機床工件夾緊信號采集系統(tǒng)的設計與應用

申阿維，韓彥科，謝晶晶，楊春蘭

（陜西秦川精密數(shù)控機床工程研究有限公司，陜西 西安 710018）

引言

在工業(yè)自動化快速發(fā)展的當下，伴隨著人力成本的不斷上升，自動化和智能化應運而生。對于廣泛用于數(shù)控加工的自動化定位夾具，其夾緊機構若失效[1]，則無法正常夾緊或者松開夾具，一旦系統(tǒng)不能及時檢測出該故障，設備和自動化機構都有可能發(fā)生安全事故。因此配套自動生產(chǎn)線，機器人上下料對工件夾緊信號的檢測及反饋非常重要。

數(shù)控機床工件置于工裝后必須通過夾緊機構產(chǎn)生夾緊力，將工件拉緊在工裝夾具上并固定，避免由于加工中切削力、離心力等產(chǎn)生松動、振動，從而影響工件的加工精度及安全隱患，工件夾緊裝置的信號反饋就顯得尤為重要。通過對工件夾緊信號采集系統(tǒng)的研究，以便于設計出方便實用的裝置，對機床加工調(diào)試效率有很好的提升[2]。

1 工件夾緊信號采集系統(tǒng)簡介

現(xiàn)有的機床夾緊檢測方式是采用兩個電感式接近開關分別檢測工作臺中心拉桿的位置，來實現(xiàn)拉緊放松狀態(tài)監(jiān)測。這是通用的方法，但是存在缺陷，需要根據(jù)工件拉緊行程去調(diào)整電感式接近開關的安裝位置，然后在安裝過程中進行反復調(diào)整其安裝位置，才能準確反饋信號，操作效率低，而且在更換工件種類時，因為工件不同，夾具設計也不同，需要的拉緊行程還需重新調(diào)整，浪費了大量的人力物力，降低了生產(chǎn)效率。這在客戶使用中就出現(xiàn)過，工裝設計的拉緊行程只有5 mm，而電感式接近開關直徑達12 mm，顯然檢測工件拉緊和放松的兩個開關在垂直空間上距離很近，導致機床加工運行一段時間后，就出現(xiàn)夾緊放松開關信號同時觸發(fā)，機床報警停機，現(xiàn)場操作工需要拆開機床前面防護蓋，調(diào)整里面的觸發(fā)信號的觸頭位置并緊固，然而調(diào)整完后使用一段時間，又會出現(xiàn)同樣的情況。分析導致該現(xiàn)象的原因，主要是接近開關的感應面到動作距離時，即可使開關動作，從而驅動系統(tǒng)提供控制指令，當兩個感應開關垂直方向錯位距離小，某一種狀態(tài)下，感應面與觸頭都有重疊區(qū)，就會導致同時觸發(fā)拉緊放松開關信號。

機床在加工運行中一旦報警停機，整個生產(chǎn)線就會癱瘓，對工廠造成損失。另一方面，用戶對機床的使用好感度降低，所以要從根本解決這個問題，原有的電感式接近開關檢測，在各方面已經(jīng)滿足不了客戶使用要求，急需改進優(yōu)化工件夾緊檢測機構，換不同工件，經(jīng)過反復試驗驗證。

改進的工件夾緊檢測裝置，包括控制單元、動力輸出單元、動作執(zhí)行單元、檢測反饋單元。控制單元是機床數(shù)控系統(tǒng)，通過電磁閥控制油缸；動力輸出單元主要是油缸，通過改變進出油方向，使活塞驅動中軸拉桿上下移動，實現(xiàn)夾緊放松[3]；動作執(zhí)行單元包括工作臺中軸拉桿，中軸拉桿與工裝夾具連接；檢測反饋單元是通過位移傳感器對拉緊到位位移的檢測，傳感器測量桿通過過渡零件與中軸活塞桿連接，位移信號反饋至數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)接收的信號執(zhí)行下一步動作。

2 工件夾緊信號檢測步驟（如下頁圖1）

1）通過數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送工件夾緊信號給電磁閥，電磁閥打開，同時油缸一側腔體充油；

2）油缸推動中軸拉桿向下移動，中軸拉桿帶動工裝夾具，進而將工件夾緊；

3）中軸拉桿的移動帶動位移傳感器的測量桿移動，電位計式位移傳感器測量噴涂在PCB上的導電電阻材料阻值，從而實現(xiàn)精密的控制和調(diào)節(jié)測量。滑刷安裝在連動桿上和導電電阻材料緊密結合。

圖1 檢測步驟

4）經(jīng)過信號轉換器，電位計滑刷上的信號毫無損耗地接入高阻抗輸入端，此信號能被轉換成與所測位移成正比例關系的標準信號輸出（電壓信號），并保證信號的可靠性和抗干擾性；

5）處理后的位移信號經(jīng)過A/D轉換模塊處理成數(shù)字量電壓信號；

6）最后將數(shù)字量電壓信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)，記錄該位置，并顯示工件已夾緊。

更換不同工件時，將工件安裝到夾具上，反復執(zhí)行夾緊放松動作；通過數(shù)控系統(tǒng)對夾緊位置進行標記并記錄，同批工件，可選取幾個記錄值，計算出允許的偏差，對后續(xù)狀態(tài)準確判斷。該夾緊信號檢測反饋裝置見圖2。隨著工件夾緊動作指令執(zhí)行，油缸活塞向下動作，與其固定連接的滑板帶動過渡件向下移動，電位計式位移傳感器連動桿端頭固定在過渡件上，滑刷在其連動桿上產(chǎn)生相對移動，檢測信號并反饋。在結構設計時，對導向板與滑板的接觸面平行度、粗糙度等均嚴格要求，減小傳感器連動桿的側向受力。

3 驗證

圖2 夾緊信號檢測反饋裝置

改進的工件夾緊檢測裝置中直線位移傳感器很關鍵，在方案評審中，我們對其使用可行性進行各方面剖析，經(jīng)過調(diào)研，測量精度高、使用壽命長，適合應用于不同場合，運行次數(shù)100×106次，線性優(yōu)異，運行速度最高可達10 m/s，滿足要求；油缸活塞上下運動時帶動位移傳感器時會產(chǎn)生側向應力，電位計式位移傳感器中的球鉸結構耦合（可安裝在拉桿的任一端），可保證傳感器運動自如，即便是傳感器拉桿方向與運動受力方向存在側向張力，也不會損壞傳感器。由貴金屬制成的多觸點、帶有彈簧阻尼和獨立緩沖裝置的滑刷，即使在高速運行或經(jīng)受沖擊和震蕩時仍能保證與電阻片的可靠接觸，能充分滿足工況使用要求。

從理論設計到結構設計、出二維工程圖紙、機械裝配，最終經(jīng)過電氣反復調(diào)試，更換不同夾緊行程的工裝，其反饋信號均能保持穩(wěn)定可靠，達到了預期效果。在確保高重復定位精度的前提下，實現(xiàn)了工件的快速夾緊。

4 結論

該夾緊信號采集系統(tǒng)通過位移傳感器對中軸拉桿移動位置進行測量并反饋給系統(tǒng)，對加工不同規(guī)格工件的夾緊位置進行快速記錄，同批工件取平均值并帶偏差范圍，避免了人工頻繁調(diào)整信號開關位置，確保信號容錯率，朝著智能化方向發(fā)展，與機器人上下料快速對接，提高了生產(chǎn)效率。