數控龍門銑附件頭自動裝卸及轉位功能實現

甄亞濤

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

數控龍門銑配備直角附件頭、延伸附件頭和窄直角附件頭，可以實現5 個面的自動加工。實現附件頭的自動裝卸及轉位，在很大程度上節約了加工輔助時間，降低了操作者的勞動強度。

以XKA2430×80 數控龍門銑（定梁）為例，分別從設備的松拉刀機械結構、液壓油缸機構的動作實現及其原理、PLC 程序的設計及報警提示信息等方面進行分析，對附件頭的自動裝卸及轉位功能的實現進行闡述。

1 機械部分

1.1 設備組成

XKA2430×80 數控龍門銑機械結構主要由工作臺、橫梁、立柱、滑枕及拖板、附件頭庫等組成[1]。本設備配備了1 個直角附件頭、1 個窄直角附件頭（可完成產品狹小空間處的加工）、1 個延伸附件頭及相應的3 個附件頭小車，其中僅直角與窄直角附件頭需要進行自動轉位，以實現一次抓取完成產品4 個面的加工。

1.2 附件頭

與附件頭裝卸及轉位有關的機構如圖1 所示。

（1）抓取附件頭流程。確認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 軸移動至附件頭正上方，此時依次先后松開捕捉器、副拉爪、主軸拉爪。Z 軸向下移動至滑枕下端面與附件頭上表面距離40 mm 處（Z 軸坐標為-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）拉緊副拉釘（此時附件頭完全拉緊，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程基本相同，當Z 軸移動至-472.0 位置時，依次先后松開捕捉器、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）直角附件頭轉位流程。附件頭轉位過程與卸附件頭過程類似，當副拉爪松開后，捕捉器夾緊的狀態下（作為安全保護），主軸拉爪半松開，此時附件頭上表面與滑枕下端面的距離為40 mm，鎖緊鍵塊插進主拉釘機構內的槽內（正常加工時，此鎖緊銷為縮回狀態）。此時，當主軸旋轉時可帶著附件頭整體作4×90°旋轉。旋轉至相應角度后，主軸拉爪拉緊，然后副拉爪拉緊，至此完成附件頭轉位的整個過程。

1.3 副拉爪松緊機構

副拉爪松緊機構（共4 個）主要由拉緊油缸、松開油缸、碟形彈簧和拉爪等部件組成，如圖2 所示。當執行附件頭抓取動作時，先是松開油缸通入高壓油（27 MPa 左右），壓縮蝶形彈簧使副拉爪打開，然后松開油缸卸壓，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。

此套機構每組碟形彈簧的拉緊力為16 kN，液壓油缸的拉緊力為27 kN，合計拉緊力為43 kN，4 個拉緊機構合計為43×4=172 kN，此拉緊力可保證附件頭在進行切削加工時的穩定。

1.4 主軸拉爪松緊機構

主軸拉爪松緊機構與副拉爪松緊機構類似，不同之處為主軸松拉爪油缸安裝在Z 軸滑枕的上方，需要設計傳力桿將油缸活塞向下的壓力施加在主軸拉爪機構上。此油缸執行單元可以實現拉爪在3 個位置，即拉緊位置、松開位置以及半松開位，故又稱為“三位油缸”。

圖1 直角附件頭部分結構

圖2 副拉釘松緊機構

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。在執行主軸拉爪放松時，僅油腔2 內通入18 MPa 的壓力油，推動活塞2 向下移動，進而壓縮碟簧，松開主軸拉爪（拉爪位移為49.6 mm）。當油腔2 內壓力油卸荷時，在蝶形彈簧的作用下，推動活塞2 向上移動，拉爪夾緊。

當執行附件頭轉位動作時，油腔1 先通入壓力油將活塞1向上移動，油腔2 后通入壓力油。活塞1 向上移動后，便限制了活塞2 向下移動的行程（因上下腔壓力相等），此時主軸拉爪將處于半松開狀態，附件頭上表面與滑枕下端面的距離為40 mm，可以執行附件頭轉位動作。

2 液壓原理

由上文分析可知，附件頭裝卸及轉位共涉及到3 個液壓油路，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/放松共用一個液壓泵輸出油路，設計系統油路壓力為17 MPa。油路設置儲能器及高低壓檢測壓力繼電器，在執行動作時，確保輸出壓力不會瞬間掉落。副拉爪夾緊放松油路與此類似，設計壓力為27 MPa。

電磁閥動作表見表1，其中，“+”為通電，“-”為斷電。以主軸拉爪中位為例，當電磁閥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狀態。

表1 電磁閥動作表

3 PLC 控制程序

機床在運行NC 程序抓取或卸下附件頭、附件頭轉位的過程中，由PLC 負責采集并處理外部輸入邏輯信號，控制機床各執行機構的動作，并接受處理數控系統發出的指令信息。

3.1 附件頭及其小車識別

機床裝/卸附件頭時，首先需確認相應的附件頭小車已到位，在小車的停靠位置裝有3 個行程開關，以識別不同的小車信息，見表2，其中，“1”為有信號，“0”為無信號。滑枕下端面裝有7個接近開關，以識別附件頭號及附件頭角度，以直角附件頭為例，角度識別見表3，其中，“1”為有信號，“0”為無信號。

表2 小車識別

3.2 附件頭裝卸程序設計

首先介紹西門子數控系統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附件頭轉位開始、M85 附件頭轉位結束、M76 為松主軸拉爪、M77 為緊主軸拉爪，此類M 指令均為動態功能代碼，動態M 功能（M00～M99）由基本PLC 程序解碼[2]。

表3 角度識別

如M84 指令對應的PLC 點位為DB21.DBX204.4，此信號為一個掃描周期信號，需要用其他輔助M 點位進行狀態保存。

上述NC 程序對應PLC 程序處理的過程如下。

上述程序段完成了在抓取附件頭時主軸拉爪夾緊條件的判斷，以及主軸拉爪液壓閥路的控制，并實現主軸拉爪抓緊動作。

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，實現了捕捉器的夾緊動作。

附件頭卸下及轉位的程序時相應M 指令的執行及邏輯動作控制與上述類似，在此不作敘述。

3.3 提示信息及報警程序

利用西門子DB2 數據塊可以激活西門子系統內相應的報警文件，并在相應的報警/提示界面可以看到機床當前的報警及狀態提示信息。以副拉爪夾緊為例，程序段如下。

由上述程序可知，當4 個副拉爪信號同時為1 時則會提示副拉爪已拉緊，相反，若任意一個或多個信號為0 時，則會觸發副拉爪拉緊故障。

4 總結

從機械結構、液壓控制原理、PLC 控制程序等多方面進行分析，以實現數控龍門銑附件頭的自動裝卸及轉位，很大程度縮短設備輔助作業時間，降低人工參與程度及勞動強度。