適用于多通管接頭加工的分度卡盤設(shè)計(jì)

賈 夢(mèng) 傅 勇 王衛(wèi)英 蘇筱晴

(①南京航空航天大學(xué)機(jī)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(shí)，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(shí)現(xiàn)工件各端的連續(xù)加工，相比電動(dòng)、氣動(dòng)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(duì)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(shí)現(xiàn)工件的卡緊和分度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以對(duì)工件多個(gè)同軸表面進(jìn)行一次性加工[3]。

胡際勝[4]針對(duì)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(yàn)證了卡盤的工藝性。林偉儒[5]針對(duì)十字軸加工試制了一款液壓分度卡盤，試驗(yàn)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(yùn)用仿真分析方法對(duì)K55型動(dòng)力卡盤的夾緊力進(jìn)行研究，對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)力卡盤夾緊機(jī)構(gòu)的研究，建立了動(dòng)力卡盤的夾緊力和轉(zhuǎn)速的計(jì)算模型。

液壓卡盤使用時(shí)需接入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)只具有夾緊功能的動(dòng)力卡盤，王鵬云[8]等人介紹了動(dòng)力卡盤在西門子數(shù)控系統(tǒng)上的控制原理，宋嘎[9]針對(duì)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(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)了液壓卡盤的安全、可靠工作。

針對(duì)航空液壓多通管接頭的加工，本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了卡盤動(dòng)作的自動(dòng)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(jì)

1.1 分度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分度機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)加工件的分度轉(zhuǎn)位，需要將液壓缸活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉侄刃D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并限位。設(shè)計(jì)如圖1所示的分度機(jī)構(gòu)，由兩個(gè)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(gè)分度缸的出油口、進(jìn)油口相連，一個(gè)分度活塞進(jìn)位時(shí)另一個(gè)必然退位，保證了分度活塞動(dòng)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(dòng)旋轉(zhuǎn)，到位后由活塞頂緊限位。圖1a狀態(tài)時(shí)，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(shí)，油液方向改變，分度活塞1退位放開分度軸，同時(shí)活塞2進(jìn)位推動(dòng)分度軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到達(dá)圖1b的限位位置并鎖緊。再次轉(zhuǎn)位時(shí)，活塞2退位放開分度軸，活塞1進(jìn)位推動(dòng)分度軸繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

1.2 分度軸系設(shè)計(jì)

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(duì)軸系限位，由于卡盤無法實(shí)現(xiàn)自定心，安裝時(shí)需要配磨。

1.3 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)，工件位置保持不變，活塞推動(dòng)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(jī)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(jì)

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(dú)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(shí)，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(shí)隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，為減小旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)卡盤夾緊工件，工作在右位時(shí)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(gè)分度。液控單向閥的作用是在系統(tǒng)失壓時(shí)保持一定壓力，避免卡盤異常動(dòng)作，保證系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)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?？ūP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(shí)采用M24、M25作為卡盤分度轉(zhuǎn)位的指令?？ūP動(dòng)作相關(guān)的M代碼編號(hào)、功能及其對(duì)應(yīng)控制的繼電器編號(hào)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(shí)，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(hào)。

(2)CNC向PMC輸出M指令選通信號(hào)(MF)。

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

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

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

(6)PMC在接收到MF=0信號(hào)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(hào)后，結(jié)束輔助功能處理。

PMC梯形圖中，X、Y觸點(diǎn)分別代表機(jī)床側(cè)與PMC的輸入與輸出，F(xiàn)、G觸點(diǎn)分別代表CNC與PMC的輸入與輸出。R觸點(diǎn)代表PMC的內(nèi)部繼電器，K觸點(diǎn)代表PMC的斷電保持型內(nèi)部繼電器。其中Y觸點(diǎn)對(duì)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(jì)

2.2.1 輔助功能指令調(diào)用

調(diào)用M指令時(shí)，CNC將M代碼選通信號(hào)(MF)、分配結(jié)束信號(hào)(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(hào)譯碼輸出。例如，當(dāng)程序輸入為M10時(shí)，對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)R60.2被設(shè)為高電平，當(dāng)程序輸入為M24時(shí)，觸點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(yùn)行夾緊指令M10時(shí)，R60.2輸出高電平，Y0.3也輸出高電平，Y0.3對(duì)應(yīng)24V輸出端子，可以驅(qū)動(dòng)繼電器，將其接到液壓站的Y4繼電器上。R170.4觸點(diǎn)是控制面板按鈕對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)，當(dāng)按下控制面板的夾緊按鈕時(shí)，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(diǎn)，斷電后重新上電時(shí)，卡盤可以保持夾緊狀態(tài)。

編制松開梯形圖程序如圖10，運(yùn)行松脫指令M11時(shí)，R60.3輸出高電平，Y0.4也輸出高電平，將Y0.4的對(duì)應(yīng)端子接到液壓站的Y3繼電器上。R170.5觸點(diǎn)是機(jī)床按鈕對(duì)應(yīng)的輔助觸點(diǎn)，按下控制面板的對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，卡盤松脫。K4.4是斷電保持觸點(diǎn)，斷電后重新上電時(shí)，卡盤可以保持松脫狀態(tài)。觸點(diǎn)Y0.4與Y0.3只能有一個(gè)為高電平，保證了電磁閥動(dòng)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(yùn)行分度旋轉(zhuǎn)1指令M24時(shí)，R70.0輸出高電平，Y0.5也輸出高電平；運(yùn)行分度旋轉(zhuǎn)2指令M25時(shí)，R70.1輸出高電平，Y0.6也輸出高電平。將Y0.5對(duì)應(yīng)端子接到液壓站的Y2繼電器，Y0.6的對(duì)應(yīng)端子接到Y(jié)1繼電器，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序?qū)ūP分度旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制。圖中R270.4、R270.5觸點(diǎn)是機(jī)床按鈕對(duì)應(yīng)的輔助觸點(diǎn)，由于控制面板無對(duì)應(yīng)功能按鈕，因此改造“臺(tái)尾頂緊”按鈕用作分度旋轉(zhuǎn)。K4.5、K4.6為斷電保持觸點(diǎn)，斷電后重新上電時(shí)，卡盤可以保持原有狀態(tài)。Y0.5與Y0.6只能有一個(gè)為高電平，保證了電磁閥動(dòng)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(diǎn)R360.0的作用是檢查輔助功能程序運(yùn)行情況，當(dāng)其為高電平時(shí)代表對(duì)應(yīng)功能的程序段運(yùn)行完畢，卡盤動(dòng)作完成。當(dāng)MF(F7.0)與R360.0同時(shí)為高電平時(shí)，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(hào)，CNC收到結(jié)束信號(hào)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(yàn)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(jī)床按鈕控制卡盤動(dòng)作。

3 卡盤功能驗(yàn)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(cè)試卡盤功能。車床型號(hào)為沈陽一機(jī)的CAK6150Di，數(shù)控系統(tǒng)型號(hào)為FANUC 0iMate-TC。卡盤及液壓系統(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(yùn)行正常，動(dòng)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(jì)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(jì)并設(shè)計(jì)了卡盤液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完善了PMC梯形圖程序使卡盤體接入車床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)卡盤功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該款自動(dòng)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(diǎn)。