張建成 毛智勇 趙林惠 金 鑫

（①北京聯(lián)合大學機電學院，北京 100020;②北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

從1995年美國密歇根大學提出可重配置概念之后，世界各國的研究者紛紛投入到這一領域進行研究，并在機械系統(tǒng)和控制器設計方面取得了一定的成就［1］。在軍事、航空航天、精密儀器等行業(yè)大量微小型零件的加工過程中，為了實現(xiàn)完整性加工的要求，設計可重配置的微小型數(shù)控加工中心，配置不同的功能單元。由此需要實現(xiàn)許多外部的動作，如轉臺的轉動、刀庫的換刀以及冷卻和潤滑等，因此需要設計機床的輔助控制系統(tǒng)?？芍嘏渲梦⑿⌒蛙囥姀秃霞庸ぶ行牡妮o助系統(tǒng)包括氣動、冷卻、潤滑和照明等系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)作為機床的重要輔助系統(tǒng)和可重配置機床所配置的功能模塊直接相關，配置了相應的功能模塊就需要配置對應的氣動輔助支路。微小型車銑復合加工中心可配置的功能模塊包括可重配置轉臺、Y軸組件、電主軸單元、刀庫單元、對刀單元、電動刀架、雙頭加工單元、砂輪修整裝置等。針對可重配置機床的功能模塊配置特點，可重配置機床的氣動及其輔助系統(tǒng)在配置上也相應可以做出不同的配置。

由于不同的可重配置模塊功能不同，對配置的氣路也就有著不同的要求，氣路的功能設計需要根據(jù)可重配置模塊的功能來確定。

1 可重配置轉臺的控制

1．1 薄型轉臺工作原理

可重配置機床上需要配置1個超薄型雙工位轉臺，雙工位轉臺既可以用做加工時的工作臺，又可以在其上安裝其他可重配置模塊，使機床功能更多更有柔性。車銑復合加工中心上目前配置的薄型轉臺主要是為了實現(xiàn)Y軸組件在加工過程中的0°～90°換位功能。安裝時，轉臺安裝在X溜板上，Y軸組件又安裝在轉臺上，這樣當轉臺轉動時就會使Y軸組件旋轉相同的角度。在機床功能的設計上需要實現(xiàn)Y軸組件的雙工位加工（平行于工件端面或軸線），因此所設計的轉臺也是雙工位的，2個工位之間的運動控制用氣動來實現(xiàn)，轉臺實物如圖1所示。

可重配置氣動轉臺的工作原理:轉臺的動作主要包括4個步驟，夾緊松開、轉臺浮起、轉臺旋轉和轉臺再夾緊。轉臺在工作（即加工）狀態(tài)下處于夾緊狀態(tài)，當要求實現(xiàn)工位轉換時，首先松開夾緊氣缸，轉臺浮起后，再接通旋轉氣缸讓轉臺旋轉到另一工位，等轉臺旋轉到位后轉臺落下由氣缸鎖緊。轉臺共配置2個氣缸分別完成轉臺旋轉和轉臺松開/夾緊動作，轉臺內部設計1個氣腔用于轉臺的浮起和下落控制。因此轉臺的控制需要由3個氣路來完成，其中轉臺抬起和降落用1個兩位三通閥控制;轉臺的夾緊/松開用1個三位四通中封閥控制，配置雙作用鎖緊氣缸，電磁閥的中間位置用于保持（若用兩位四通閥，則要配合1個單向閥防止夾緊時突然斷電或斷氣出現(xiàn)打刀現(xiàn)象）;轉臺旋轉用1個三位四通中泄閥控制，配合雙作用缸，中位卸壓，當旋轉到位后氣缸壓力為零。為實現(xiàn)精確控制，在各氣路上都配置調速閥進行調速。

在轉臺的轉位和浮起以及松開/夾緊控制過程中，為了實現(xiàn)順序動作和出于安全互鎖的考慮，需要在轉臺上增加位置檢測元件，有時還在程序里增加延時和互鎖以實現(xiàn)更可靠的安全保護。在旋轉氣缸上增加2個位置檢測開關，用于檢測轉臺是否旋轉到位;在松開夾緊氣缸上安裝2個位置檢測開關用于檢測是否松開或夾緊;由于轉臺抬起幅度很小，不能通過安裝位置檢測元件的方法來檢測浮起和下落的狀態(tài)，因此在程序中增加延時，以確保轉臺浮起到位后再開始旋轉動作。為確保整個轉位動作的順利實現(xiàn)，需要在程序中增加互鎖，如轉臺沒有抬起的時候不能轉位，轉臺轉位的時候必須夾緊松開等等［2－3］。

所設計的可重配置轉臺的主要技術指標:端面跳動±3 μm，定位精度±10″。設計的轉臺轉動控制氣動原理圖如圖2所示。

轉臺旋轉的動作實現(xiàn)需要多個步驟才能完成，它不僅需要數(shù)控系統(tǒng)PMC控制電磁閥進行動作，還需要多個部位的檢測元件的反饋信息提供給機床PMC，才能實現(xiàn)整個旋轉動作的可靠實現(xiàn)。轉臺旋轉的完整動作流程如圖3所示。

1．2 轉臺旋轉過程中碰撞問題的解決

可重配置轉臺是一個雙工位轉臺，車銑復合加工中心的Y軸安裝在轉臺上隨轉臺一起旋轉，Y軸作為轉臺的負載，可以實現(xiàn)Y軸在工件的徑向和軸向都能夠進行銑削和鉆削加工。由于Y軸組件重量較大（約50 kg），在轉位過程中要承受較大的加速度，產生較大的轉動慣量，同時由于氣體本身所具有的可壓縮性，因此對轉臺的定位面產生較大沖擊，如果不進行有效的預防，必然會降低轉臺的轉位精度，同時會影響轉臺的使用壽命。

在轉臺的調試過程中，發(fā)現(xiàn)原先設計的氣路是利用進氣口實現(xiàn)調速，氣壓大了會有很大沖擊，壓力小了會導致轉臺旋轉不動作或者旋轉不到位。針對這種由大慣量引起的轉臺沖擊問題，可以采取的解決方法包括:

（1）采用液壓緩沖裝置，安裝在轉臺的碰撞沖擊部位，利用液壓液體的壓縮，產生緩沖。這種裝置體積小，但此種方法要求在轉臺上打孔安裝，另外要距離調試合理才能獲得好的效果。

（2）采用電磁比例閥，在氣缸上安裝位置檢測元件，當活塞到達該位置時，就發(fā)出信號給控制器（PLC等），由控制器給出模擬的控制信號（電壓值0～5 V，根據(jù)需要設定曲線）控制緩沖速度等。但在氣缸的進氣管路上安裝比例閥，價格較高，控制過程也比較復雜。

以上方案都沒有從氣路本身的改進來進行考慮。根據(jù)氣體的自身特點，可以提出2種改進的控制方案，如圖4、5所示。

改進方案一:采用排氣口進行調速，方法是把原先轉臺旋轉氣路控制方案中的進氣調速改為采用排氣調速。調試中發(fā)現(xiàn)由于氣體具有很大的壓縮性，使用排氣調速方案同樣不能實現(xiàn)調速功能，使排氣調速方案無法實現(xiàn)。

改進方案二:采用雙路進氣調速方案，即系統(tǒng)采用2個進氣氣路，其中1個氣路為帶節(jié)流閥的節(jié)流支路。在轉臺開始轉位的啟動階段，2個進氣氣路同時動作進氣，形成大氣流推動轉臺旋轉;當轉臺轉動到行程的后端時，關閉較大的一路氣閥（氣路1），只單獨留較小的一路氣閥（氣路2）進氣，目的是在行程后端減小推力，減小到達終點時的沖擊。轉臺在行程后端的運動一方面依靠氣路2的氣體推動力，一方面依靠轉臺自身的慣性力?？刂茪饴?的截止位置需要依靠磁性檢測元件，選用帶磁環(huán)的氣缸，當氣缸活塞運動到磁環(huán)安裝位置時就會發(fā)出信號，提供給系統(tǒng)進行控制和切換。改進的方案二是采用進氣節(jié)流控制。改進方案二的另一種變更方法;當轉臺達到指定位置時直接卸壓，讓轉臺完全依靠慣性到達終點，同時依靠緩沖氣缸吸收能量;缺點是慣性控制的位置有一定誤差。

在實際系統(tǒng)調試過程中，由于調節(jié)氣路參數(shù)的部位有多個，如調速閥調整流量、系統(tǒng)供氣定壓減壓閥調壓、磁性開關位置、輔助支路的節(jié)流口大小以及是否選用緩沖氣缸等，都會對轉臺轉動的速度和沖擊力大小產生影響，因此需要綜合進行調節(jié)，最終使轉臺能夠平穩(wěn)快速地實現(xiàn)可靠轉位。

在調試過程中還要注意不能使調速閥的閥口開度太大，否則會造成活塞運動過快，換向閥線圈帶電時間太短，難以實現(xiàn)可靠換向。

2 高速電主軸的氣路可重配置

為實現(xiàn)微小型車銑復合加工中心中的鉆削和銑削加工，配置高速電主軸單元，電主軸安裝在Y軸上。銑削電主軸轉速為0～50 000 r/min，由變頻器驅動。自動換刀電主軸和微小型刀庫配合實現(xiàn)自動換刀功能。為了實現(xiàn)自動換刀功能，在自動換刀操作中需要具備的氣路功能包括:換刀過程中自動換刀刀柄的松開和夾緊操作、主軸氣密封、主軸清潔等。對于高速電主軸，還需要增加油氣潤滑裝置，這時還需要再配置一路油氣潤滑裝置的氣路。為檢測電主軸自動換刀過程中的夾緊和松開狀態(tài)，在自動換刀電主軸的后端還增加了1個位置磁性開關，反饋電主軸的松開和夾緊狀態(tài)給機床主控系統(tǒng)，用于實現(xiàn)順序控制和互鎖。電主軸的氣路控制原理如圖6所示［4］。

對于高速旋轉的電主軸，在加工過程中需要進行有效的潤滑，防止電主軸的軸承系統(tǒng)出現(xiàn)過熱和過量磨損，需要為電主軸配置油氣潤滑裝置。油氣潤滑裝置的主要作用就是在電主軸旋轉過程中能夠持續(xù)地為主軸軸承提供潤滑油氣。為使油氣潤滑系統(tǒng)自身能夠可靠工作，油氣潤滑裝置本身帶有氣壓低報警和缺油報警。由于油氣潤滑裝置的正常工作需要0.2～0.3 MPa的工作壓力，為滿足其使用要求，需要對油氣潤滑裝置的氣路進行改進?？紤]在輸出氣路上增加1個節(jié)流閥，以此作為背壓閥使用，調節(jié)節(jié)流閥閥口開度，使之產生一定的背壓，從而滿足了油氣潤滑裝置的工作需求。

3 可重配置刀庫的氣路輔助系統(tǒng)

刀庫系統(tǒng)中除了盤式刀庫及其控制和驅動單元（刀庫控制器、電動機及驅動器）外，還有一些配套或者相關的部件，如刀庫導軌、刀庫門和刀庫中的檢測元件。其中刀庫導軌的作用是使刀庫在上面滑動，換刀時導軌從床頭箱中移出，換刀后導軌退回原位。刀庫門的作用是換刀開始時打開，讓刀庫能夠順利移出，到換刀結束刀庫退回原位后關閉，目的是保護刀庫，防止機床在進行工件加工時金屬切屑和冷卻液污染刀庫。刀庫門和刀庫導軌為氣動控制。為實現(xiàn)以上功能，采用2個氣動支路進行控制，即分別用2個三位四通閥控制刀庫門氣缸和刀庫移入移出導軌。刀庫門氣缸選用普通氣缸，刀庫移入移出氣缸采用無桿氣缸。配合檢測和傳感元件可以實現(xiàn)刀庫門打開和關閉的狀態(tài)檢測，刀庫導軌的移出和返回位置檢測，從而實現(xiàn)對刀庫門和刀庫移入移出進行控制。刀庫氣動系統(tǒng)的原理圖如圖7所示。

4 氣動系統(tǒng)功能實現(xiàn)及總體氣路設計

可重配置的高轉速精密機床氣路輔助系統(tǒng)既包含對轉臺、高速電主軸和刀庫的控制氣路，還包括對主軸夾緊、點動吹氣和對刀儀等的控制氣路。機床氣路系統(tǒng)總體圖如圖 8 所示［5－6］。

要使各氣動支路都可靠穩(wěn)定地工作，需要對各條支路的氣壓進行設計。氣動系統(tǒng)中各路氣壓經調試后的最后整定值如表1所示。

5 結語

根據(jù)可重配置機床對不同機械模塊的配置需求，進行可重配置機床的氣路總體設計。通過對不同機械模塊的控制特點進行分析，設計了相應的控制氣路，整定了各控制支路的壓力。調試結果表明，所設計的氣路原理符合對不同對象的控制要求，設定的壓力整定值滿足控制對象安全穩(wěn)定運行的需要。特別根據(jù)控制對象的控制難點對常規(guī)氣路進行了改進。對大旋轉慣量的轉臺系統(tǒng)設計主輔氣路的控制方式，解決了沖擊和碰撞問題。對油霧潤滑氣路添加節(jié)流控制，增加了背壓功能。

表1 機床系統(tǒng)各氣路壓力整定值表

［1］許虹，王慶明．可重構機床設計［J］．中國機械工程，2005，16（7）:588－593．

［2］毛智勇，劉寶權．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007．

［3］李超．設備控制基礎［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［4］吳玉厚．數(shù)控機床電主軸單元技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［5］姚新，劉民鋼．液壓與氣動［M］．北京:中國人民大學出版社，2000．

［6］宋軍民，周曉峰．液壓與氣動技術［M］．北京:中國勞動社會保障出版社，2009．