一種異形工件自動裝夾的車床主軸系統的研制

陳開銀，伍紹彬，楊景香

（1.湖南宇環智能裝備有限公司，湖南 長沙 410100；2.永清環保股份有限公司，湖南 長沙 410330）

0 引言

車床被認為是所有工業設備的工作“母機”。隨著現代工業的發展，自動化加工流水線的普及，工件的類型越來越豐富，為了適應異型工件的加工，對車床也提出了更高的要求，因此適用于異形工件而且可以自動裝夾工件的車床符合現代制造業的發展趨勢，將會給現代制造業帶來效率的巨大提升。

本文通過對車床主軸的智能化改造，使車床可以加工異形工件的回轉面，且在加工結束時將主軸精確地停在確定的位置上，并通過液壓控制可自動壓緊和松開工件，配合機械手，可滿足自動化生產線的需求。

1 車床主軸系統

本文研制了一種適合異形工件自動裝夾的車床主軸系統，由伺服電機、同步帶、旋轉接頭、編碼器、車床標準主軸、主軸連接法蘭、轉角油缸、壓板等組成，如圖1所示。該系統舍棄了車床原有的夾爪卡盤，改為特殊設計的主軸連接法蘭。主軸連接法蘭上的定位夾具根據工件設計，法蘭上設置有轉角油缸，通過液壓系統來控制壓板壓緊和松開工件。法蘭內部設置有油路，通過轉動主軸內部的油路，連接到主軸另一端的旋轉接頭，再到油缸。機床主軸上安裝有編碼器，與主軸固定。在每次加工結束后，通過檢查和校對主軸轉動角度，進一步控制和提高主軸轉動精度。

1.1 工件夾持

如圖2所示的某款鋁合金材質的機油泵泵體是一個異形工件，其內腔和油嘴是需要通過車削加工的，由于泵體周邊極不規則，傳統的三爪、四爪卡盤均不能滿足裝夾的需求。要實現適合機械手自動上下料的自動車削加工，必須要開發一款適用于自動加工異形工件的車床夾具工裝。本文在充分了解產品特性及加工工藝的情況下，設計了特殊的夾具工裝，與主軸連接并隨著主軸做回轉運動。當加工內腔時，工件豎直放置，夾具工裝結構設計如圖3所示；加工油嘴時，工件需水平放置，夾具工裝結構設計如圖4所示。主軸法蘭上設置有轉角油缸，轉角油缸上固定有用于壓緊工件的壓板，主軸法蘭內部設置有油路，這些油路一端與轉角油缸相連，另一端通過機床主軸內部的油路，連接到主軸尾部的旋轉接頭，再連接到液壓站進行油液的循環，使得整個液壓系統接入到中控系統中，通過程序統一控制液壓閥，在合適的時候控制壓板壓緊工件和松開工件。

圖1 適合異形工件自動裝夾的車床主軸系統

圖2 工件（機油泵泵體）

1.2 主軸準停

由于自動化生產線中需要機械手去抓取和放置工件，必須保證工件的位置精度，因此車床主軸停止轉動時必須精確停止到相應的位置。通用數控車床的主軸均是由同步帶與主軸伺服電機連接的，由于同步帶是柔性的，因此，主軸停止的位置控制精度達不到機械手上下料高精度準停的要求，為此，本文在車床主軸上安裝了增量式旋轉編碼器（見圖1），該旋轉編碼器由光柵盤（分度碼盤）和光電檢測裝置（接收器）兩部分組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔，光電檢測裝置固定于車床床身，光柵盤與主軸同軸固定，主軸旋轉時，光柵盤與電機同速旋轉，發光二極管垂直照射光柵盤，將光柵盤圖像投射到由光敏元件構成的光電檢測裝置上，光柵盤轉動所產生的光變化經轉換后以相應的脈沖信號變化輸出，控制系統通過對脈沖信號分析就可以精確地獲取主軸的角度位置信息。主軸伺服電機、同步帶和編碼器三者組成了驅動和檢測的閉環控制系統來控制主軸的精準位置。機床選用的伺服電機已具有相當高的準停精度，編碼器通過比較當前主軸位置和預期理想位置的差距，計算出主軸還應該轉動的圈數，并發送信號給伺服電機執行。接下來，伺服電機和編碼器會一直重復以上的過程，進行動態校正調整、位置檢查、發出信號、電機執行矯正，直至編碼器確認主軸位置達到預期精度，整個過程會在很短的時間內結束。

2 結論

（1）針對產品特性及加工工藝，設計開發了專用的適合于異形工件自動車削的夾具系統，解決了異形工件自動車削的裝夾問題。

（2）考慮到工件通過機械手自動上下料，需要非常高的定位精度，設計開發了主軸準停系統，實現了車床主軸的高精度準停，為自動化上下料打下了基礎。

圖3 工件豎直放置（加工內腔）

圖4 工件水平放置（加工油嘴）