賈 夢 傅 勇 王衛(wèi)英 蘇筱晴

(①南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210001；②江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司制造工程部，江西 南昌330000)

車削十字軸、多通管接頭等類型的零件時，需要多次裝夾，加工效率低，精度難以保證[1]。為提高加工效率與加工精度，可以采用分度卡盤實現(xiàn)工件各端的連續(xù)加工，相比電動、氣動卡盤，液壓卡盤輸出的夾緊力更大、更穩(wěn)定，因此學(xué)者們主要對液壓分度卡盤進(jìn)行研究[2]。液壓分度卡盤是一種新型的卡盤結(jié)構(gòu)，通過一次裝夾實現(xiàn)工件的卡緊和分度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以對工件多個同軸表面進(jìn)行一次性加工[3]。

胡際勝[4]針對十字軸的加工研制了一款液壓分度卡盤，構(gòu)建了液壓系統(tǒng)并驗證了卡盤的工藝性。林偉儒[5]針對十字軸加工試制了一款液壓分度卡盤，試驗表明卡盤分度功能正常，加工精度達(dá)到公差要求。李青[6]運用仿真分析方法對K55型動力卡盤的夾緊力進(jìn)行研究，對動力卡盤的失效原因進(jìn)行分析并給出部分解決辦法。張文亭[7]等人通過對動力卡盤夾緊機構(gòu)的研究，建立了動力卡盤的夾緊力和轉(zhuǎn)速的計算模型。

液壓卡盤使用時需接入機床數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，目前分度卡盤在車床上的適配相關(guān)介紹并不多。針對只具有夾緊功能的動力卡盤，王鵬云[8]等人介紹了動力卡盤在西門子數(shù)控系統(tǒng)上的控制原理，宋嘎[9]針對液壓卡盤控制程序給出了一種基于發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)的液壓卡盤控制功能實現(xiàn)方式，實現(xiàn)了液壓卡盤的安全、可靠工作。

針對航空液壓多通管接頭的加工，本文設(shè)計了一種液壓分度卡盤及其液壓系統(tǒng)，編制了卡盤控制的梯形圖程序，實現(xiàn)了卡盤動作的自動控制，試制了卡盤并進(jìn)行了工件試切。

1 分度卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 分度機構(gòu)設(shè)計

分度機構(gòu)的功能是實現(xiàn)加工件的分度轉(zhuǎn)位，需要將液壓缸活塞的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榉侄刃D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動并限位。設(shè)計如圖1所示的分度機構(gòu)，由兩個分度油缸及分度軸組成，分度油缸加工在卡盤體內(nèi)，由分度活塞、后蓋、導(dǎo)向套及密封件等組成。兩個分度缸的出油口、進(jìn)油口相連，一個分度活塞進(jìn)位時另一個必然退位，保證了分度活塞動作配合連貫，簡化了卡盤體的內(nèi)部油路。分度軸受分度活塞推動旋轉(zhuǎn)，到位后由活塞頂緊限位。圖1a狀態(tài)時，分度活塞1上的平面與分度軸的平面貼合，活塞受油液壓力鎖緊分度軸，分度旋轉(zhuǎn)時，油液方向改變，分度活塞1退位放開分度軸，同時活塞2進(jìn)位推動分度軸逆時針旋轉(zhuǎn)到達(dá)圖1b的限位位置并鎖緊。再次轉(zhuǎn)位時，活塞2退位放開分度軸，活塞1進(jìn)位推動分度軸繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)。

1.2 分度軸系設(shè)計

分度軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，分度軸上設(shè)有與分度活塞配合的四棱柱，與工件下夾具配合的接口，軸內(nèi)部有中心階梯通孔，鎖緊螺釘穿過中心孔將下夾具鎖緊。分度軸在工作過程中徑向受切削分力、活塞推力，軸向受切削分力、夾緊力作用，因此需要設(shè)置推力滾針軸承、圓柱滾子軸承。分度軸系的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要組成包括分度軸、軸承、上透蓋及下透蓋。上、下透蓋對軸系限位，由于卡盤無法實現(xiàn)自定心，安裝時需要配磨。

1.3 夾緊機構(gòu)設(shè)計

采用液壓缸夾緊工件，輸出的夾緊力穩(wěn)定、易于調(diào)整。夾緊時，工件位置保持不變，活塞推動上夾具向下夾緊工件。上夾具需要隨工件分度旋轉(zhuǎn)，因此在夾緊油缸活塞與上夾具之間設(shè)置軸承。夾緊機構(gòu)的如圖4所示，主要組成包括夾緊活塞、后蓋、軸承、防墜螺釘、孔用彈性擋圈及密封件等。其中防墜螺釘穿過上夾具的通孔安裝在夾緊活塞上，防止夾具墜落。

1.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

分度卡盤的液壓系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要組成包括液壓站、分油器和油管等。液壓站為系統(tǒng)提供液壓油，主要由油箱、油泵、風(fēng)冷以及閥塊等液壓元件組成；分油器為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的卡盤供油，外殼與內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有相互獨立的油腔，油腔進(jìn)(出)油口設(shè)在外殼上，出(進(jìn))油口設(shè)在內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)。工作時，內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸隨車床主軸一起旋轉(zhuǎn)，外殼上的油口固定，為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的分度卡盤供油；油管包括液壓站與分油器間的軟管和分油器到卡盤體間的硬管。硬管從車床主軸穿過，卡盤工作時隨主軸轉(zhuǎn)動，為減小旋轉(zhuǎn)時離心力的影響，采用硬質(zhì)油管。

卡盤液壓系統(tǒng)的油路簡圖如圖7所示，油箱中的油液經(jīng)主油泵M1分別進(jìn)入卡盤的夾緊、分度油路，減壓閥調(diào)節(jié)各油路的壓力，電磁閥V1工作在左位時卡盤夾緊工件，工作在右位時卡盤松開工件。電磁閥V2每切換一次工作位，工件就旋轉(zhuǎn)一個分度。液控單向閥的作用是在系統(tǒng)失壓時保持一定壓力，避免卡盤異常動作，保證系統(tǒng)運行安全。P1～P3為壓力表，分別顯示夾緊、油泵輸出、分度油路的壓力。為防止油溫過高，液壓站還增加了風(fēng)冷回路。

2 分度卡盤自動控制

2.1 FANUC數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控車床上，開關(guān)量通常采用可編程控制器控制，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)內(nèi)置的可編程控制器稱為PMC。卡盤液壓站上的繼電器接入車床24 V輸出端子后，需要調(diào)用輔助功能(M指令)進(jìn)行控制。JB/T 3208-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定卡盤夾緊、松開指令分別為M10、M11，同時采用M24、M25作為卡盤分度轉(zhuǎn)位的指令?？ūP動作相關(guān)的M代碼編號、功能及其對應(yīng)控制的繼電器編號如表1所示。

表1 輔助功能M代碼功能表

調(diào)用輔助功能時，數(shù)控系統(tǒng)處理流程如下：

(1)CNC執(zhí)行加工程序中的輔助功能指令，將代碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號。

(2)CNC向PMC輸出M指令選通信號(MF)。

(3)PMC接收到MF后，進(jìn)行譯碼、邏輯運算等處理，將其轉(zhuǎn)換為機床所需的動作。

(4)執(zhí)行完成后，PMC向CNC發(fā)送輔助功能結(jié)束信號(FIN)。

(5)CNC收到FIN后，將MF置為0，表明CNC已經(jīng)完成FIN信號的接受處理。

(6)PMC在接收到MF=0信號后，將FIN置為0，輔助功能處理結(jié)束。

(7)CNC在接收到FIN=0信號后，結(jié)束輔助功能處理。

PMC梯形圖中，X、Y觸點分別代表機床側(cè)與PMC的輸入與輸出，F(xiàn)、G觸點分別代表CNC與PMC的輸入與輸出。R觸點代表PMC的內(nèi)部繼電器，K觸點代表PMC的斷電保持型內(nèi)部繼電器。其中Y觸點對應(yīng)車床的24 V輸出端子，可以直接控制繼電器。PMC梯形圖在SUB2程序中編寫，編寫軟件為FANUC Ladder III。

2.2 PMC程序設(shè)計

2.2.1 輔助功能指令調(diào)用

調(diào)用M指令時，CNC將M代碼選通信號(MF)、分配結(jié)束信號(DEN)置為高電平，CNC將M指令譯碼輸出到PMC，PMC接收到后執(zhí)行相應(yīng)的程序段。

編制輔助功能指令調(diào)用的梯形圖如圖8，譯碼后的指令存放在F10中，SUB25功能指令的作用是將F10中存放的M指令編號譯碼輸出。例如，當(dāng)程序輸入為M10時，對應(yīng)觸點R60.2被設(shè)為高電平，當(dāng)程序輸入為M24時，觸點R70.0則被設(shè)為高電平。

2.2.2 夾緊、松開程序

卡盤的夾緊、松開、分度轉(zhuǎn)位動作程序要求包括：可以調(diào)用輔助功能指令來執(zhí)行，還可由車床面板按鈕手動控制；斷電重啟后，卡盤恢復(fù)斷電前的狀態(tài)以保證安全。

編制夾緊梯形圖程序如圖9，運行夾緊指令M10時，R60.2輸出高電平，Y0.3也輸出高電平，Y0.3對應(yīng)24V輸出端子，可以驅(qū)動繼電器，將其接到液壓站的Y4繼電器上。R170.4觸點是控制面板按鈕對應(yīng)的觸點，當(dāng)按下控制面板的夾緊按鈕時，R170.4輸出高電平，Y0.3也輸出高電平，卡盤夾緊。K4.3是斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持夾緊狀態(tài)。

編制松開梯形圖程序如圖10，運行松脫指令M11時，R60.3輸出高電平，Y0.4也輸出高電平，將Y0.4的對應(yīng)端子接到液壓站的Y3繼電器上。R170.5觸點是機床按鈕對應(yīng)的輔助觸點，按下控制面板的對應(yīng)按鈕時，卡盤松脫。K4.4是斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持松脫狀態(tài)。觸點Y0.4與Y0.3只能有一個為高電平，保證了電磁閥動作的正常。

2.2.3 分度旋轉(zhuǎn)程序

編制分度轉(zhuǎn)位的梯形圖程序如圖11，運行分度旋轉(zhuǎn)1指令M24時，R70.0輸出高電平，Y0.5也輸出高電平；運行分度旋轉(zhuǎn)2指令M25時，R70.1輸出高電平，Y0.6也輸出高電平。將Y0.5對應(yīng)端子接到液壓站的Y2繼電器，Y0.6的對應(yīng)端子接到Y(jié)1繼電器，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)程序?qū)ūP分度旋轉(zhuǎn)的自動控制。圖中R270.4、R270.5觸點是機床按鈕對應(yīng)的輔助觸點，由于控制面板無對應(yīng)功能按鈕，因此改造“臺尾頂緊”按鈕用作分度旋轉(zhuǎn)。K4.5、K4.6為斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持原有狀態(tài)。Y0.5與Y0.6只能有一個為高電平，保證了電磁閥動作的正常。

2.2.4 輔助功能結(jié)束程序

編制調(diào)用結(jié)束的梯形圖程序如圖12，觸點R360.0的作用是檢查輔助功能程序運行情況，當(dāng)其為高電平時代表對應(yīng)功能的程序段運行完畢，卡盤動作完成。當(dāng)MF(F7.0)與R360.0同時為高電平時，輔助功能結(jié)束FIN指令G4.3被設(shè)為高電平，PMC向CNC發(fā)送結(jié)束信號，CNC收到結(jié)束信號后，將F7.0置為低電平，G4.3也置為低電平，輔助功能調(diào)用完成。

程序仿真驗證無異常后導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，即可調(diào)用輔助功能指令或者使用機床按鈕控制卡盤動作。

3 卡盤功能驗證

安裝分度卡盤到數(shù)控車床上并進(jìn)行工件的試切以測試卡盤功能。車床型號為沈陽一機的CAK6150Di，數(shù)控系統(tǒng)型號為FANUC 0iMate-TC?？ūP及液壓系統(tǒng)安裝效果如圖13所示，試切后的三通毛坯件如圖14所示，試切結(jié)果表明，卡盤功能運行正常，動作平穩(wěn)，試切件的加工誤差在公差允許范圍內(nèi)，卡盤符合使用要求。

4 結(jié)語

設(shè)計了一款專用于航空多通管接頭加工的液壓分度卡盤，完善了卡盤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計并設(shè)計了卡盤液壓系統(tǒng)，設(shè)計完善了PMC梯形圖程序使卡盤體接入車床數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，對卡盤功能進(jìn)行了試驗驗證。該款自動分度卡盤具有提高加工效率、減少工裝數(shù)量、減輕工人負(fù)擔(dān)等優(yōu)點。