控制理论向现代控制理论过渡，其中前者仍然对后者起着重要的理论支撑作用。
2工装设计及应用概述
工装是工艺装备的简称，它泛指生产线制造过程中所涉及到的辅助工具，常见的工装主要有刀具、夹具、模具、量具、检具、辅具等等[2]。尽管不同生产场合的工装在结构和功能上均有很大的差别，但从其设计原理的角度上看仍然可以总结出一般工装夹具的共性。以普通机床夹具为例，其工装夹具由定位装置、夹紧装置、安装元件、导向对刀元件、分度装置、夹具体等六大部分组成。其中定位装置使工件保持一个特定的位置上，避免受外力影响而移动;安装元件进一步确定工件的具体位置;导向对刀元件可以根据工艺要求对刀具的运动轨迹进行引导和控制，以完成工件的切削加工。
一般来说，工装夹具的设计应保证其定位的准确性和夹紧的可靠性，在使用过程中应快速方便，操作简单，减少不必要的调整时间，充分利用气动、液压等手段提高动作的效率，避免增加工人的劳动强度，提高劳动生产率[3]。总之，夹具设计必须遵守以下基本原则：（1）工件加工精度可控;（2）能有效提高生产效率;（3）具有较好的工艺性能;（4）保证良好的使用性能;（5）标准化和通用化设计;（6）成本可控。
3自动化工装设计的必要性分析
当前大部分制造企业均采用较先进的数控机床进行零件加工，但加工工艺较很难跟上数据机床控制技术的发展，使数控机床无法发挥出其最大的作用。以某型号的梁类零件铣切加工工艺为例，工艺加工的目标是对该零件的内外形面和缘条进行铣切整形，根据现有的工艺路线，需要采用常规固定铣切夹具进行六点压紧，压紧的实现方法是通过螺母和压板组合后由机械机构完成手工调整。在加工过程中，根据不同的工艺步骤，必须对夹具的夹紧位置进行多次调整，以适应数控机床的加工方位要求。
通过对上述的传统加工工艺进行分析不难发现，机床实际切削加工所占的时间仅为整个工艺过程的一半左右，其余时间均用于零件的位置调整和夹紧，在调整期间，机床不得不反复停车和启动，这不但不利于产品的质量控制，还会严重限制机床性能的发挥。究其根本原因，关键在于工装夹具的设计思路与数据机床的生产要求不相符合。数据机床已经可以实现生产自动化，然而相应的工装仍然保持着传统的手工调整和夹紧要求，这成为了阻碍自动化生产的关键这所在。因此，按照自动化生产的要求对传统工装进行改造或重新设计，是我国提高生产自动化水平、实现制造强国的必经之路。
4自动控制技术在工装设计的应用
工装夹具种类繁多、功能各异、结构也各不相同，很难对进行进行统一的分析和阐述，因此本文以前节所述的零件加工工装的设计应用为例，对自动控制技术的应用进行详细分析。
4.1总体设计方案
某型梁类零件铣切加工自动化工装主要由三大部分构成，分别为：
（1）机械部分。主要是各类机械部件，例如通用机械移动平台、油缸连接件、定位装置等等。
（2）傳统部分。考虑到梁类零件铣切需要较大的压力和动力，本文设计的工装传统部分采用液压传动方案，由动力提供机构、压力传导机构、液压调整机构和运动控制系统等部分组成。
（3）电气部分。电气部分主要负责整个自动化工装的电气控制，使电子部分和机械部分协调工作，共同完成工件的快速定位与夹紧。
4.2机械部分设计
机械部分是电气控制的实物载体，由于夹紧机构需要实现通用化设计，因此机械部分采用了通用机械平台和专用旋转油缸组件。通用机械平台的作用是为了适应不同尺寸和形状的工件固定，使各种工件均可在平台上方便地选出夹紧点，实现平台的通用化应用需求，避免不同的工件需要反复切换平台。工件需要在机械平台上完成定位，采用两个工艺孔上的圆柱销进行固定。考虑到夹紧点位置通常需要反复变换，因此夹紧油缸采用转接机构与通用平台相连，可以实现快速锁紧。
4.3传动部分设计
传动部分采用液压传动方案，可以实现工件的快速旋转夹紧和松开，准确地执行躲刀动作。液压传动保证了工件夹紧力足以抵抗外力的作用，保证工件位置的固定。控制油路可以满足液压夹紧装置的快速性要求，同时保证密封性能。旋转油缸作为液压传动部分中的关键执行元件，其内壁有一条螺旋状的导槽，活塞外圆有一个钢球，油缸腔充油时钢球沿导槽轨迹螺旋式运行，驱动活塞杆完成夹紧和松开动作。
4.4电气部分设计
电气部分是实现工装自动化的核心组成部分，它由触摸屏、PLC控制器、驱动放大器、时间信号控制器等部分构成，其中触摸屏上有启动、停止、夹紧、松开和自动编程等功能按钮，可实现相应的工艺动作，触摸屏上还可以实时显示工装的当前状态，以及工件加工情况，用户可以通过编程对加工工艺进行精确控制，也可以实现数据机床自动编程。整个电气部分由PLC作为主控制器，负责协调所有部件的动作组合，共同完成工艺加工过程。
上述自动化工装控制系统可实现高级语言编程，适用于米制、英制或混合尺寸编程，编制可以与加工同时进行。PLC控制器采用西门子SIMATIC S7-300软件及模块，可以实现机床坐标的连续控制以及主轴的启停控制，还能完成刀库换刀机械手、工作台托板交换、气液压、冷却和润滑等辅助功能，通过I/O控制实现各工序的有序进行，完成工装的自动化调整、夹紧与松开。
5结语
随着自动控制技术的发展，工装的设计与应用将与其有着更紧密的结合，为工装领域带来一次革命性进步。在自动控制技术的参与下，工件加工时间大大减小、装夹时间几乎被消除、实现全程加工无停车、加工质量有了质的飞跃、工人劳动强度大大下降。因此，自动控制技术在工装领域有着极其广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王松. 论工装夹具自动化设计与改进[J]. 中国科技博览， 2015（43）：268-268.
[2]蒋信芳. 数控铣床工装夹具设计内容与改进分析[J]. 科技视界， 2014（33）：247-247.
[3]何胜男. 考世美：工装自动化夹具元器件让生产更具效率[J]. 数控机床市场， 2015（3）：31-31.
作者简介：
薛超然（1983-）性别：男民族：汉.籍贯：山东省阳谷县学历：本科，就职山东省阳谷祥光铜业有限公司，职称：助理工程师。从事工作，铜冶炼设备管理。