陳開銀，伍紹彬，楊景香

（1.湖南宇環(huán)智能裝備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.永清環(huán)保股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410330）

0 引言

車床被認(rèn)為是所有工業(yè)設(shè)備的工作“母機(jī)”。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化加工流水線的普及，工件的類型越來越豐富，為了適應(yīng)異型工件的加工，對(duì)車床也提出了更高的要求，因此適用于異形工件而且可以自動(dòng)裝夾工件的車床符合現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)給現(xiàn)代制造業(yè)帶來效率的巨大提升。

本文通過對(duì)車床主軸的智能化改造，使車床可以加工異形工件的回轉(zhuǎn)面，且在加工結(jié)束時(shí)將主軸精確地停在確定的位置上，并通過液壓控制可自動(dòng)壓緊和松開工件，配合機(jī)械手，可滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求。

1 車床主軸系統(tǒng)

本文研制了一種適合異形工件自動(dòng)裝夾的車床主軸系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、同步帶、旋轉(zhuǎn)接頭、編碼器、車床標(biāo)準(zhǔn)主軸、主軸連接法蘭、轉(zhuǎn)角油缸、壓板等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)舍棄了車床原有的夾爪卡盤，改為特殊設(shè)計(jì)的主軸連接法蘭。主軸連接法蘭上的定位夾具根據(jù)工件設(shè)計(jì)，法蘭上設(shè)置有轉(zhuǎn)角油缸，通過液壓系統(tǒng)來控制壓板壓緊和松開工件。法蘭內(nèi)部設(shè)置有油路，通過轉(zhuǎn)動(dòng)主軸內(nèi)部的油路，連接到主軸另一端的旋轉(zhuǎn)接頭，再到油缸。機(jī)床主軸上安裝有編碼器，與主軸固定。在每次加工結(jié)束后，通過檢查和校對(duì)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)一步控制和提高主軸轉(zhuǎn)動(dòng)精度。

1.1 工件夾持

如圖2所示的某款鋁合金材質(zhì)的機(jī)油泵泵體是一個(gè)異形工件，其內(nèi)腔和油嘴是需要通過車削加工的，由于泵體周邊極不規(guī)則，傳統(tǒng)的三爪、四爪卡盤均不能滿足裝夾的需求。要實(shí)現(xiàn)適合機(jī)械手自動(dòng)上下料的自動(dòng)車削加工，必須要開發(fā)一款適用于自動(dòng)加工異形工件的車床夾具工裝。本文在充分了解產(chǎn)品特性及加工工藝的情況下，設(shè)計(jì)了特殊的夾具工裝，與主軸連接并隨著主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加工內(nèi)腔時(shí)，工件豎直放置，夾具工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示；加工油嘴時(shí)，工件需水平放置，夾具工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。主軸法蘭上設(shè)置有轉(zhuǎn)角油缸，轉(zhuǎn)角油缸上固定有用于壓緊工件的壓板，主軸法蘭內(nèi)部設(shè)置有油路，這些油路一端與轉(zhuǎn)角油缸相連，另一端通過機(jī)床主軸內(nèi)部的油路，連接到主軸尾部的旋轉(zhuǎn)接頭，再連接到液壓站進(jìn)行油液的循環(huán)，使得整個(gè)液壓系統(tǒng)接入到中控系統(tǒng)中，通過程序統(tǒng)一控制液壓閥，在合適的時(shí)候控制壓板壓緊工件和松開工件。

圖1 適合異形工件自動(dòng)裝夾的車床主軸系統(tǒng)

圖2 工件（機(jī)油泵泵體）

1.2 主軸準(zhǔn)停

由于自動(dòng)化生產(chǎn)線中需要機(jī)械手去抓取和放置工件，必須保證工件的位置精度，因此車床主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須精確停止到相應(yīng)的位置。通用數(shù)控車床的主軸均是由同步帶與主軸伺服電機(jī)連接的，由于同步帶是柔性的，因此，主軸停止的位置控制精度達(dá)不到機(jī)械手上下料高精度準(zhǔn)停的要求，為此，本文在車床主軸上安裝了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器（見圖1），該旋轉(zhuǎn)編碼器由光柵盤（分度碼盤）和光電檢測(cè)裝置（接收器）兩部分組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔，光電檢測(cè)裝置固定于車床床身，光柵盤與主軸同軸固定，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管垂直照射光柵盤，將光柵盤圖像投射到由光敏元件構(gòu)成的光電檢測(cè)裝置上，光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的光變化經(jīng)轉(zhuǎn)換后以相應(yīng)的脈沖信號(hào)變化輸出，控制系統(tǒng)通過對(duì)脈沖信號(hào)分析就可以精確地獲取主軸的角度位置信息。主軸伺服電機(jī)、同步帶和編碼器三者組成了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制主軸的精準(zhǔn)位置。機(jī)床選用的伺服電機(jī)已具有相當(dāng)高的準(zhǔn)停精度，編碼器通過比較當(dāng)前主軸位置和預(yù)期理想位置的差距，計(jì)算出主軸還應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，并發(fā)送信號(hào)給伺服電機(jī)執(zhí)行。接下來，伺服電機(jī)和編碼器會(huì)一直重復(fù)以上的過程，進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正調(diào)整、位置檢查、發(fā)出信號(hào)、電機(jī)執(zhí)行矯正，直至編碼器確認(rèn)主軸位置達(dá)到預(yù)期精度，整個(gè)過程會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束。

2 結(jié)論

（1）針對(duì)產(chǎn)品特性及加工工藝，設(shè)計(jì)開發(fā)了專用的適合于異形工件自動(dòng)車削的夾具系統(tǒng)，解決了異形工件自動(dòng)車削的裝夾問題。

（2）考慮到工件通過機(jī)械手自動(dòng)上下料，需要非常高的定位精度，設(shè)計(jì)開發(fā)了主軸準(zhǔn)停系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車床主軸的高精度準(zhǔn)停，為自動(dòng)化上下料打下了基礎(chǔ)。

圖3 工件豎直放置（加工內(nèi)腔）

圖4 工件水平放置（加工油嘴）