高速數(shù)控機床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺的開發(fā)

張靜靜， 段向軍， 潘紅恩， 羅華安， 翟忠華

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，南京 210023；2.南京康尼電氣技術(shù)有限公司，南京 210013）

0 引 言

為落實好智能制造工程，倡導(dǎo)政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合，開發(fā)智能產(chǎn)品和自主控制的智能裝置并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化［1］?？ūP作為數(shù)控車床的重要功能部件，主要用于裝夾工件，其夾緊力的精確控制將直接影響數(shù)控機床加工的精度和可靠性?，F(xiàn)役的數(shù)控車床卡盤主要采用手工和自動兩種夾緊方法。其中，手工夾緊不但增加了操作者的勞動強度，而且夾持力、夾緊可靠性有賴于操作者經(jīng)驗和技能，導(dǎo)致手工夾緊效率低、精度差；而自動夾緊卡盤僅僅是實現(xiàn)自動操作，其夾緊力尚未能隨工況進行自適應(yīng)調(diào)整［2］。當(dāng)卡盤夾緊力降至加工所需的最小夾緊力時，工件便存在從卡爪上被甩出的危險，但卡盤夾緊力過大又會帶來工件變形，從而影響工件的加工精度，同時也會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，熱處理時應(yīng)力釋放產(chǎn)生變形或裂紋，尤其數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)時，卡盤夾緊力損失非常嚴(yán)重［3-4］。本文開發(fā)了高速數(shù)控車床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺，對于提高數(shù)控加工精度及實現(xiàn)智能制造具有一定的工程應(yīng)用價值，同時也為高職院校培養(yǎng)智能制造類技術(shù)技能型人才提供了硬件平臺［5-7］。

1 卡盤動態(tài)夾緊力自適應(yīng)控制方法

采用卡盤夾持工件時，確定合理的夾緊力尤為關(guān)鍵。加工過程中，數(shù)控車床夾持工件所需的實際夾緊力與切削力、離心力、摩擦力等緊密相關(guān)，

式中：F為卡盤所需的實際夾緊力；FJ為防止工件在主切削力FZ和軸向切削力FY作用下發(fā)生相對卡爪轉(zhuǎn)動和移動所需要的夾緊力；ΔFcm為離心力導(dǎo)致卡盤系統(tǒng)發(fā)生彈性變形所引起夾緊力的動態(tài)損失。

1.1 靜態(tài)夾緊力

數(shù)控車床加工時，工件的典型安裝方式及其力學(xué)模型如圖1所示。假設(shè)采用三爪卡盤夾緊工件，且三爪受力按近似等同處理，每個爪的夾緊力為FJ，每個夾緊點使工件轉(zhuǎn)動的切向力為M/（3d），其中切削力矩M＝（FZ·d）/2，使工件軸向移動的力為FY/3，因兩個力相互垂直，其合力為

圖1 車削力學(xué)模型

由于FZ?FY，忽略次要因素，則FJ＝FZ/3，F(xiàn)J的主要作用是防止工件在FZ和FY作用下相對卡爪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和移動。根據(jù)靜力平衡原理，再考慮安全因素，可得每爪所需的夾緊力近似為

式中：K為安全系數(shù)；μ為工件與卡爪之間的摩擦因數(shù)［8］；d為工件切削部分的直徑。

車削時的主切削力經(jīng)驗公式為

式中：ɑP為切削深度；f為進給量；vC為切削速度。式中各系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可查閱金屬切削手冊［9］。

1.2 動態(tài)夾緊力損失

高速切削時，慣性力會影響三爪夾緊力和夾持力可靠性，使實際夾緊力減小。馮平法等［10］對動態(tài)夾緊力損失的理論數(shù)學(xué)模型進行了有限元計算，得到轉(zhuǎn)速n和工件剛度對動態(tài)夾緊力的影響曲線圖（見圖2）。

圖2 n和K W對動態(tài)夾緊力損失的影響曲線擬合圖

利用圖形數(shù)字化軟件從圖2中的3條曲線提取3組數(shù)據(jù)，擬合出函數(shù)：

1.3 動態(tài)夾緊力自適應(yīng)控制方法設(shè)計

卡盤作為數(shù)控車床夾緊裝置的執(zhí)行機構(gòu)，以伺服油缸作為動力源，可對工件進行自動夾緊和松開。夾緊力自適應(yīng)控原理如圖3所示，系統(tǒng)的輸入量是卡盤夾緊工件實際所需壓力p，由PC機用式（1）、（4）～（6）計算給出。伺服油缸配置有壓力變送器，用以測量伺服油缸工作壓力，壓力變送器輸出端口經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)采集模塊送入PC機，在后臺進行數(shù)據(jù)處理并存儲，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)開發(fā)實驗平臺測控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其測量的壓力與給定值p對比，來調(diào)整伺服閥21的信號。系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)PID控制，使伺服油缸的工作壓力值與給定值p相同，以此實現(xiàn)卡盤動態(tài)夾緊力的自適應(yīng)調(diào)控。

對于選定的伺服油缸，夾緊力的大小與伺服油缸的壓力成對應(yīng)的線性關(guān)系：

式中：p為伺服油缸的壓力；ηcm為油缸的機械效率；A為伺服油缸的有效面積，

D為伺服油缸內(nèi)徑。

基于上述卡盤動態(tài)夾緊力的監(jiān)控原理，結(jié)合數(shù)控車床的實際工作工況（卡盤夾緊和尾座夾緊），構(gòu)建了如圖3所示的卡盤動態(tài)夾緊力自適應(yīng)控制，它涉及卡盤夾緊和尾座夾緊兩大油路，具體實現(xiàn)過程如下。

圖3 基于液態(tài)控制的卡盤動態(tài)夾緊力自適應(yīng)控制

（1）卡盤夾緊油路中，電動機8通過聯(lián)軸器驅(qū)動變量葉片泵9，輸出的液壓油經(jīng)過單向閥10、減壓閥16進入伺服閥21的P口，從A、B油口經(jīng)液壓鎖23進入伺服油缸，回油經(jīng)液壓鎖23、伺服閥21的T口流回油箱?？刂破靼l(fā)出控制指令給伺服閥21，控制伺服油缸活塞桿的伸縮，使卡盤夾緊、調(diào)節(jié)夾緊力、松開。伺服油缸入口處的壓力可通過減壓閥16來調(diào)節(jié)，入口處接有壓力變送器，壓力值與油缸有效面積的乘積即為卡盤的夾緊力，可以顯示在人機交互界面上。蓄能器26及時補充流量并穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，使卡盤夾緊力保持穩(wěn)定，液壓鎖23保證伺服油缸可靠鎖緊，壓力繼電器19用來控制回路的最高夾緊力。

（2）尾座夾緊油路中，壓力繼電器27要求能夠設(shè)定兩種壓力，即最高夾緊壓力和最低夾緊壓力。當(dāng)頂緊工件的壓力達到設(shè)定值時，壓力繼電器27發(fā)出信號，液壓泵14卸荷；當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到壓力繼電器27最低設(shè)定值時，同樣發(fā)出信號，使液壓泵14由卸荷狀態(tài)轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)，重新向液壓缸供油。由于單向閥的存在，油液不會倒流，保證機床在突然斷電或發(fā)生故障時，仍能將工件夾緊牢靠。尾座液壓夾緊回路使用單向閥、液壓鎖、具有Y型中位機能的電磁換向閥、壓力繼電器，使回路能夠長時間保壓［11-12］。

上述的兩大油路的執(zhí)行元件（即卡盤液壓缸和尾座液壓缸）能向控制系統(tǒng)反饋壓力及流量信號，夾緊力測試儀、電氣控制系統(tǒng)利用各種傳感器、計算機、人機交互界面和可編程控制（PLC）系統(tǒng)，完成對系統(tǒng)的檢測和反饋控制，根據(jù)不同工況下加工參數(shù)、切削條件等，通過控制、調(diào)整伺服油缸的壓力值，使卡盤的實際夾緊力可隨切削力及轉(zhuǎn)速變化而動態(tài)調(diào)節(jié)。

2 數(shù)控車床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺開發(fā)

2.1 硬件平臺設(shè)計

建立如圖4所示的數(shù)控機床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺，主要包括機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)拼裝臺、自動控制系統(tǒng)、測試及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，機械結(jié)構(gòu)主要由液壓動力卡盤、數(shù)控車床尾座組成，液壓系統(tǒng)拼裝臺設(shè)置有液壓元件快接板和液壓管道快速接頭，自動控制系統(tǒng)主要由人機交互界面、PLC、PC機組成。液壓系統(tǒng)的基本功能：①控制液壓卡盤的夾緊；②控制尾座套筒伸縮，使頂尖頂緊工件，以加強工件的剛性，防止在切削過程中發(fā)生振動。夾緊力測試儀用于檢測轉(zhuǎn)速、夾緊力［13］。通過各個機械模塊的互相配合，在自動控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)夾緊工件所需的各種機械運動。

圖4 數(shù)控車床液壓夾緊裝置實驗平臺工作原理圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

該實驗平臺夾緊工件的基本控制流程：首先實驗平臺系統(tǒng)初始化，將工件放入液壓卡盤中，然后通過自動控制系統(tǒng)可控制液壓卡盤的夾緊、松開，以及以液壓尾座的伸出和縮回；根據(jù)工件材料、直徑、壁厚、刀具、加工性質(zhì)、摩擦系數(shù)、切削用量等情況，通過對系統(tǒng)進行初始化，計算得到所需靜態(tài)夾緊力，控制、調(diào)整伺服油缸入口處液壓油的壓力值，實現(xiàn)工件的夾緊和松開；開機后，檢測主軸轉(zhuǎn)速，計算動態(tài)夾緊力損失及實際所需夾緊力，通過控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，實時卡盤夾緊力的自動調(diào)整，保證在車削過程中可靠夾緊工件，工作流程如圖5所示。

圖5 數(shù)控車床液壓夾緊裝置實驗臺的工作流程圖

采用西門子組態(tài)軟件WinCCflxible2008編寫電控系統(tǒng)人機界面［14-15］，如圖6所示。

圖6 卡盤動態(tài)夾緊力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主界面

3 實驗平臺的實驗教學(xué)與效果

3.1 平臺的實驗教學(xué)

我校數(shù)控技術(shù)專業(yè)通過調(diào)查2014～2018屆智能制造類專業(yè)群畢業(yè)生就業(yè)情況，緊密聯(lián)合數(shù)控車床企業(yè)，基于數(shù)控車床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺，開展多門專業(yè)課程的實驗教學(xué)，如表1所示。為探索智能制造類專業(yè)特色實驗平臺，大力加強培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計、工程實踐和合作意識。

表1 使用實驗平臺的實驗、實訓(xùn)項目

以企業(yè)項目——轉(zhuǎn)軸的數(shù)控加工為例，工件材料35CrMo，毛坯總長641 mm，左端、中間和右端圓柱面直徑分別為60、104、95 mm，采用一夾一頂?shù)难b夾方式。重要尺寸有等，表面上的精度為IT6級，粗糙度為1.6，需精細(xì)車或精磨才能達到表面上的精度為IT5級，粗糙度為0.8，需超精加工才能達到，而且表面上都需經(jīng)磁力探傷和超聲波探傷檢查。根據(jù)表面加工要求，各種方法能達到的經(jīng)濟精度及我?，F(xiàn)有加工設(shè)備，確定各表面的加工方法：粗車、半精車、精車、精細(xì)車。從數(shù)控加工程序的F代碼讀取進給量f，轉(zhuǎn)速n通過夾緊力檢測儀測得，實際切削速度

通過數(shù)據(jù)采集程序，設(shè)置其他參數(shù)，比如粗車?49p6的外圓并倒角是從數(shù)控加工程序第3行開始，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)開始執(zhí)行第3行代碼時，設(shè)置ɑP、K、μ、CFZ、xFZ、yFZ、nFZ、KFZ，這些參數(shù)同時顯示在卡盤動態(tài)夾緊力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主界面，控制系統(tǒng)得到以上參數(shù)，通過式（4）～（6）分別計算靜態(tài)夾緊力FJ、動態(tài)夾緊力損失ΔFcm和卡盤所需的實際夾緊力F，該平臺選用伺服油缸的內(nèi)徑D＝80 mm，通過式（6）、（7）計算伺服油缸的工作壓力，計算結(jié)果見表2。PLC將伺服油缸工作壓力p傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其與壓力變送器輸出的壓力信號對比，來調(diào)整伺服閥的信號，使伺服油缸用壓力變送器測得的壓力值與計算值相同，實現(xiàn)工件夾緊力的實時調(diào)整。用杠桿千分尺檢驗，加工的零件合格。因高速切削提高了加工表面的精度，與傳統(tǒng)切削相比，省去了后續(xù)精磨的工序，縮短了生產(chǎn)周期，同時又利用了學(xué)?，F(xiàn)有資源，不會帶來過多的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

3.2 實驗平臺的教學(xué)效果

為得到實驗平臺在教學(xué)中的真實效果，針對授課的2019～2020屆畢業(yè)生開展課程教學(xué)效果的跟蹤式反饋調(diào)查。主要調(diào)查實驗平臺對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、團隊合作的影響以及對學(xué)生項目設(shè)計的幫助；同時跟蹤調(diào)查在讀學(xué)生畢業(yè)設(shè)計課題中，涉及數(shù)控車床自適應(yīng)夾緊的相關(guān)知識的使用情況。調(diào)查結(jié)果顯示利用此平臺很大程度上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生可以更容易地掌握交叉學(xué)科知識，同時將多學(xué)科融合貫穿于實踐環(huán)節(jié)中，不但注重了工程知識的系統(tǒng)傳授，還突出培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的分析和研究能力；不但注重了個人學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，還培養(yǎng)了學(xué)生團隊協(xié)作和工程管理的能力；不但注重了專業(yè)知識技能的訓(xùn)練，還養(yǎng)成了學(xué)生在復(fù)雜社會環(huán)境中解決工程問題的思維方式。OBE教學(xué)模式中教學(xué)目標(biāo)聚焦于學(xué)生畢業(yè)之后所應(yīng)該具備的能力，教學(xué)內(nèi)容圍繞學(xué)生能力的培養(yǎng)，師資與教育資源支撐學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的達成，教學(xué)評價對象是學(xué)生學(xué)習(xí)效果，指向?qū)W生的未來職業(yè)發(fā)展。實驗平臺的教學(xué)設(shè)計契合OBE以學(xué)習(xí)者為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進的教學(xué)理念［16］。

表2 數(shù)控加工轉(zhuǎn)軸的參數(shù)設(shè)置、卡盤夾緊力及伺服油缸的工作壓力

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)役數(shù)控車床卡盤在工況下不能自主調(diào)控夾緊力的不足，設(shè)計了一種用于高速數(shù)控車床的自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺。實驗平臺可根據(jù)不同工況設(shè)置參數(shù)計算靜態(tài)夾緊力，運行過程中，實測主軸轉(zhuǎn)速，計算工件實際所需夾緊力及伺服油缸工作壓力。裝在伺服油缸入口處的壓力變送器向控制系統(tǒng)反饋信號，控制系統(tǒng)將其與電腦計算給出的壓力信號對比，來調(diào)整伺服閥的信號，使伺服油缸實測壓力值與計算值相同，以此實現(xiàn)數(shù)控車床卡盤夾緊力動態(tài)調(diào)控。設(shè)計的數(shù)控車床自適應(yīng)夾緊裝置實驗平臺，在我校智能制造類專業(yè)群實踐教學(xué)中的應(yīng)用表明，該實驗平臺有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，為智能制造類專業(yè)人才培養(yǎng)提供了有力支撐。