大型CNC機床柔性隨行夾具的開發與實現

王新鄉，胡國清，周海峰

( 1． 集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

0 引言

工裝夾具是機械裝備制造業中不可缺少的基礎工藝元素[1],而柔性夾具又是數控加工質量和效率的保障[2]，目前針對小型結構件的柔性加工固持方案較多，例如三指或多指柔性夾具，自犧牲式柔性夾具等等，但由于這類夾具的夾持特點，并不適用于大型梁、肋構件的加工[3-6]。國內大型梁、肋的數控加工一直延用的加工固持技術主要是：在產品加工過程中留出工藝凸臺，通過壓板、螺釘與支撐，采用手工壓緊或壓緊螺釘直接壓緊。該技術存在工裝數量多、裝夾與機床、刀具干涉點多，材料浪費嚴重，工藝準備時間長，加工連續性差等諸多弊端[7-8]。針對梁架零件的加工，Te Li等[9]提出一種獨立于數控系統的多點夾具方案，該方案用三個激光傳感器和專用檢測平面，檢測刀具位置，利用虛擬網格法找出可能與刀具發生碰撞的夾具并進行避讓，從而實現柔性加工固持的要求。本文提出了一種新型柔性隨行夾具方案，取消了傳統工藝凸臺，改用夾具隨機床主軸隨動的固持工藝，利用原機床數控系統讀取主軸刀頭坐標，從而精確定位刀具位置，實現壓緊件隨行主軸避讓的功能。

1 系統整體結構方案設計

隨行夾具系統采用一體式結構，如圖1所示。底座兩端設置定位銷，中部擺放工件。執行元件為Festo CLR旋擺氣缸[10]，沿底座四周均勻分布。氣缸外部用波紋管密封保護，以防切屑液進入缸體。加工過程中，隨著主軸刀頭運動，氣缸擺臂帶動壓板完成“打開避讓”和“閉合按壓”兩個動作。為防止壓板動作時帶起切削損傷工件[11]，壓板的壓頭底部鉆有小孔，夾具打開和按壓時，釋放高壓氣體吹開下方切屑，如圖2所示。為了適應不同形狀工件的加工需求，系統有多種長度壓板可供更換，以實現柔性擴展能力。

2 控制系統總體方案設計

對系統的整體要求主要包括：1)實時讀取CNC(computer numerical control)機床主軸坐標數據；2)自動判斷主軸位置并避讓；3)具備一定的柔性擴展能力，可適應不同外形結構件加工；4)全方位監控，確保主軸安全。

2.1 CNC機床主軸實時坐標數據的讀取

數控系統加工前，將以夾具座的對刀原點為坐標原點進行對刀，因此，數控系統與隨動夾具系統使用相同的坐標系，CNC機床的主軸刀頭坐標就是隨動夾具系統的主軸位置。控制系統結構框圖如圖3所示。CNC系統數據處理器與隨行夾具控制端軟件采用C/S結構。上位PC機獲得主軸實時坐標數據的同時，通過機床以太網接口，根據TCP/IP協議將數據送給隨行夾具控制端的下位PC機。相比獨立于數控系統的夾具方案[9]，本方案主軸坐標參數直接從數控機床獲得，故坐標數據獲取時間更短且更為精確。

2.2 坐標數據的分析與處理

由于隨行夾具壓板的按壓區域亦為工件的加工區域，故主軸運行至壓板干涉區域時，該區域壓板應及時上提并順時針旋轉90°到安全位置，以避讓主軸。本系統中，主軸的最大進給速度可達到15 000 mm/min(空刀時)，故計算主軸與壓板干涉范圍時，除考慮主軸帶刀運行時的平面最大直徑(刀套直徑)、主軸的運行速度、壓板長度等因素，還應充分考慮系統響應時間的影響。

現以1#夾具壓板為例，計算該壓板的干涉區域并判斷其旋轉狀態。

如圖4所示，以夾具座對刀原點為坐標原點建立坐標軸。所有夾具在夾具座安裝完畢后，其旋轉中心位置即確定，分別設為P1(x1,y1)，P2(x2,y2)，…。

圖4中主軸運動中心坐標為Pd(x,y)，1#夾具旋轉中心坐標為P1(x1,y1)，兩點間距離為L；主軸與夾具的實際干涉半徑是夾具旋轉半徑Rj與主軸刀套半徑Rd之和；考慮到系統響應延時，設置緩沖距離Ls作為提前量，故干涉半徑取Rj+Rd+Ls。若L大于該半徑，則壓板壓緊工件，否則壓板打開避讓主軸。根據以上分析，取邏輯變量M1表示壓板狀態(M1為1，表示1#壓板旋轉避讓主軸；M1為0，表示1#壓板復位壓緊工件)，則有：

(1)

其中：Ls—緩沖距離，mm；Ls=Vc·Ts·Kt，Ts=T1+T2+T3+Tδ;Vc—切削時主軸刀頭的最大進給速度，mm/s；Ts—響應時間，s；Kt—時間修正系數；T1—系統獲得主軸刀頭實時坐標數據至PLC發出各夾具動作電信號時間，s；T2—氣動回路電磁換向閥收到電信號至各旋轉氣缸動作時間，s；T3—夾具開合到位至PLC收到傳感器反饋信號時間，s；Tδ—安全時間余量，s。

系統調試時，采用逐步逼近法，設置Ts變量至一個安全合適的數值。夾具在新調試好和使用一段時間后的往復時間有所不同，每使用一段時間后，通過改變夾具往復時間修正系數(Kt)對夾具往復旋轉所用時間進行修正。

2.3 系統柔性拓展能力的實現

當加工件的形狀改變時，需更換不同長度的夾具壓板以適配不同的加工需求。式(1)中，各隨行夾具的旋轉中心位置P1、P2…被設為變量，通過圖5所示組態參數輸入界面，輸入刀具直徑、主軸刀頭最大進給速度、壓板旋轉中心坐標、壓板長度等參數，系統即自動計算出新的變量數值。當加工工件長度或寬度方向有變化時，只需調整隨行夾具的位置或壓板長度，并重新輸入各參數，即可實現柔性控制的要求。

2.4 系統運行狀態監控及應急響應的實現

2.4.1 暫停主軸運行功能的實現

圖6中KA1常閉觸點的線圈由隨行夾具系統PLC控制，若隨行夾具系統正常工作，該常閉觸點斷開，CNC機床允許運行；若隨行夾具系統故障或掉電，或KA1線圈掉電，則該常閉觸點導通，CNC機床暫停。PLC同時對該觸點的聯鎖觸點進行監控，一旦該觸點出現故障，PLC會立即報警。報警期間，PLC將繼續控制夾具隨主軸運行，保障工人有充分的時間按照觸摸屏操作提示，手動控制CNC機床主軸抬高，停止隨行夾具系統運行。

2.4.2 系統運行狀態監控

隨行夾具系統中設置了專門的通訊監控定時器，一旦數據多次出錯或監控定時器遲遲未接收到數據，系統即啟動應急響應，并在組態界面及人機界面HMI中同時提示網絡故障。

同時對執行回路也進行監控。一旦反饋回路與執行回路數據不一致即觸發應急響應。

考慮到工作環境惡劣，反饋元件選擇FESTO的SME-8-K-LED-24位置傳感器，該傳感器可直接安放在旋擺氣缸上，通過監控氣缸伸縮，得到壓板的實際工作狀態。壓板執行回路的監控包括整體監控和獨立監控兩個部分，其程序片段分別如圖7、圖8所示。

整體監控程序將所有壓板狀態作為完整數據從PLC送到輸出端口，即開始比較傳感器反饋回來的壓板信號，判斷兩者是否一致，同時監控定時器開始計時，若監控時間到，兩數據仍未一致，則判定輸出或反饋回路故障，啟動應急響應。通過對比輸入輸出數據，PLC可以判斷出故障發生位置，在人機界面中顯示故障檢修建議。

獨立監控程序對每個壓板回路設置單獨的監控程序，監控輸出信號與反饋信號不一致的時間，如果該時間超過允許值，則判定該壓板回路故障，系統啟動應急響應。考慮到本系統中執行元件的響應時間約為190 ms，程序中使用高速輸入輸出指令REF將最新的壓板動作指令刷新到輸出端口，以提高系統整體響應速度。

人機界面HMI為PLC與操作人員交互的窗口，在系統工作前，由HMI提示并引導安裝操作；系統工作時，顯示各壓板工作狀態，如圖9所示。為了在系統故障時，立即顯示故障位置，并提供檢修建議，圖9中每個壓板均采用兩層疊壓設計(圖中每一個矩形框表示一個夾具壓板)，下層框作為狀態顯示框，與PLC程序中I/O點數據比對結果對應，正常顯示藍色，故障顯示紅色。上層框作為觸摸切換框，當狀態顯示框為紅色(故障)時，觸摸該壓板，可觸發上層框的“頁面跳轉”操作，跳轉到檢修建議頁面。

2.5 總體控制流程

根據以上設計得到系統總體控制流程如圖10所示。

圖10中各運行準備工作均由夾具隨動系統的PLC通過HMI的操作引導頁面引導完成，允許CNC機床“起動”后，PLC自動解除CNC機床鎖定，圖6中的KA1常閉觸點斷開，允許CNC機床運行。CNC機床運行期間，PLC與下位PC機配合，下位PC機讀取主軸刀頭當前坐標，PLC對整個系統的運行狀態進行監控，同時控制相應的夾具進行避讓，一旦出現異常，立即啟動應急響應。CNC機床加工完畢，HMI界面顯示“加工完畢”，PLC再次通過HMI引導完成零件拆吊工作直至結束。

3 控制方案的實現和驗證

根據以上設計方案制造的樣機實物如圖11所示。其設計加工范圍為2 800 mm×250 mm×70 mm；加工件選用某長梁，其尺寸為2 000 mm×210 mm×50 mm；配套機床為V2 2500B三坐標雙主軸數控龍門銑床，該銑床主軸功率50 kW，轉速50～10 000 r/min，當轉速為2 000 r/min時，最大扭矩為240 N·m，三坐標方向上的進給參數見表1。實際加工結果證明，本文所設計的柔性隨行夾具系統在與CNC機床配合時，各夾具運行平穩正常，實現了設計構想。當加工零件寬度為 210 mm時，可節約60 mm(2×30 mm)寬度的工藝凸臺材料，縮短加工準備時間約309 min。

表1 V2 2500B銑床主軸三坐標方向進給參數Tab.1 Feeding parameters V2 2500B milling machine spindles坐標Coordinate行程Trip/mm快移速度Fast moving speed/(mm·min-1)進給速度Feed speed/(mm·min-1)定位精度Positioningaccuracy/mmX20 00015 0000～15 0000.040Y2 50015 0000～15 0000.025Z65015 0000～15 0000.008

4 總結

本文以大型梁、肋零件為研究對象，采用夾具隨機床主軸隨動的固持工藝，設計了一種柔性隨行夾具。該夾具取消了傳統的工藝凸臺，利用原機床數控系統讀取主軸刀頭坐標，實現壓緊件隨行主軸避讓功能。經實際生產驗證，系統運行平穩，新工藝與傳統加工固持工藝相比，大大減小了材料浪費和加工準備時間。目前，該夾具可針對飛機、船舶、汽車等的大型梁、肋零件實行自動化隨行工裝，用于V2 2500B龍門銑床或性能參數類似的數控機床上，實現被加工產品的快速定位、無凸臺裝夾以及加工過程壓緊件隨行的功能。