1. 引言
机床工业是关系国民经济发展的支柱产业，是装备制造业的加工母机，几乎所有金属切削、成形过程均需借助机床实现 [1] ，专用机床是一种适用于某一工件和工件某一加工工序类型的机床，并且常常是自动化生产线和生产制造系统中必不可少的组成部分 [2] 。由于专用机床是根据特定需求“量身定制”的产品，具有针对性强和自动化程度高的优点，是特定工件大批量生产的理想装备 [3] 。Heeyoung Maeng等 [4] 针对平面多孔零件加工，设计了具有多主轴头的主传动系统及立柱导向进给机构，提高了专用机床的适应性和加工精度。Wenqin Xu等 [5] 提出一种针对压缩机活塞加工的专用机床设计方法，有效提高了加工质量和加工效率。Yun Zhang等 [6] 研究设计了四种机床的控制系统，实现了专用机床相同传动机构控制的自由切换。
离合器是传动系统里重要的元部件，在工作机的启停、换向及变速等方面起着重要的作用 [7] 。它广泛应用于航空航天、汽车、机床、包装、印刷、纺织、轻工及家用设备等领域 [8] [9] [10] 。离合器外圈是离合器的重要零部件，它通过螺栓固定在离合器中。随着“中国制造2025”的提出，离合器外圈的需求量也在不断上升，因此，迫切的需要提高离合器外圈的钻孔效率 [11] 。通过调研发现，国内大多数企业对于离合器外圈的钻孔都采用人工操作机械设备进行实现，这种生产方式比较依赖操作工人的生产经验，生产效率低下，而且质量也难以得到有效的保证，难以满足各领域日益增长的需求 [12] 。
为了提高离合器外圈的钻孔效率和生产品质，本文利用Solidworks设计了一款多工位的离合器外圈自动钻孔装备。该装备以九工位的转盘组件为核心机械结构，利用减速电机带动凸轮分割器进行间歇运动，并通过传感器控制间歇时间，从而实现多工位的同时工作，通过PLC控制气动系统及电机系统完成离合器外圈的上料、钻孔及倒角等工序。各工位可以通过替换不同规格的零部件并调整相关参数，能够实现不同规格产品的切换。经实验验证，该装备生产效率高，使用维护方便，能够满足企业的实际生产需求。
2. 多工位离合器外圈钻孔装备的总体方案设计
2.1. 离合器外圈钻孔工艺分析
在对离合器外圈进行钻孔时，共计需要进行六个孔的加工。需要加工的三个φ6孔均匀分布在与产品同心的φ67.88的圆上，另外三个φ3.2孔均匀分布在与产品同心的φ51的圆上，相邻的两孔之间的角度为60度，如图1所示。
Figure 1. Punching process diagram of clutch outer ring
图1. 离合器外圈钻孔工艺图
2.2. 多工位离合器外圈钻孔装备的总体方案
为了提高离合器外圈的钻孔效率和自动化水平，多工位离合器外圈钻孔装备通过自动上料装置、转盘组件和自动下料装置来解决离合器外圈钻孔的主要问题，该装备的总体方案如图2所示。
离合器外圈钻孔装备在工作时，首先由气缸带动推杆将料仓内的产品推至自动上料传送带并将其传送至上料工位，然后由上料机械手将产品夹抓至转盘上，并依次进入钻孔工位，待六个孔加工完成后，进入两个倒角工位，完成上倒角和下倒角之后，由下料机械手将产品夹抓至下料传送带上传送离开。自动钻孔装备上的各个工位同时独立工作，互不干扰。
Figure 2. General drawing of clutch outer ring drilling equipment
图2. 离合器外圈钻孔装备总体图
3. 多工位离合器外圈钻孔装备的机械结构设计
多工位离合器外圈钻孔装备由自动上料装置、转盘组件以及自动下料装置组成。
3.1. 自动上料装置
在设计中，自动上料装置主要由料仓、传送带以及上料机械手组成，该模块动作流程如下：推料气缸安装在气缸安装板上，气缸的推杆通过螺栓与推板连接，推板通过螺栓与滑块相连，滑块安装在导轨上，气缸通过推杆带动推板进而带动滑块，然后将推料箱内的产品推至传送带上，然后由传送带电机带动传送带将产品运送至待抓取区。上料机械手进行抓取时，电机通过转动带动横向丝杠转动从而带动横向滑块的移动，从而实现上料机械手在水平方向的运动，通过纵向气缸带动推杆的伸缩，可以实现上料机械手在竖直方向的运动，通过三爪气缸的气动控制，可以实现产品的抓取，通过伺服电机的控制，可以实现三爪气缸的旋转，从而将产品抓取加工工位上。各机械机构如图3~6所示。
1-料仓；2-传送带；3-上料机械手。
Figure 3. Structure diagram of automatic feeding device
图3. 自动上料装置结构图
1-推料气缸；2-推杆；3-推料箱；4-传送带；5-滑块安装板；6-滑块；7-推料板；8-传送带电机。
Figure 4. Structure diagram of silo and conveyor belt
图4. 料仓及传送带结构图
1-横向导轨；2-横向滑块；3-纵向导轨；4-纵向气缸；5-伺服电机；6-纵向滑块；7-三爪气缸。
Figure 5. Structural drawing of loading manipulator
图5. 上料机械手结构图
1-产品；2-三爪；3-气动卡盘；4-三爪安装块。
Figure 6. Processing station diagram
图6. 加工工位图
3.2. 转盘组件
完成上料后，机械手将产品抓取至加工工位上，加工工位通过螺栓固定在转盘上，转盘主要由圆盘、各加工工位以及气度分管组成，PLC通过控制气压阀从而控制气度分管将气体输送至各个加工工位，从而实现产品的夹紧。转盘如图7所示。
转盘安装在以凸轮分割器为核心的转盘组件上，转盘组件主要由减速电机、凸轮分割器以及传感器组成，在转盘组件中，PLC通过控制减速电机转动从而带动凸轮分割器进行间歇运动，实现转盘及各个工位的转动，PLC通过检测传感器的通断信号，再利用PLC内部的定时器从而实现凸轮分割器的间歇时间，从而确定加工工位的加工时间。转盘组件如图8所示。
1-转盘；2-气度分管；3-加工工位。
Figure 7. Turntable diagram
图7. 转盘图
1-减速电机；2-凸轮分割器；3-传感器。
Figure 8. Rotary table assembly drawing
图8. 转盘组件图
3.3. 钻孔工位
在本产品中共计需要打六个孔，如图9所示，其中孔1、2、3为孔径6 mm的大孔，孔4、5、6为孔径3.2 mm的小孔。
钻孔装备分为大孔钻孔装备和小孔钻孔装备，两者在结构上相同，仅在钻头尺寸上有所差异，钻孔装备如图10所示。
Figure 9. Schematic diagram of six holes
图9. 六孔位示意图
1-X轴伺服电机；2-Y轴伺服电机；3-Z轴伺服电机；4-三相异步电机；5-钻孔动力头；6-钻头；7-加强筋。
Figure 10. Punching equipment drawing
图10. 钻孔装备图
钻孔装备主要由电机、动力头及钻头组成，其中X、Y、Z三轴的伺服电机可以带动三轴的丝杠运动，从而控制钻孔装备在三维空间内的移动，从而确定产品六孔的孔心位置，三相异步电机的转动可以控制钻孔动力头的高速转动进而控制钻头进行高速转动，最终实现钻孔的目的。
在实际加工过程中所需夹紧力的计算如下：在生产加工过程中，主轴匀速进给，进给量
为0.03 mm/r，加工孔径
= 6 mm，
= 3.2 mm，
= 500 Mpa。计算得到钻削力
= 258 N，
= 138 N，钻削力矩
= 0.6 N/m，
= 0.2 N/m，故取钻削力
= 258 N。取安全系数
= 3，静摩擦系数
= 0.16，计算得出实际夹紧力
= 2420 N，计算公式如下 [13] ：
3.4. 倒角工位
在完成六个孔的钻孔工序之后，PLC控制减速电机驱动转盘组件进入倒角工位，倒角工序包括上倒角和下倒角两个工位，即对产品的六孔进行正面和反面的倒角，倒角能够有效去除因钻孔产生的毛刺，也有利于离合器外圈与离合器整体的装配。上倒角装备的结构与钻孔装备的结构类似，而下倒角装备如图11所示。
下倒角装备主要由电机、双轴动力头以及钻头组成，其中X、Y轴的伺服电机可以带动相应的丝杠运动，从而控制下倒角装备在平面内移动，PLC控制双轴动力头中的电机转动，从而带动双轴动力头的主轴转动以达到钻头转动的目的，最终实现下倒角工序。
1-X轴伺服电机；2-Y轴伺服电机；3-双轴动力头；4-钻头。
Figure 11. Lower chamfer equipment drawing
图11. 下倒角装备图
3.5. 下料工位
在完成上述的所有工序后，便会进入下料工序，下料装备包括下料机械手装备和传送带装备两个部分，下料装备如图12，图13所示。
下料机械手主要由电机、三爪气缸以及刹车气缸组成，其中Y、Z轴的伺服电机可以带动相应的丝杠运动，从而控制下料机械手在平面内移动，旋转电机配合刹车气缸以及刹车片可以使三爪气缸沿着主轴旋转180˚，使得产品翻面以便下倒角装备对产品进行倒角，待下倒角完成后，三爪气缸再次旋转180˚并松开产品，使其落至传送带上并由传送带将其运送离开，至此所有工序完成。
1-下料机械手；2-传送带。
Figure 12. Blanking equipment drawing
图12. 下料装备图
1-Y轴伺服电机；2-旋转轴伺服电机；3-Z轴伺服电机；4-三爪气缸；5-刹车片；6-刹车气缸。
Figure 13. Drawing of blanking manipulator
图13. 下料机械手图
4. 多工位离合器外圈钻孔装备的控制系统设计
4.1. 主控制器选择
控制系统在自动化装备的组成中承担着重要的作用，可以说，离合器外圈自动钻孔装备工作性能的好坏很大程度上取决于控制系统的设计 [14] 。PLC是专门为工业控制系统而设计的数字电子设备，以PLC为核心的PLC控制系统可以实现各种复杂的控制功能，只需要更改写入的程序便可更改系统控制的功能，PLC使用和维护方便，能够很好的适应复杂的工业环境，具有较高的可靠性，抗干扰的能力极强 [15] [16] 。操作者可通过人机交互界面向PLC发送指令，PLC控制相关元器件完成相应动作。依据产品的动作需求以及企业的实际情况，PLC选用信捷公司的XDH-60T4-E，人机交互界面选用信捷公司的TGA63。
4.2. 程序设计
该装备的钻孔模块由四台电机驱动，其中三台伺服电机控制钻孔机构在空间内自由移动，另外一台三相异步电机控制主轴的进给从而实现钻孔。钻孔模块在工作前，需要对各个电机的转速、最大转矩等参数进行预先设定，电机转矩过大会导致过载进而损坏电机，所以当电机转矩超出设定值时，会进行报警提示。如图14为钻孔程序，图15为电机转矩比较程序。
离合器外圈自动钻孔设备的PLC程序具有自动和手动两种模式，在手动模式下，操作者每按一次按钮，相应的执行元件动作一次，并在动作完成后停止，主要用于设备的调试和维护；当启用自动控制时，设备的各个执行机构按照预先设定的动作顺序循环执行，主要用于生产实践中。自动模式能够实现设备生产过程中的自动运行，极大提高了设备的生产运行效率 [17] 。程序还设置有报警保护功能，包括上料报警、伺服驱动器报警、钻孔报警等等，控制系统的流程图如图16所示。
5. 设备调试
根据设备的设计方案，制作出多工位离合器外圈自动钻孔装备并投入生产使用，经现场试验证明，多工位离合器外圈自动钻孔装备能够满足离合器外圈钻孔的功能要求，能够实现离合器外圈的自动上料、并由转盘组件依次完成各孔位钻孔、倒角及下料的功能。将加工完成的产品使用EV4030影像测量仪进行测量，得到大孔孔径均在5.95~6.05 mm范围内，小孔孔径均在3.15~3.25 mm范围内，测量如图17所示。以PLC为核心的控制系统控制动作准确无误，能够高效的实现产品的自动化生产，生产效率可达每分钟12个，加工的孔精度可达0.05 mm，成品率 ≥ 99.0%。
6. 结束语
为解决某企业离合器外圈钻孔效率低、自动化水平不高的问题，本文制定了多工位离合器外圈自动钻孔装备的总体方案，详细设计了多工位离合器外圈自动钻孔装备的自动上料装置、装盘组件及九工位和自动下料装置，使用PLC作为设备的控制系统，能够适应工业现场的复杂环境，经生产验证，该设备极大地提高了离合器外圈钻孔的自动化水平和生产效率，能够满足企业现代化生产的需求。