張建成 毛智勇 趙林惠 金 鑫

（①北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100020;②北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

從1995年美國密歇根大學(xué)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(lǐng)域進(jìn)行研究，并在機(jī)械系統(tǒng)和控制器設(shè)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(shè)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(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動、刀庫的換刀以及冷卻和潤滑等，因此需要設(shè)計機(jī)床的輔助控制系統(tǒng)?？芍嘏渲梦⑿⌒蛙囥姀?fù)合加工中心的輔助系統(tǒng)包括氣動、冷卻、潤滑和照明等系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)作為機(jī)床的重要輔助系統(tǒng)和可重配置機(jī)床所配置的功能模塊直接相關(guān)，配置了相應(yīng)的功能模塊就需要配置對應(yīng)的氣動輔助支路。微小型車銑復(fù)合加工中心可配置的功能模塊包括可重配置轉(zhuǎn)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(jī)床的功能模塊配置特點，可重配置機(jī)床的氣動及其輔助系統(tǒng)在配置上也相應(yīng)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(shè)計需要根據(jù)可重配置模塊的功能來確定。

1 可重配置轉(zhuǎn)臺的控制

1．1 薄型轉(zhuǎn)臺工作原理

可重配置機(jī)床上需要配置1個超薄型雙工位轉(zhuǎn)臺，雙工位轉(zhuǎn)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(jī)床功能更多更有柔性。車銑復(fù)合加工中心上目前配置的薄型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺安裝在X溜板上，Y軸組件又安裝在轉(zhuǎn)臺上，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時就會使Y軸組件旋轉(zhuǎn)相同的角度。在機(jī)床功能的設(shè)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(shè)計的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺實物如圖1所示。

可重配置氣動轉(zhuǎn)臺的工作原理:轉(zhuǎn)臺的動作主要包括4個步驟，夾緊松開、轉(zhuǎn)臺浮起、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)臺再夾緊。轉(zhuǎn)臺在工作（即加工）狀態(tài)下處于夾緊狀態(tài)，當(dāng)要求實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換時，首先松開夾緊氣缸，轉(zhuǎn)臺浮起后，再接通旋轉(zhuǎn)氣缸讓轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到另一工位，等轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到位后轉(zhuǎn)臺落下由氣缸鎖緊。轉(zhuǎn)臺共配置2個氣缸分別完成轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)臺松開/夾緊動作，轉(zhuǎn)臺內(nèi)部設(shè)計1個氣腔用于轉(zhuǎn)臺的浮起和下落控制。因此轉(zhuǎn)臺的控制需要由3個氣路來完成，其中轉(zhuǎn)臺抬起和降落用1個兩位三通閥控制;轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)用1個三位四通中泄閥控制，配合雙作用缸，中位卸壓，當(dāng)旋轉(zhuǎn)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(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速。

在轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(hù)。在旋轉(zhuǎn)氣缸上增加2個位置檢測開關(guān)，用于檢測轉(zhuǎn)臺是否旋轉(zhuǎn)到位;在松開夾緊氣缸上安裝2個位置檢測開關(guān)用于檢測是否松開或夾緊;由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺浮起到位后再開始旋轉(zhuǎn)動作。為確保整個轉(zhuǎn)位動作的順利實現(xiàn)，需要在程序中增加互鎖，如轉(zhuǎn)臺沒有抬起的時候不能轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)位的時候必須夾緊松開等等［2－3］。

所設(shè)計的可重配置轉(zhuǎn)臺的主要技術(shù)指標(biāo):端面跳動±3 μm，定位精度±10″。設(shè)計的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動控制氣動原理圖如圖2所示。

轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)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(jìn)行動作，還需要多個部位的檢測元件的反饋信息提供給機(jī)床PMC，才能實現(xiàn)整個旋轉(zhuǎn)動作的可靠實現(xiàn)。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的完整動作流程如圖3所示。

1．2 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中碰撞問題的解決

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

在轉(zhuǎn)臺的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)原先設(shè)計的氣路是利用進(jìn)氣口實現(xiàn)調(diào)速，氣壓大了會有很大沖擊，壓力小了會導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)不動作或者旋轉(zhuǎn)不到位。針對這種由大慣量引起的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺的碰撞沖擊部位，利用液壓液體的壓縮，產(chǎn)生緩沖。這種裝置體積小，但此種方法要求在轉(zhuǎn)臺上打孔安裝，另外要距離調(diào)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(dāng)活塞到達(dá)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(shè)定曲線）控制緩沖速度等。但在氣缸的進(jìn)氣管路上安裝比例閥，價格較高，控制過程也比較復(fù)雜。

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

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

改進(jìn)方案二:采用雙路進(jìn)氣調(diào)速方案，即系統(tǒng)采用2個進(jìn)氣氣路，其中1個氣路為帶節(jié)流閥的節(jié)流支路。在轉(zhuǎn)臺開始轉(zhuǎn)位的啟動階段，2個進(jìn)氣氣路同時動作進(jìn)氣，形成大氣流推動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到行程的后端時，關(guān)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(jìn)氣，目的是在行程后端減小推力，減小到達(dá)終點時的沖擊。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(jìn)行控制和切換。改進(jìn)的方案二是采用進(jìn)氣節(jié)流控制。改進(jìn)方案二的另一種變更方法;當(dāng)轉(zhuǎn)臺達(dá)到指定位置時直接卸壓，讓轉(zhuǎn)臺完全依靠慣性到達(dá)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(diào)試過程中，由于調(diào)節(jié)氣路參數(shù)的部位有多個，如調(diào)速閥調(diào)整流量、系統(tǒng)供氣定壓減壓閥調(diào)壓、磁性開關(guān)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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的速度和沖擊力大小產(chǎn)生影響，因此需要綜合進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使轉(zhuǎn)臺能夠平穩(wěn)快速地實現(xiàn)可靠轉(zhuǎn)位。

在調(diào)試過程中還要注意不能使調(diào)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(fù)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(zhuǎn)速為0～50 000 r/min，由變頻器驅(qū)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(guān)，反饋電主軸的松開和夾緊狀態(tài)給機(jī)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(zhuǎn)的電主軸，在加工過程中需要進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)行改進(jìn)。考慮在輸出氣路上增加1個節(jié)流閥，以此作為背壓閥使用，調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口開度，使之產(chǎn)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(qū)動單元（刀庫控制器、電動機(jī)及驅(qū)動器）外，還有一些配套或者相關(guān)的部件，如刀庫導(dǎo)軌、刀庫門和刀庫中的檢測元件。其中刀庫導(dǎo)軌的作用是使刀庫在上面滑動，換刀時導(dǎo)軌從床頭箱中移出，換刀后導(dǎo)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(jié)束刀庫退回原位后關(guān)閉，目的是保護(hù)刀庫，防止機(jī)床在進(jìn)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(dǎo)軌為氣動控制。為實現(xiàn)以上功能，采用2個氣動支路進(jìn)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(dǎo)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(guān)閉的狀態(tài)檢測，刀庫導(dǎo)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(jìn)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(shè)計

可重配置的高轉(zhuǎn)速精密機(jī)床氣路輔助系統(tǒng)既包含對轉(zhuǎn)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(jī)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(jìn)行設(shè)計。氣動系統(tǒng)中各路氣壓經(jīng)調(diào)試后的最后整定值如表1所示。

5 結(jié)語

根據(jù)可重配置機(jī)床對不同機(jī)械模塊的配置需求，進(jìn)行可重配置機(jī)床的氣路總體設(shè)計。通過對不同機(jī)械模塊的控制特點進(jìn)行分析，設(shè)計了相應(yīng)的控制氣路，整定了各控制支路的壓力。調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計的氣路原理符合對不同對象的控制要求，設(shè)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(jìn)行了改進(jìn)。對大旋轉(zhuǎn)慣量的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)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(jī)床系統(tǒng)各氣路壓力整定值表

［1］許虹，王慶明．可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計［J］．中國機(jī)械工程，2005，16（7）:588－593．

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

［3］李超．設(shè)備控制基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［4］吳玉厚．?dāng)?shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)［M］．北京:機(jī)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(xué)出版社，2000．

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