網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具及控制*

蔡善樂 曹金濤

（①蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050;②蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具及控制*

蔡善樂①②曹金濤②

（①蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050;②蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

介紹了節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具基本結(jié)構(gòu)、分度、夾緊原理，設(shè)計(jì)了CNC、PLC組成的分度、夾緊自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精密分度、自動(dòng)夾緊、夾緊力穩(wěn)定可調(diào)可靠，與加工中心組合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球的自動(dòng)化加工。

節(jié)點(diǎn)球 自動(dòng)化夾具 CNC PLC 控制

節(jié)點(diǎn)球網(wǎng)架是一種新穎的大型庭院房頂屋蓋結(jié)構(gòu)，安裝方便、受力合理、造型美觀，發(fā)展前景廣闊。節(jié)點(diǎn)球是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的零件（圖1），其質(zhì)量的好壞，影響網(wǎng)架質(zhì)量。隨著網(wǎng)架的發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)種類越來越多。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)種類不同，節(jié)點(diǎn)球的規(guī)格、大小也不同，孔數(shù)、孔位也不同，全球面任意點(diǎn)都可能出現(xiàn)孔位，角度變化多，精度高，加工難度大。

本文研究的節(jié)點(diǎn)球多功能自動(dòng)化夾具與加工中心配合工作，在節(jié)點(diǎn)球一次裝夾后，自動(dòng)地完成節(jié)點(diǎn)球所有平臺(tái)、螺紋孔的加工;提高了效率，保證了精度;適合不同的規(guī)格品種。

1 節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具基本結(jié)構(gòu)

如圖2所示，是以虛擬球心為基準(zhǔn)、兩級(jí)浮動(dòng)、正交合成、數(shù)控分度、自動(dòng)夾緊的自動(dòng)化夾具結(jié)構(gòu)原理圖。該夾具分三部分：第一部分為支撐部分，由氣缸5和支撐爪6組成，完成對(duì)節(jié)點(diǎn)球9的支撐。第二部分為夾緊部分，由夾緊電動(dòng)機(jī)1、減速器2、浮動(dòng)聯(lián)軸器3、左右旋絲杠4、主動(dòng)主軸箱11、主動(dòng)夾爪10、從動(dòng)主軸箱7、從動(dòng)夾爪8和節(jié)點(diǎn)球9組成，完成對(duì)節(jié)點(diǎn)球的夾緊。該部分有兩套，相互垂直分布，定為A軸和B軸;第三部分為分度部分，由分度電動(dòng)機(jī)12、主動(dòng)主軸箱11內(nèi)部的主軸、主動(dòng)夾爪10、從動(dòng)主軸箱7內(nèi)部的主軸、從動(dòng)夾爪8和節(jié)點(diǎn)球9組成，在單軸夾緊狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)分度。此部分也為兩套，垂直分布，定為U軸（在A軸上方）和V軸（在B軸上方）。

2 自動(dòng)化夾具主要功能

2.1 分度功能

網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球全球面任意位置都可能出現(xiàn)孔位，要完成每個(gè)孔位的螺紋孔加工必須要進(jìn)行U、V軸的依次分度，使欲加工的螺紋孔轉(zhuǎn)到加工位置［2］。

國家建設(shè)部頒布的JGJ75.1－91標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球相鄰兩螺紋孔夾角公差為±20′，考慮到多孔位分度后的誤差積累，自動(dòng)化夾具的分度精度必須要高，分度精度定為 ±2′。

2.2 夾緊功能

節(jié)點(diǎn)球放入夾具后，在節(jié)點(diǎn)球上部是機(jī)床主軸，并安裝了一把初始位置定位元件，下部是一個(gè)氣缸控制的浮動(dòng)夾爪。工作時(shí)上部的初定位元件由機(jī)床控制系統(tǒng)控制下降到一個(gè)合適的位置，然后由下部的浮動(dòng)夾爪上升頂緊節(jié)點(diǎn)球，再由夾緊電動(dòng)機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)左右旋絲杠拖動(dòng)主、從動(dòng)主軸箱及夾爪向球心移動(dòng)，完成夾緊。在A、B兩軸依次完成夾緊后，再將初定位元件退回。至此節(jié)點(diǎn)球的位置已經(jīng)確定。將機(jī)床主軸換上相應(yīng)的銑刀、鉆頭、絲錐，就可以對(duì)節(jié)點(diǎn)球一個(gè)孔位進(jìn)行銑平臺(tái)、鉆孔和攻螺紋的加工。

為了提高效率，夾緊過程按快進(jìn)、慢進(jìn)、夾緊、快退四個(gè)階段進(jìn)行，這樣得有高速、低速及速度調(diào)整要求。夾緊要做到穩(wěn)定可靠、夾緊力必須有恒定措施。夾緊力太小，夾不緊工件，易松動(dòng);夾緊力過大，易引起夾爪、夾具等變形，都會(huì)影響到精度。

2.3 支撐功能

下部的支撐爪是由氣缸控制的，其作用是安裝節(jié)點(diǎn)球時(shí)起支撐節(jié)點(diǎn)球作用，加工時(shí)起到一部分支撐力的作用，分度時(shí)退到底部，與節(jié)點(diǎn)球懸空。

3 自動(dòng)化夾具控制

控制系統(tǒng)包括分度系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3.1 分度控制

夾具的分度精度直接影響到螺栓節(jié)點(diǎn)球的孔位精度，分度精度受電氣部分和機(jī)械部分的影響，將分度軸與分度電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，減小機(jī)械部分的誤差，電動(dòng)機(jī)的分度精度成為主要因素。為了提高電動(dòng)機(jī)的分度精度及實(shí)現(xiàn)無級(jí)分度，采用數(shù)控分度方法，由CNC系統(tǒng)控制伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字分度。見圖3所示。按孔位角度要求，將數(shù)控程序由鍵盤輸入CNC系統(tǒng)，CRT顯示器顯示輸入的程序和數(shù)據(jù)及工作過程、狀態(tài)等有關(guān)數(shù)據(jù)。工作時(shí)由操作面板啟動(dòng)按鈕進(jìn)行啟動(dòng)，發(fā)出信號(hào)經(jīng)PLC進(jìn)入CNC調(diào)用相關(guān)程序，進(jìn)行分析、譯碼運(yùn)算后，發(fā)出控制指令，通過D/A轉(zhuǎn)換、伺服驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)U軸、V軸分度。分度最小分辨率為13″，滿足節(jié)點(diǎn)球的精度要求。

3.2 夾緊控制

夾緊機(jī)構(gòu)采用微型三相交流異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)大減速比諧波減速器，左、右旋絲杠、螺母驅(qū)動(dòng)夾爪實(shí)現(xiàn)夾緊。為了滿足上面提出的夾緊要求，夾緊過程的移動(dòng)速度必須能調(diào)整控制。該夾具采用PLC、變頻器組成夾緊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可編程序變頻調(diào)速，控制電動(dòng)機(jī)，完成夾緊。夾緊控制電路如圖4所示。

PLC采用三菱FX2系列型號(hào)、繼電器輸出型。變頻器采用三菱FR—A044—2.2K型號(hào)。A、B軸夾緊電動(dòng)機(jī)采用250 W微型交流異步電動(dòng)機(jī)，因功率較小采用繼電器觸點(diǎn)控制通、斷即可。PLC左邊x端是輸入端子與操作面板的輸入按鈕，接收CNC、機(jī)床控制系統(tǒng)輸出通訊的信號(hào)相連接。PLC右邊y端是輸出端子與變頻器控制端子、繼電器線圈及發(fā)送給CNC、機(jī)床控制系統(tǒng)的通訊信號(hào)相連接。變頻器左邊為輸入端，R、S、T為50 Hz三相電源輸入端，其它為控制端子，由PLC輸出的信號(hào)控制變頻器工作狀態(tài);變頻器右邊為輸出端，U、V、W為經(jīng)過變頻的（1～200 Hz）三相電源輸出端，以達(dá)到控制MA、MB電動(dòng)機(jī)調(diào)速，RUN為夾緊力恒定信號(hào)輸出端，通過參數(shù)設(shè)定，夾緊力大小可以調(diào)整。PLC、變頻器的主要端子功能見表1。

表1 PLC、變頻器的主要端子功能

3.3 軟件系統(tǒng)

3.3.1 分度軟件

分度軟件在CNC系統(tǒng)內(nèi)分為分度系統(tǒng)軟件和用戶軟件。系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)主要是滿足分度功能要求，軟件結(jié)構(gòu)盡量簡單，以減少軟件占數(shù)據(jù)內(nèi)存的空間，降低成本。由前面的分度要求知：U、V軸依次按順序分度，不要求聯(lián)動(dòng)，因此該軟件可不要求插補(bǔ)、刀補(bǔ)等功能。分度系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示［3］。用戶軟件是用戶按分度系統(tǒng)軟件提供的規(guī)則、功能編制的數(shù)控代碼程序，輸入CNC系統(tǒng)可滿足節(jié)點(diǎn)球的分度要求。

3.3.2 夾緊軟件

夾緊軟件是用戶根據(jù)PLC功能采用梯形圖編制程序輸入PLC裝置以滿足夾緊要求，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、慢進(jìn)夾緊、快退、手動(dòng)、自動(dòng)等功能。

4 自動(dòng)化夾具工作過程

在控制上，分度系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)聯(lián)合工作，既能進(jìn)行手動(dòng)也能進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

4.1 手動(dòng)控制

當(dāng)S開關(guān)扳到x7點(diǎn)時(shí)為手動(dòng)方式。壓下SB1（見圖4、表1）內(nèi)部輸入繼電器x1得電閉合，使內(nèi)部繼電器y5、y3、y1得電輸出，繼電器K5得電，變頻器STF、RH端子輸入信號(hào)控制A軸電動(dòng)機(jī)MA及夾爪快進(jìn);當(dāng)夾爪快接近節(jié)點(diǎn)球時(shí)，由內(nèi)部定時(shí)器延時(shí)控制y3失電、y4得電，而轉(zhuǎn)為慢進(jìn);當(dāng)夾緊節(jié)點(diǎn)球時(shí)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，電流上升，達(dá)到某一定值（與所需的夾緊力對(duì)應(yīng)），RUN輸出信號(hào)，通過K8、x13端子輸入，而切斷電動(dòng)機(jī)，完成夾緊并由絲杠、諧波減速器自鎖。當(dāng)松開時(shí)，壓下SB2，x2得電，使 y5、y3、y2得電輸出，繼電器 K5得電，變頻器STF、RH端子輸入信號(hào)控制A軸電動(dòng)機(jī)MA及夾爪快退;快退的距離可由內(nèi)部定時(shí)器延時(shí)控制。B軸的夾緊松開由SB3、SB4按鈕控制，過程與A軸類似。SB5、SB6是氣缸升降的手動(dòng)控制。SB8為停止按鈕。

4.2 自動(dòng)控制

當(dāng)S扳到x10點(diǎn)時(shí)為自動(dòng)方式。在自動(dòng)方式下壓下SB7自動(dòng)啟動(dòng)按鈕和機(jī)床聯(lián)合進(jìn)行工作，完成節(jié)點(diǎn)球各孔位的分度、夾緊、螺紋孔加工。自動(dòng)加工流程框圖如圖6所示。

5 應(yīng)用實(shí)例

將節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具安裝在ZH5132立式加工中心上進(jìn)行聯(lián)合控制，在對(duì)φ120 mm、九個(gè)螺紋孔、孔端平臺(tái) φ40 mm、螺紋 M20 mm、孔深30 mm，孔底深40 mm的節(jié)點(diǎn)球進(jìn)行自動(dòng)加工，只需20 min完成。加工過程穩(wěn)定可靠，精度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

6 結(jié)語

（1）節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具分度系統(tǒng)采用CNC控制，提高了分辨率和分度精度;

（2）夾緊系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制，很方便地完成快進(jìn)、慢進(jìn)、夾緊、快退;夾緊力恒定可調(diào)，夾緊速度可調(diào);

（3）節(jié)點(diǎn)球自動(dòng)化夾具可方便與加工中心進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制;節(jié)點(diǎn)球一次裝夾后，自動(dòng)地完成節(jié)點(diǎn)球所有平臺(tái)、螺紋孔的加工，提高了效率，保證了精度;適合多種節(jié)點(diǎn)球的規(guī)格品種加工。

1 蔡善樂，蔣鈞鈞，張永貴.網(wǎng)架螺栓節(jié)點(diǎn)球的CAD/CAM集成初探［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27（1）：35 ～37

2 蔡善樂焦衛(wèi)東張永貴.網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球數(shù)控加工夾緊信息的識(shí)別與提取［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27（3）：23～26

3 王永章等.數(shù)控技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004：170～190

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The Robotization Clamp in Sphere Nodes Grid’s Machining And Control

CAI Shanle①②，CAO Jintao②
（①Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，CHN;②College of Electromechanical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，CHN）

In this article，the principle of the basic structure，angle dividing and clamping about the sphere node’s robotization clamp are introduced.The angle’s dividing and clamping control system consists of CNC，PLC are designed.It can realize dividing accurately angle ，clamping automatically，adjusting stably clamping speed.When combined with the processing center，it can produce sphere node automatically.

Sphere Node;Robotization Clamp;CNC;PLC;Control

TP21/27

A

* 國家計(jì)委基金資助項(xiàng)目（9612052）

蔡善樂，男，1954年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)電一體化，數(shù)控技術(shù)，發(fā)表論文50余篇。

（編輯 孫德茂）（

2009―05―17）

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