吳連偉，王樹軍，代志勇，劉曉龍，張德君

（濰柴動(dòng)力股份有限公司一號(hào)工廠，山東濰坊 261061）

0 引言

隨著企業(yè)智能制造的推進(jìn)與深入，過程智能化和自動(dòng)化物流系統(tǒng)在提升效益和降低成本方面作用突出，已經(jīng)成為企業(yè)提升綜合實(shí)力的重要舉措。

智能物流已成為自動(dòng)化、智能化工廠的重要條件之一。大多數(shù)的生產(chǎn)線采用機(jī)械手進(jìn)行工件的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，因此，保證機(jī)械手與各類機(jī)床工件交互過程中的絕對(duì)安全性成為首要條件，以避免工件自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的各類碰撞事故發(fā)生。

本文主要論述了自動(dòng)夾具全閉環(huán)監(jiān)控技術(shù)的幾種實(shí)踐應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合新生產(chǎn)線期望達(dá)到的設(shè)備安全性技術(shù)要求及后續(xù)的一些防碰撞改進(jìn)，系統(tǒng)闡述設(shè)備自動(dòng)夾具夾緊松開監(jiān)控技術(shù)。

1 夾具結(jié)構(gòu)及重要性分析

夾具是指機(jī)械制造過程中用來固定工件，使之處于正確的位置，以接受加工或檢測(cè)的裝置，又稱卡具。從廣義上說，在工藝過程中的任何工序，用來迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱為夾具[3]。

夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置）、夾緊裝置、對(duì)刀引導(dǎo)元件（確定刀具與工件的相對(duì)位置或?qū)б毒叻较颍⒎侄妊b置（使工件在一次安裝中能完成數(shù)個(gè)工位的加工，有回轉(zhuǎn)分度裝置和直線移動(dòng)分度裝置兩類）、連接元件以及夾具體（夾具底座）等組成。

使用機(jī)床上加工工件時(shí)，為使工件的表面能達(dá)到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的相互位置精度等技術(shù)要求，加工前必須將工件定位、夾緊。

在使用機(jī)械手進(jìn)行工件的物流轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，如安全措施不到位，往往發(fā)生工件與夾具或機(jī)械手與夾具的碰撞。在新工藝路線中，設(shè)備、工裝夾具以新增為主，因此，對(duì)于上述安全性方案，需在設(shè)備及夾具采購前期，在技術(shù)文本中明確工件自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中嚴(yán)禁各類碰撞的具體要求（圖1），并在后期的技術(shù)對(duì)接交流中確定其可靠性。

圖1 防碰撞技術(shù)要求

對(duì)于定型的設(shè)備，如加工中心裸機(jī)等，定制性要求如有部分不能滿足的，則需自行出具后續(xù)改進(jìn)方案并實(shí)施。

2 典型夾緊松開監(jiān)控形式

生產(chǎn)線加工類設(shè)備一般由專用機(jī)床和加工中心組成，其夾具與工件或與機(jī)械手的防碰撞措施包括：專用機(jī)床夾具夾緊、松開監(jiān)控；加工中心夾具夾緊、松開監(jiān)控，工件夾緊、松開確認(rèn)。

2.1 專用機(jī)床夾具夾、緊松開監(jiān)控形式

專用機(jī)床主要有國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口兩種，其夾具夾緊、松開監(jiān)控形式大同小異。

2.1.1 國(guó)產(chǎn)類專機(jī)

國(guó)產(chǎn)類專機(jī)夾具夾緊、松開監(jiān)控通常采用夾緊壓力與油缸到位雙重反饋，夾緊壓力反饋通常采用壓力繼電器（圖2），原理是夾緊油缸活塞到達(dá)終位，進(jìn)油管路持續(xù)供油導(dǎo)致壓力上升，達(dá)到壓力繼電器設(shè)定壓力觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作發(fā)出壓力反饋信號(hào)；油缸到位通常采用感應(yīng)油缸活塞運(yùn)動(dòng)是否到位的方式（圖3），感應(yīng)形式通常分為兩種，一是通過活塞上的磁環(huán)感應(yīng)外置開關(guān)，二是通過活塞桿外伸軸上的感應(yīng)塊感應(yīng)行程開關(guān)。

圖2 壓力繼電器反饋夾緊、松開信號(hào)

圖3 油缸末端的感應(yīng)塊確認(rèn)行程

國(guó)產(chǎn)類專機(jī)的雙重檢測(cè)能收到較好的反饋效果，但在實(shí)際應(yīng)用中，也發(fā)生過由于壓爪等執(zhí)行末端的斷裂松脫造成的機(jī)械手與工件頂撞事故。

2.1.2 進(jìn)口類專機(jī)

進(jìn)口類專機(jī)夾具夾緊、松開監(jiān)控通常也采用夾緊壓力與油缸到位雙重反饋，夾緊壓力反饋通常采用壓力傳感器（圖4），油缸到位也是采用感應(yīng)油缸活塞運(yùn)動(dòng)是否到位的方式，形式和國(guó)產(chǎn)類專機(jī)夾具大致相同。

圖4 進(jìn)口專機(jī)夾具夾緊、松開確認(rèn)形式

2.1.3 流量監(jiān)控

與國(guó)產(chǎn)專機(jī)相比，大多數(shù)進(jìn)口類專機(jī)夾具夾緊、松開還會(huì)采用流量監(jiān)控，在需監(jiān)控的液壓支路上加裝體積流量計(jì)（圖5）。

圖5 體積流量計(jì)監(jiān)控

體積流量計(jì)工作原理：流體帶動(dòng)流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部分產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，流體被連續(xù)不斷地分隔成單位體積并送往出口，流量計(jì)的測(cè)量元件只要測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，就可以得到通過流量計(jì)的流體體積累計(jì)值。

支路中液壓執(zhí)行元件每次動(dòng)作需要的流體量是一定的，若動(dòng)作未完成或存在異常情況，如管路破裂，則流體體積與系統(tǒng)設(shè)定值會(huì)出現(xiàn)較大偏差，設(shè)備機(jī)會(huì)出現(xiàn)異常報(bào)警。該方式尤其適合因空間限制、液壓執(zhí)行元件無法安裝感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)是否到位的環(huán)境。

2.2 加工中心夾具夾緊、松開監(jiān)控形式

以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)目前使用的德國(guó)HELLER 公司生產(chǎn)的MCH350加工中心及其配套夾具為例，分析其夾緊、松開控制及監(jiān)控形式。

2.2.1 加工中心與專機(jī)在夾具控制上的區(qū)別

不同的加工狀況，對(duì)夾具動(dòng)作的要求不同。精加工設(shè)備對(duì)工件的定位夾緊一般包括定位面清吹、定位、消隙、夾緊、輔助支撐等動(dòng)作，這些動(dòng)作在專機(jī)上都會(huì)有一一對(duì)應(yīng)的電磁閥來單獨(dú)控制。但HELLER 夾具采用順序控制方式，使用五端口的耦合器，介質(zhì)接口通過工作臺(tái)中心軸導(dǎo)入（圖6），可提供4 個(gè)端口用于液壓動(dòng)作，壓縮空氣通過中心噴嘴提供。夾具液壓控制使用4 個(gè)液壓接口，用于工件的夾緊、松開及夾緊、松開監(jiān)控（圖7）。工件的整個(gè)夾緊、松開過程均由一組電磁換向閥控制，順序控制是這類夾具的典型特點(diǎn)。

圖6 五端口耦合器

圖7 夾具液壓原理

2.2.2 工件夾緊確認(rèn)

工件夾緊需兩級(jí)確認(rèn)（圖8），一是工件貼合氣檢壓力高于設(shè)定值1.5 bar（0.15 MPa），使用壓力開關(guān)監(jiān)測(cè)；二是工件夾緊液壓力高于設(shè)定值180 bar（18 MPa），使用壓力開關(guān)監(jiān)測(cè)。

圖8 工件夾緊兩級(jí)確認(rèn)

2.2.3 工件松開確認(rèn)

工件松開同樣需兩級(jí)確認(rèn)（圖9），一是各夾緊及定位油缸松開氣檢壓力高于設(shè)定值1.5 bar（0.15 MPa），使用壓力開關(guān)監(jiān)測(cè)；二是工件夾緊液壓力低于設(shè)定值5 bar（0.5 MPa），使用壓力開關(guān)監(jiān)測(cè)。

圖9 工件松開兩級(jí)確認(rèn)

3 問題及應(yīng)對(duì)措施

機(jī)械手進(jìn)行工件的物流轉(zhuǎn)運(yùn)，其與機(jī)床進(jìn)行工件交互過程中的絕對(duì)安全性是首要問題，但在實(shí)際使用過程中，兩者之間的碰撞偶有發(fā)生，碰撞一般發(fā)生在工件處于加工完成后的卸料階段，是由夾具松開識(shí)別錯(cuò)誤引起的。

3.1 工件松開確認(rèn)原理

工件松開需要兩級(jí)確認(rèn)，一是監(jiān)測(cè)工件夾緊液壓力低于設(shè)定值；二是監(jiān)測(cè)各夾緊及定位油缸松開氣檢壓力高于設(shè)定值。液壓系統(tǒng)密閉性好，壓力反饋準(zhǔn)確性高，各夾緊及定位油缸松開氣檢環(huán)境較為惡劣，信號(hào)誤發(fā)主要由該環(huán)節(jié)引起。

油缸松開氣檢裝置如圖10所示，油缸的夾緊、松開帶動(dòng)氣檢活塞運(yùn)動(dòng)，使其封堵氣檢缸的兩處進(jìn)氣孔，圖中油缸處于松開狀態(tài)，氣檢活塞應(yīng)封堵氣檢缸下端進(jìn)氣孔，從而建立起工件松開的氣檢壓力。在各工裝夾具中，油缸大都安裝在夾具體加工出的底孔中，且處于開放狀態(tài)。加工中心加工區(qū)為密閉空間，切屑、霧氣、粉塵等雜質(zhì)會(huì)從氣檢缸底面排氣孔逐漸進(jìn)入氣檢缸內(nèi)部并慢慢形成粘稠狀物質(zhì)，這些粘稠物極易堵塞氣檢進(jìn)氣孔造成信號(hào)誤發(fā)。

圖10 油缸氣檢部位

現(xiàn)有夾具中，各種夾緊、松開油缸數(shù)量較多，定期清理會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，受產(chǎn)量制約，該部位難以實(shí)施定期清理，為避免發(fā)生頂撞事故，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)措施

夾具的結(jié)構(gòu)決定了頂撞事故的發(fā)生部位，現(xiàn)有各類夾具頂撞部位都是發(fā)生在主夾緊與工件之間，因此對(duì)夾具主夾緊狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控即可達(dá)到防止頂撞的目的。監(jiān)控形式是加裝感應(yīng)開關(guān)，并將反饋的信號(hào)串聯(lián)至原有的工件松開確認(rèn)程序段中。

3.2.1 主夾緊90°擺臂形式

如圖11 所示，夾具的擺臂在松開、夾緊兩種狀態(tài)下約呈90°，對(duì)于該類夾具，改進(jìn)措施是擺臂正前端安裝反光板，在卸料區(qū)擺臂徹底打開的相應(yīng)位置安裝反射型光電開關(guān)確認(rèn)。

圖11 主夾緊90°擺臂防碰撞改進(jìn)措施

3.2.2 主夾緊60°擺臂形式

如圖12 所示，夾具的擺臂在松開、夾緊兩種情況下均未呈垂直狀態(tài)，其夾角約為60°，該類夾具難以實(shí)現(xiàn)采用反光板反射形式。改進(jìn)措施是在卸料區(qū)擺臂徹底打開的相應(yīng)位置安裝障礙物型光電開關(guān)確認(rèn)。

圖12 主夾緊60°擺臂防碰撞改進(jìn)措施

3.2.3 主夾緊小壓爪形式

如圖13 所示，夾具的主夾緊為壓爪形式，且體積較小，對(duì)于該類夾具的改進(jìn)措施是采用檢測(cè)精度較高的光束型開關(guān)進(jìn)行確認(rèn)。

圖13 主夾緊壓爪防碰撞改進(jìn)措施

3.2.4 專機(jī)類夾具壓爪狀態(tài)再確認(rèn)

以上改進(jìn)措施是針對(duì)加工中心夾具做出的，因?yàn)闄z測(cè)開關(guān)安裝在設(shè)備的上下料區(qū)，檢測(cè)時(shí)不受切削狀態(tài)影響，光電類開關(guān)能發(fā)揮較好的效果，但是在單夾具的專機(jī)類設(shè)備上，上下料區(qū)與切削加工區(qū)在同一密閉空間，受濕式加工條件限制，光電開關(guān)不能發(fā)揮較好作用，因此，專機(jī)類設(shè)備通常使用防水型行程開關(guān)或者對(duì)光電開關(guān)加裝防護(hù)進(jìn)行夾具壓爪夾緊、松開再確認(rèn)（圖14）。

圖14 專機(jī)夾緊、松開確認(rèn)改進(jìn)措施

4 結(jié)束語

通過分析以機(jī)械手作為工件物流輸送為主體所采取的安全措施可以看出，生產(chǎn)線中的加工類設(shè)備在原設(shè)計(jì)中雖然考慮過防碰撞措施，但很難達(dá)到預(yù)效果。因此，在生產(chǎn)線的籌建階段，就應(yīng)該對(duì)線體的安全性從設(shè)備、工藝等多方面充分考慮，以求盡善盡美。

同時(shí)受部分因素影響，生產(chǎn)線的設(shè)備組成可能有裸機(jī)存在，這樣就容易引起設(shè)備的安全措施與線體要求存在差異的現(xiàn)象，為避免事故發(fā)生，要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。優(yōu)化改進(jìn)最關(guān)鍵的是措施制定環(huán)節(jié)，措施的制定一定以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物為主導(dǎo)，要根據(jù)實(shí)物特點(diǎn)制定改進(jìn)措施。