李紅雷 張?jiān)气?/p>

（運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué) 山西省運(yùn)城市 044000）

雙刀架數(shù)控車床用于加工堵頭，也適用于盤類零件的批量生產(chǎn)。堵頭進(jìn)行外圓和內(nèi)孔的加工，傳統(tǒng)加工每次只能加工單面，需進(jìn)行兩次加裝夾，效率低下，采用雙刀架數(shù)控車床，一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)兩面的同時(shí)加工，提高了加工效率，采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料，減少人工，提高人員安全性，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 雙刀架數(shù)控車床系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

為了方便下道工序，需對(duì)堵頭外圓和內(nèi)孔的同時(shí)加工，使其符合要求。傳統(tǒng)機(jī)床加工時(shí)，對(duì)零件進(jìn)行固定時(shí)，一般是采用夾具加緊外圈或內(nèi)孔，這就造成兩面不能同時(shí)加工，而且外圈和內(nèi)孔的同心度不能有效保證。

本系統(tǒng)采用單軸雙刀架進(jìn)行加工，首先需在零件表面打定位孔，采用氣動(dòng)夾緊零件兩側(cè)，有效保證零件加工時(shí)的穩(wěn)定性；由于固定點(diǎn)在零件正反面，因此不影響對(duì)零件外圓和內(nèi)孔的加工。僅用一個(gè)定位孔，無(wú)法有限固定加工件，至少需要兩個(gè)定位孔，定位孔位于圓盤上，在內(nèi)孔兩側(cè)，因此需對(duì)鉆床進(jìn)行專業(yè)改造，同時(shí)安裝兩個(gè)鉆頭，同步打孔，可有效確保準(zhǔn)確定位。

機(jī)床設(shè)計(jì)采用雙刀架，一把刀用于加工外圓，采用普通車刀即可，僅需進(jìn)行X軸與Z軸兩個(gè)方向的運(yùn)行；另一把刀用于加工內(nèi)孔，采用L型刀架，需進(jìn)行X軸與Z軸兩個(gè)方向的運(yùn)行，進(jìn)刀需謹(jǐn)慎，以免與加工件發(fā)生碰撞，損壞車床及刀具。

2 雙刀架數(shù)控車床的電氣控制設(shè)計(jì)

車床主軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)，電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)；內(nèi)外刀的X軸、Z軸需精確走位，因此均采用伺服驅(qū)動(dòng)，與普通數(shù)控車床一樣，各軸均需要相應(yīng)的零位開(kāi)關(guān)及限位開(kāi)關(guān)。

車床電氣控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

采用PLC作為主控器，同時(shí)在車床上加裝工業(yè)觸摸屏，以便進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置與設(shè)備狀態(tài)參數(shù)展示。PLC采用開(kāi)關(guān)量控制變頻器啟停，采用485通訊控制頻率的給定與狀態(tài)參數(shù)的讀??；采用方向信號(hào)和脈沖信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)器。PLC還需對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行控制，如工件夾緊電磁閥、照明、散熱風(fēng)扇等。

在PLC選型方面，因?yàn)镻LC需要控制四個(gè)伺服電機(jī)，而每個(gè)伺服電機(jī)控制都需要高速脈沖信號(hào)，同時(shí)對(duì)于各刀來(lái)說(shuō)，均需要走斜線（如加工倒角），此時(shí)需要運(yùn)用插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)指令，因此PLC選型需考慮運(yùn)動(dòng)控制功能。

3 雙刀架數(shù)控車床的控制程序設(shè)計(jì)

3.1 車床的自動(dòng)控制程序執(zhí)行準(zhǔn)備

3.1.1 外部器件參數(shù)設(shè)置

為滿足設(shè)備控制功能，首先需要對(duì)變頻器及伺服控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。針對(duì)變頻器，除了匹配電機(jī)參數(shù)外，還需要將變頻器控制方式選為V/F控制、運(yùn)行命令通道選為端子運(yùn)行命令、頻率源選為485通訊；伺服參數(shù)需根據(jù)實(shí)際設(shè)置電子齒輪比，需考慮電機(jī)編碼的分辨率、機(jī)械裝置的二級(jí)傳動(dòng)比、框架皮帶齒輪的大小等，需使數(shù)控車床的脈沖當(dāng)量設(shè)為0.001。這個(gè)時(shí)候發(fā)一個(gè)脈沖，絲桿要帶著托板走0.001mm。

3.1.2 初始化程序

圖1：加工件示意圖

每次開(kāi)機(jī)后只需對(duì)各軸（即內(nèi)X、內(nèi)Z、外X、外Z）實(shí)行回原點(diǎn)操作?；卦c(diǎn)執(zhí)行過(guò)程為，回原點(diǎn)指令發(fā)出后，高速回原點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)后，減速運(yùn)行，當(dāng)速度為爬行速度后，反轉(zhuǎn)，以爬行速度返回，再次檢測(cè)到原點(diǎn)信號(hào)下降沿信號(hào)時(shí)，即停止脈沖輸出，同時(shí)將當(dāng)前的絕對(duì)坐標(biāo)值清零。在回原點(diǎn)過(guò)程中若出現(xiàn)意外，點(diǎn)擊“取消”，刀架立即停止運(yùn)動(dòng)。

各軸回原點(diǎn)后，即可執(zhí)行對(duì)刀操作，外刀對(duì)刀方法為：夾緊工件后，啟動(dòng)主軸，然后按手動(dòng)進(jìn)刀開(kāi)始試車外圓，目測(cè)車大約3mm后，記錄當(dāng)前的位置信息，最后取下工件，測(cè)定所車工件的外徑及縱向臺(tái)階深度尺寸，即可通過(guò)計(jì)算得出外刀的坐標(biāo)坐標(biāo)。同樣方法，內(nèi)刀對(duì)刀時(shí)，進(jìn)行試車，目測(cè)車大約3mm后，記錄當(dāng)前的位置信息，最后測(cè)定所車工件的內(nèi)孔直徑、內(nèi)深度及工件厚度尺寸，即可測(cè)量即可通過(guò)計(jì)算得出內(nèi)刀的坐標(biāo)信息。

系統(tǒng)其它參數(shù)設(shè)置，如轉(zhuǎn)速系數(shù)，用于設(shè)置工件外圓線速度，即輸入工件的外徑尺寸，機(jī)床會(huì)自動(dòng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速與其相適應(yīng)；內(nèi)、外Z速度系數(shù)是內(nèi)、外刀縱向進(jìn)給速度相關(guān)的系數(shù)，推薦值30（0.3mm/r）；單刀量是指每刀進(jìn)刀量；尾刀量是指最后一刀的加工余量；“內(nèi)刀補(bǔ)償”、“外刀補(bǔ)償”是為了解決因?qū)Φ墩`差造成加工誤差而設(shè)置的。

為了方便加工，需加工要求規(guī)格設(shè)置為參數(shù)組，通過(guò)序號(hào)，調(diào)用相應(yīng)的加工規(guī)格，提高設(shè)備的通用性和可操作性。

3.1.3 車床半自動(dòng)流程

系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置完成后，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工；將工件裝夾在工裝上，按操作面板上的“夾緊”按鈕，氣缸頂緊后按“自動(dòng)”按鈕，機(jī)床同時(shí)對(duì)工件的內(nèi)孔及外圓按設(shè)定值進(jìn)行加工。完成后內(nèi)、外刀分別退出，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，按“松開(kāi)”按鈕，取下工件，即可完成對(duì)工件的加工。

4 工業(yè)機(jī)器人上下料設(shè)計(jì)

圖2：雙刀架數(shù)控車床電氣圖

目前雙刀架數(shù)控車床上下料等操作均是人工操作，為了提高工廠自動(dòng)化、智能化水平、減少人工，實(shí)現(xiàn)堵頭的全自動(dòng)加工，因此有必要在機(jī)床上下料設(shè)計(jì)中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床相互配合，滿足工件的加工需求，利用工業(yè)機(jī)器人完成零件抓取、上料、下料、裝夾、移位等操作，節(jié)省人工成本，提高生產(chǎn)效率。

4.1 夾具設(shè)計(jì)

為方便工業(yè)機(jī)器人抓取、上料、下料等操作，首先需設(shè)計(jì)合適夾具，設(shè)計(jì)夾具夾緊工件的外圈，采用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)完成夾緊操作，選擇合理的氣缸行程，使夾具即可完成成品的夾取，也可進(jìn)行原材料和半成品的夾取操作。

4.2 設(shè)備改造

為了使機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間進(jìn)行有序工作，要使加工工件的數(shù)控車床、打定位孔所用的鉆床實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控及自動(dòng)操作。數(shù)控車床采用PLC控制，無(wú)需硬件改造，但系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人作為主控單元，因此數(shù)控加工需在外部（機(jī)器人）發(fā)出命令后，自動(dòng)完成夾緊、關(guān)門、自動(dòng)加工等步驟，需對(duì)程序加以改動(dòng)，完成外部控制功能。鉆床為手動(dòng)操作，因此需將鉆床改為自動(dòng)加工，需將鉆床上、下行控制改為步進(jìn)或伺服電機(jī)控制，同時(shí)需設(shè)備的啟停和加工改為自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，因此需對(duì)鉆床增加主控器，可采用小型PLC設(shè)備（如西門子S7200SMART等）。

數(shù)控機(jī)床的上料時(shí)，因工件固定有定位銷，而定位銷固定于主軸上，跟隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而主軸采用變頻控制，自由停車，因此無(wú)法保證停車時(shí)定位銷一直在同一個(gè)角度，給機(jī)器人上料造成很大困難。采用三種方案進(jìn)行解決：

（1）工業(yè)機(jī)器人上增加視覺(jué)檢測(cè)模塊，通過(guò)視覺(jué)模塊，算出車床主軸停車角度，傳送角度數(shù)據(jù)給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)角度數(shù)據(jù)調(diào)整姿態(tài)，從而保證機(jī)器人能夠正常上料；

（2）工業(yè)機(jī)器人主軸驅(qū)動(dòng)改為帶絕對(duì)值編碼器的步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)，通過(guò)編碼器信號(hào)的反饋和控制程序的編寫，保證主軸每次停機(jī)均在固定角度姿態(tài)，從而證機(jī)器人能夠以固定姿態(tài)上料；

（3）采用防反轉(zhuǎn)機(jī)械卡槽機(jī)構(gòu)，主軸正常時(shí)，機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，主軸反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)卡槽使主軸卡在固定角度，保證主軸在每次上料前固定在一種姿態(tài)，從而證機(jī)器人能夠以固定姿態(tài)上料。

綜合比較，第一種方案因需增加視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備，價(jià)格高；第二種方案比第一種方案造價(jià)低，但由于要更換驅(qū)動(dòng)電機(jī)及相應(yīng)設(shè)備，另外因增加伺服或步進(jìn)電機(jī)的控制，機(jī)床PLC程序修改較大；第三種方案相對(duì)造價(jià)較低，可靠性高，變頻器低頻實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)控制也方便，機(jī)床PLC程序修改較方便，因此選用第三種方案。

5 雙刀架數(shù)控車床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)車床系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人代替原有人工，因此本系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人作為控制核心，工業(yè)機(jī)器人加裝I/O拓展模塊，鉆床、數(shù)控車床的狀態(tài)信號(hào)傳給工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字信號(hào)輸入點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人數(shù)字信號(hào)輸出點(diǎn)控制鉆床、數(shù)控車床啟、停、及其開(kāi)、關(guān)門等動(dòng)作。

為了保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，在啟動(dòng)之前系統(tǒng)會(huì)判斷工業(yè)機(jī)器人、上下料區(qū)、鉆床和數(shù)控車床是否符合運(yùn)行條件，系統(tǒng)各組成部分無(wú)故障報(bào)警。工業(yè)機(jī)器人即可按設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行運(yùn)行，包括自身運(yùn)動(dòng)、上下料、控制車床加工等。

機(jī)器人程序需按工作流程進(jìn)行編寫。工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)到車床（包括鉆床和數(shù)控車床）附近安全位置時(shí)，需首先判定車床當(dāng)前的狀態(tài)，確認(rèn)處于空閑時(shí)，即可向車床發(fā)出開(kāi)門信號(hào)，待確認(rèn)車床開(kāi)門狀態(tài)后，方可放置工件，但機(jī)器人運(yùn)行至安全位置后，方可發(fā)出向車床發(fā)出關(guān)門及加工指令，加工完成取工件同理，保證正常加工流程，防止出現(xiàn)撞車。

6 結(jié)語(yǔ)

本文首先設(shè)計(jì)了合理的雙刀架數(shù)控車床系統(tǒng)方案，適用于堵頭自動(dòng)化的加工，具有高度的自動(dòng)化水平，使機(jī)床能夠滿足快速、大批量的生產(chǎn)要求，節(jié)省了人力資源成本、提高了機(jī)床利用率。