龍門機床附件銑頭自動交換裝置設計

王增新 許翠芳 王文強

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

配備附件銑頭的三坐標數控龍門機床，具有一次裝卡、五面加工的優異性能，性價比較高，在數控加工制造企業應用較為普遍。附件銑頭的交換過程比較復雜，手動交換費時費力、嚴重影響機床的使用效率。而且附件銑頭生效時，刀具姿態、銑頭尺寸發生變化，相關坐標的限位保護等控制程序要發生相應變動。

筆者研制的數控三坐標龍門銑床，配備了附件銑頭自動交換裝置，并運用多種技術對附件銑頭和防護蓋板的交換、使用過程進行控制，提高了機床的性能和使用效率。

1 機床概述

FG32040 MA數控三坐標龍門銑床(圖1)的總體結構為固定龍門工作臺移動式，三軸聯動，配備自動交換附件銑頭，可進行五面加工。

主要技術參數:主軸功率為37 kW(S1)/45 kW(S6);主軸扭矩為1300 N·m(S1)/1900 N·m(S6);主軸最高轉速為4000 r/min;工作臺尺寸為4000mm×2000mm;坐標最大移動速度為15000mm/min。

FG32040 MA是針對航空數控零件加工特點設計制造的，機床結構緊湊、剛性大、功能強，主要用于鈦合金、高強度結構鋼、鑄鐵等材料制成的航空零件及工裝模具的強力數控加工。

2 自動交換附件銑頭接口設計

附件銑頭自動交換結構設計，包括定位、夾緊、傳動、控制、防護等部分。附件銑頭的接口(圖2)設計與滑枕和機床主軸密切相關，需要在滑枕端面、機床主軸周圍布置液壓、氣動、冷卻、控制等配套快插接頭和定位裝置，配套主軸相關尺寸也要根據結構需要作相應設計。

端齒盤是自動交換附件銑頭的定位裝置，其安裝的同軸度、安裝面的平面度、安裝面相對主軸軸線的垂直度都會影響附件銑頭的幾何精度。因此，端齒盤安裝面的精度要求很高，而且端齒盤定位圓錐銷的配鉸，需在附件銑頭所有幾何精度調試完成后進行，確保附件銑頭的工作精度。

4個拉緊油缸和機床主軸拉刀機構，共同作用完成附件銑頭的拉緊與松開動作。拉緊油缸的安裝必須保證在同一平面，而且與機床主軸拉刀機構具有一定的位置關系，4個油缸的拉緊與松開動作必須同步，才能保證附件銑頭的拉緊與松開動作正常。

附件銑頭轉位和主軸旋轉的動力源均來自機床主軸電動機，通過主傳動系統的機床主軸錐柄驅動，附件銑頭轉位和主軸旋轉的動作切換由附件銑頭內部機構實現。附件銑頭內部設有一油缸，油缸活塞運動實現附件銑頭C擺轉位齒輪和主軸旋轉齒輪的工作狀態切換，控制附件銑頭C擺轉位或主軸旋轉并互鎖保護。油缸的動作由液壓閥進行控制，通過分別安裝在滑枕端面和附件銑頭端面的快插接頭進行聯通。

附件銑頭每個動作執行到位的檢測均需要傳感器進行反饋，附件銑頭C擺夾緊、松開到位檢測為附件銑頭內部傳感器進行反饋，其余位置檢測均需設計相應外部傳感器。附件銑頭C擺和主軸的角度位置控制信號，均來自機床主軸的旋轉編碼器。

附件銑頭與滑枕的連接界面，因功能需要分布有端齒盤、拉緊油缸和快插接頭。在不連接附件銑頭時，這些元件都應該被可靠防護，以免污損影響附件銑頭的正常工作。防護蓋板(圖3)正是基于此設計的，在附件銑頭取下時由4個油缸拉起防護蓋板對連接界面諸多接口進行有效防護。

此外，接口設計過程中還要考慮定位端齒盤、快插接頭、拉緊油缸、附件銑頭錐柄的相關配合尺寸，在保證各功能正常前提下預留一定安全間隙。

附件銑頭和機床主軸的定位、夾緊、控制、位置檢測等功能的實現依賴諸多控制線纜和管線(圖4)，需要在滑枕內部進行排布。滑枕端部與附件銑頭相關的連接板、主軸套筒和滑枕的結構設計初期就需要考慮好各種管線的排布(圖5)、扳手空間等諸多事項，否則后期裝配調試時很難處理此類問題。

3 自動交換裝置設計

自動交換裝置，分為兩部分，如圖6所示，下層為附件銑頭自動交換的頭庫小車，上層為防護蓋板自動交換的蓋板小車。小車均由氣缸推動，沿線性導軌運行。小車工作時，由氣缸推出到位，滑枕主軸沿 Y向移動至附件銑頭或防護蓋板的正上方，然后下降至Z向設定位置，主軸和相關配套附件配合完成附件銑頭或防護蓋板的自動交換功能。

附件銑頭和防護蓋板自動交換功能的安全設計，是自動交換功能設計的關鍵要素。自動交換控制流程(圖7)包含若干步驟，每一步驟的執行都要具備相應的前提條件，只有當系統確認條件滿足時才能夠執行下一步指令。

附件銑頭自動交換流程中每一步動作的完成，均需要由相應的控制信號進行確認，確保動作到位。其中，防護門、頭庫小車、蓋板小車到位檢測，由安裝在氣缸上的磁環開關提供反饋信號。機床主軸有刀/無刀檢測、小車前方障礙物檢測、附件銑頭/防護蓋板在庫檢測、附件銑頭/防護蓋板工作位置檢測，均需設計相應的傳感器進行反饋。正常工作的控制邏輯是附件銑頭和防護蓋板只有其中之一在庫，且安裝在滑枕端部的傳感器提供相應的反饋，確認未在庫的附件銑頭或防護蓋板在工作位置。

機床主軸拉刀/松刀信號，是用接近開關檢測機床主軸后端檢測環的位置提供反饋，只有當機床主軸處于無刀拉緊狀態，才能夠執行自動抓取附件銑頭或防護蓋板的指令。若機床主軸的檢測環與拉刀機構相連，則能夠區分機床主軸的無刀拉緊、有刀拉緊和松刀3種工作狀態。部分主軸的檢測環是與松刀油缸的活塞相關聯，而油缸在非松刀狀態必須退回油缸底部才允許主軸旋轉，此類設計的主軸就無法提供有刀拉緊的檢測位置，必須從外部設置長距離探測傳感器檢測機床主軸端部是否有刀。

小車前方障礙物檢測，是為了保證小車推出時不會撞到工件、卡具、維護人員等發生危險。由于小車具有較大截面，單個傳感器難以覆蓋整個區域。因此，為保證小車推出的安全，設定小車推出時工作臺處于遠離主軸的極限行程位置，使得工作臺上的工件、卡具等遠離小車的工作位置。由于傳感器的探測范圍是如圖8所示的紡錘形，障礙物檢測的工作距離為0～750mm，將障礙物檢測傳感器安裝于小車的前下部，能夠有效探測位于工作臺面邊緣的障礙物，防止自動交換過程中發生危險。

此外，附件銑頭自動交換裝置設計過程中還要考慮小車移動的定位精度、交換位置的幾何精度、交換裝置的剛性等影響自動交換功能的其他因素，在自動交換流程調試完成后還要作若干次的運行測試，確保工作過程穩定可靠。

4 結語

自動交換附件銑頭相關機構、接口及自動交換裝置設計，是一個系統工程，需要從結構、布局、安全、工藝性等多角度綜合考慮，既要保證相關功能又要保證各項精度，并且還要結合實際運行試驗驗證整個系統功能的可靠性。