數(shù)控龍門(mén)銑附件頭自動(dòng)裝卸及轉(zhuǎn)位功能實(shí)現(xiàn)

甄亞濤

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

數(shù)控龍門(mén)銑配備直角附件頭、延伸附件頭和窄直角附件頭，可以實(shí)現(xiàn)5 個(gè)面的自動(dòng)加工。實(shí)現(xiàn)附件頭的自動(dòng)裝卸及轉(zhuǎn)位，在很大程度上節(jié)約了加工輔助時(shí)間，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

以XKA2430×80 數(shù)控龍門(mén)銑（定梁）為例，分別從設(shè)備的松拉刀機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓油缸機(jī)構(gòu)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)及其原理、PLC 程序的設(shè)計(jì)及報(bào)警提示信息等方面進(jìn)行分析，對(duì)附件頭的自動(dòng)裝卸及轉(zhuǎn)位功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。

1 機(jī)械部分

1.1 設(shè)備組成

XKA2430×80 數(shù)控龍門(mén)銑機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由工作臺(tái)、橫梁、立柱、滑枕及拖板、附件頭庫(kù)等組成[1]。本設(shè)備配備了1 個(gè)直角附件頭、1 個(gè)窄直角附件頭（可完成產(chǎn)品狹小空間處的加工）、1 個(gè)延伸附件頭及相應(yīng)的3 個(gè)附件頭小車，其中僅直角與窄直角附件頭需要進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)位，以實(shí)現(xiàn)一次抓取完成產(chǎn)品4 個(gè)面的加工。

1.2 附件頭

與附件頭裝卸及轉(zhuǎn)位有關(guān)的機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

（1）抓取附件頭流程。確認(rèn)附件頭小車與附件頭已推放在指定位置后，首先Z 軸升至安全位置，Y 軸移動(dòng)至附件頭正上方，此時(shí)依次先后松開(kāi)捕捉器、副拉爪、主軸拉爪。Z 軸向下移動(dòng)至滑枕下端面與附件頭上表面距離40 mm 處（Z 軸坐標(biāo)為-472.0，即主軸拉爪抓取主拉釘位置），主軸拉爪夾緊并抓起附件頭（此時(shí)滑枕下端面與附件頭上表面間隙有1～3 mm），然后副拉爪（4個(gè)）拉緊副拉釘（此時(shí)附件頭完全拉緊，前述1～3 mm 間隙消除），捕捉器夾緊夾持件凹槽處，至此附件頭完全安裝到位，Z 軸上升至安全位置。

（2）卸附件頭流程。卸附件頭的順序與上述過(guò)程基本相同，當(dāng)Z 軸移動(dòng)至-472.0 位置時(shí)，依次先后松開(kāi)捕捉器、副拉爪、主軸拉爪，至此附件頭剛好落放在附件頭小車上，然后Z 軸向上移動(dòng)至安全位置，依次先后拉緊主軸拉爪、副拉爪，捕捉器夾緊，卸附件頭完成。

（3）直角附件頭轉(zhuǎn)位流程。附件頭轉(zhuǎn)位過(guò)程與卸附件頭過(guò)程類似，當(dāng)副拉爪松開(kāi)后，捕捉器夾緊的狀態(tài)下（作為安全保護(hù)），主軸拉爪半松開(kāi)，此時(shí)附件頭上表面與滑枕下端面的距離為40 mm，鎖緊鍵塊插進(jìn)主拉釘機(jī)構(gòu)內(nèi)的槽內(nèi)（正常加工時(shí)，此鎖緊銷為縮回狀態(tài)）。此時(shí)，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)可帶著附件頭整體作4×90°旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度后，主軸拉爪拉緊，然后副拉爪拉緊，至此完成附件頭轉(zhuǎn)位的整個(gè)過(guò)程。

1.3 副拉爪松緊機(jī)構(gòu)

副拉爪松緊機(jī)構(gòu)（共4 個(gè)）主要由拉緊油缸、松開(kāi)油缸、碟形彈簧和拉爪等部件組成，如圖2 所示。當(dāng)執(zhí)行附件頭抓取動(dòng)作時(shí)，先是松開(kāi)油缸通入高壓油（27 MPa 左右），壓縮蝶形彈簧使副拉爪打開(kāi)，然后松開(kāi)油缸卸壓，拉緊油缸通高壓油，并同碟簧力的共同作用下，副拉爪夾緊副拉釘，即抓緊附件頭。

此套機(jī)構(gòu)每組碟形彈簧的拉緊力為16 kN，液壓油缸的拉緊力為27 kN，合計(jì)拉緊力為43 kN，4 個(gè)拉緊機(jī)構(gòu)合計(jì)為43×4=172 kN，此拉緊力可保證附件頭在進(jìn)行切削加工時(shí)的穩(wěn)定。

1.4 主軸拉爪松緊機(jī)構(gòu)

主軸拉爪松緊機(jī)構(gòu)與副拉爪松緊機(jī)構(gòu)類似，不同之處為主軸松拉爪油缸安裝在Z 軸滑枕的上方，需要設(shè)計(jì)傳力桿將油缸活塞向下的壓力施加在主軸拉爪機(jī)構(gòu)上。此油缸執(zhí)行單元可以實(shí)現(xiàn)拉爪在3 個(gè)位置，即拉緊位置、松開(kāi)位置以及半松開(kāi)位，故又稱為“三位油缸”。

圖1 直角附件頭部分結(jié)構(gòu)

圖2 副拉釘松緊機(jī)構(gòu)

三位油缸主要包括（上腔）活塞1、（下腔）活塞2 以及油缸體等部件。在執(zhí)行主軸拉爪放松時(shí)，僅油腔2 內(nèi)通入18 MPa 的壓力油，推動(dòng)活塞2 向下移動(dòng)，進(jìn)而壓縮碟簧，松開(kāi)主軸拉爪（拉爪位移為49.6 mm）。當(dāng)油腔2 內(nèi)壓力油卸荷時(shí)，在蝶形彈簧的作用下，推動(dòng)活塞2 向上移動(dòng)，拉爪夾緊。

當(dāng)執(zhí)行附件頭轉(zhuǎn)位動(dòng)作時(shí)，油腔1 先通入壓力油將活塞1向上移動(dòng)，油腔2 后通入壓力油?；钊? 向上移動(dòng)后，便限制了活塞2 向下移動(dòng)的行程（因上下腔壓力相等），此時(shí)主軸拉爪將處于半松開(kāi)狀態(tài)，附件頭上表面與滑枕下端面的距離為40 mm，可以執(zhí)行附件頭轉(zhuǎn)位動(dòng)作。

2 液壓原理

由上文分析可知，附件頭裝卸及轉(zhuǎn)位共涉及到3 個(gè)液壓油路，即主軸拉爪夾緊放松油路、副拉爪夾緊放松油路、捕捉器夾緊放松油路等。主軸拉爪與捕捉器夾緊/放松共用一個(gè)液壓泵輸出油路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)油路壓力為17 MPa。油路設(shè)置儲(chǔ)能器及高低壓檢測(cè)壓力繼電器，在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，確保輸出壓力不會(huì)瞬間掉落。副拉爪夾緊放松油路與此類似，設(shè)計(jì)壓力為27 MPa。

電磁閥動(dòng)作表見(jiàn)表1，其中，“+”為通電，“-”為斷電。以主軸拉爪中位為例，當(dāng)電磁閥YV003、YV001 先后依次得電（因上下腔壓力相等，所以YV001 要在YV003 得電5 s 后再得電，才可起到限制活塞2 向下行程的作用），YV002 斷電的情況下，主軸拉爪將處于半松開(kāi)狀態(tài)。

表1 電磁閥動(dòng)作表

3 PLC 控制程序

機(jī)床在運(yùn)行NC 程序抓取或卸下附件頭、附件頭轉(zhuǎn)位的過(guò)程中，由PLC 負(fù)責(zé)采集并處理外部輸入邏輯信號(hào)，控制機(jī)床各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，并接受處理數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信息。

3.1 附件頭及其小車識(shí)別

機(jī)床裝/卸附件頭時(shí)，首先需確認(rèn)相應(yīng)的附件頭小車已到位，在小車的?？课恢醚b有3 個(gè)行程開(kāi)關(guān)，以識(shí)別不同的小車信息，見(jiàn)表2，其中，“1”為有信號(hào)，“0”為無(wú)信號(hào)。滑枕下端面裝有7個(gè)接近開(kāi)關(guān)，以識(shí)別附件頭號(hào)及附件頭角度，以直角附件頭為例，角度識(shí)別見(jiàn)表3，其中，“1”為有信號(hào)，“0”為無(wú)信號(hào)。

表2 小車識(shí)別

3.2 附件頭裝卸程序設(shè)計(jì)

首先介紹西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)M 功能指令譯碼，定義M80 為松拉爪、M81 為緊拉爪、M82 為松捕捉器、M83 為緊捕捉器、M84附件頭轉(zhuǎn)位開(kāi)始、M85 附件頭轉(zhuǎn)位結(jié)束、M76 為松主軸拉爪、M77 為緊主軸拉爪，此類M 指令均為動(dòng)態(tài)功能代碼，動(dòng)態(tài)M 功能（M00～M99）由基本PLC 程序解碼[2]。

表3 角度識(shí)別

如M84 指令對(duì)應(yīng)的PLC 點(diǎn)位為DB21.DBX204.4，此信號(hào)為一個(gè)掃描周期信號(hào)，需要用其他輔助M 點(diǎn)位進(jìn)行狀態(tài)保存。

上述NC 程序?qū)?yīng)PLC 程序處理的過(guò)程如下。

上述程序段完成了在抓取附件頭時(shí)主軸拉爪夾緊條件的判斷，以及主軸拉爪液壓閥路的控制，并實(shí)現(xiàn)主軸拉爪抓緊動(dòng)作。

上述程序段完成了捕捉器夾緊指令的處理，并完成了捕捉器夾緊閥路的控制，實(shí)現(xiàn)了捕捉器的夾緊動(dòng)作。

附件頭卸下及轉(zhuǎn)位的程序時(shí)相應(yīng)M 指令的執(zhí)行及邏輯動(dòng)作控制與上述類似，在此不作敘述。

3.3 提示信息及報(bào)警程序

利用西門(mén)子DB2 數(shù)據(jù)塊可以激活西門(mén)子系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的報(bào)警文件，并在相應(yīng)的報(bào)警/提示界面可以看到機(jī)床當(dāng)前的報(bào)警及狀態(tài)提示信息。以副拉爪夾緊為例，程序段如下。

由上述程序可知，當(dāng)4 個(gè)副拉爪信號(hào)同時(shí)為1 時(shí)則會(huì)提示副拉爪已拉緊，相反，若任意一個(gè)或多個(gè)信號(hào)為0 時(shí)，則會(huì)觸發(fā)副拉爪拉緊故障。

4 總結(jié)

從機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓控制原理、PLC 控制程序等多方面進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控龍門(mén)銑附件頭的自動(dòng)裝卸及轉(zhuǎn)位，很大程度縮短設(shè)備輔助作業(yè)時(shí)間，降低人工參與程度及勞動(dòng)強(qiáng)度。