機(jī)床工件夾緊信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

申阿維，韓彥科，謝晶晶，楊春蘭

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

引言

在工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展的當(dāng)下，伴隨著人力成本的不斷上升，自動(dòng)化和智能化應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于廣泛用于數(shù)控加工的自動(dòng)化定位夾具，其夾緊機(jī)構(gòu)若失效[1]，則無(wú)法正常夾緊或者松開夾具，一旦系統(tǒng)不能及時(shí)檢測(cè)出該故障，設(shè)備和自動(dòng)化機(jī)構(gòu)都有可能發(fā)生安全事故。因此配套自動(dòng)生產(chǎn)線，機(jī)器人上下料對(duì)工件夾緊信號(hào)的檢測(cè)及反饋非常重要。

數(shù)控機(jī)床工件置于工裝后必須通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)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(dòng)、振動(dòng)，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(hào)反饋就顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)工件夾緊信號(hào)采集系統(tǒng)的研究，以便于設(shè)計(jì)出方便實(shí)用的裝置，對(duì)機(jī)床加工調(diào)試效率有很好的提升[2]。

1 工件夾緊信號(hào)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)有的機(jī)床夾緊檢測(cè)方式是采用兩個(gè)電感式接近開關(guān)分別檢測(cè)工作臺(tái)中心拉桿的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)拉緊放松狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(guān)的安裝位置，然后在安裝過(guò)程中進(jìn)行反復(fù)調(diào)整其安裝位置，才能準(zhǔn)確反饋信號(hào)，操作效率低，而且在更換工件種類時(shí)，因?yàn)楣ぜ煌瑠A具設(shè)計(jì)也不同，需要的拉緊行程還需重新調(diào)整，浪費(fèi)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(guò)，工裝設(shè)計(jì)的拉緊行程只有5 mm，而電感式接近開關(guān)直徑達(dá)12 mm，顯然檢測(cè)工件拉緊和放松的兩個(gè)開關(guān)在垂直空間上距離很近，導(dǎo)致機(jī)床加工運(yùn)行一段時(shí)間后，就出現(xiàn)夾緊放松開關(guān)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)，機(jī)床報(bào)警停機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)操作工需要拆開機(jī)床前面防護(hù)蓋，調(diào)整里面的觸發(fā)信號(hào)的觸頭位置并緊固，然而調(diào)整完后使用一段時(shí)間，又會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因，主要是接近開關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，即可使開關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供控制指令，當(dāng)兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)垂直方向錯(cuò)位距離小，某一種狀態(tài)下，感應(yīng)面與觸頭都有重疊區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致同時(shí)觸發(fā)拉緊放松開關(guān)信號(hào)。

機(jī)床在加工運(yùn)行中一旦報(bào)警停機(jī)，整個(gè)生產(chǎn)線就會(huì)癱瘓，對(duì)工廠造成損失。另一方面，用戶對(duì)機(jī)床的使用好感度降低，所以要從根本解決這個(gè)問(wèn)題，原有的電感式接近開關(guān)檢測(cè)，在各方面已經(jīng)滿足不了客戶使用要求，急需改進(jìn)優(yōu)化工件夾緊檢測(cè)機(jī)構(gòu)，換不同工件，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

改進(jìn)的工件夾緊檢測(cè)裝置，包括控制單元、動(dòng)力輸出單元、動(dòng)作執(zhí)行單元、檢測(cè)反饋單元。控制單元是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)電磁閥控制油缸；動(dòng)力輸出單元主要是油缸，通過(guò)改變進(jìn)出油方向，使活塞驅(qū)動(dòng)中軸拉桿上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊放松[3]；動(dòng)作執(zhí)行單元包括工作臺(tái)中軸拉桿，中軸拉桿與工裝夾具連接；檢測(cè)反饋單元是通過(guò)位移傳感器對(duì)拉緊到位位移的檢測(cè)，傳感器測(cè)量桿通過(guò)過(guò)渡零件與中軸活塞桿連接，位移信號(hào)反饋至數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)接收的信號(hào)執(zhí)行下一步動(dòng)作。

2 工件夾緊信號(hào)檢測(cè)步驟（如下頁(yè)圖1）

1）通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送工件夾緊信號(hào)給電磁閥，電磁閥打開，同時(shí)油缸一側(cè)腔體充油；

2）油缸推動(dòng)中軸拉桿向下移動(dòng)，中軸拉桿帶動(dòng)工裝夾具，進(jìn)而將工件夾緊；

3）中軸拉桿的移動(dòng)帶動(dòng)位移傳感器的測(cè)量桿移動(dòng)，電位計(jì)式位移傳感器測(cè)量噴涂在PCB上的導(dǎo)電電阻材料阻值，從而實(shí)現(xiàn)精密的控制和調(diào)節(jié)測(cè)量。滑刷安裝在連動(dòng)桿上和導(dǎo)電電阻材料緊密結(jié)合。

圖1 檢測(cè)步驟

4）經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，電位計(jì)滑刷上的信號(hào)毫無(wú)損耗地接入高阻抗輸入端，此信號(hào)能被轉(zhuǎn)換成與所測(cè)位移成正比例關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出（電壓信號(hào)），并保證信號(hào)的可靠性和抗干擾性；

5）處理后的位移信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理成數(shù)字量電壓信號(hào)；

6）最后將數(shù)字量電壓信號(hào)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(shí)，將工件安裝到夾具上，反復(fù)執(zhí)行夾緊放松動(dòng)作；通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)夾緊位置進(jìn)行標(biāo)記并記錄，同批工件，可選取幾個(gè)記錄值，計(jì)算出允許的偏差，對(duì)后續(xù)狀態(tài)準(zhǔn)確判斷。該夾緊信號(hào)檢測(cè)反饋裝置見圖2。隨著工件夾緊動(dòng)作指令執(zhí)行，油缸活塞向下動(dòng)作，與其固定連接的滑板帶動(dòng)過(guò)渡件向下移動(dòng)，電位計(jì)式位移傳感器連動(dòng)桿端頭固定在過(guò)渡件上，滑刷在其連動(dòng)桿上產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，檢測(cè)信號(hào)并反饋。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)導(dǎo)向板與滑板的接觸面平行度、粗糙度等均嚴(yán)格要求，減小傳感器連動(dòng)桿的側(cè)向受力。

3 驗(yàn)證

圖2 夾緊信號(hào)檢測(cè)反饋裝置

改進(jìn)的工件夾緊檢測(cè)裝置中直線位移傳感器很關(guān)鍵，在方案評(píng)審中，我們對(duì)其使用可行性進(jìn)行各方面剖析，經(jīng)過(guò)調(diào)研，測(cè)量精度高、使用壽命長(zhǎng)，適合應(yīng)用于不同場(chǎng)合，運(yùn)行次數(shù)100×106次，線性優(yōu)異，運(yùn)行速度最高可達(dá)10 m/s，滿足要求；油缸活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)位移傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，電位計(jì)式位移傳感器中的球鉸結(jié)構(gòu)耦合（可安裝在拉桿的任一端），可保證傳感器運(yùn)動(dòng)自如，即便是傳感器拉桿方向與運(yùn)動(dòng)受力方向存在側(cè)向張力，也不會(huì)損壞傳感器。由貴金屬制成的多觸點(diǎn)、帶有彈簧阻尼和獨(dú)立緩沖裝置的滑刷，即使在高速運(yùn)行或經(jīng)受沖擊和震蕩時(shí)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(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、出二維工程圖紙、機(jī)械裝配，最終經(jīng)過(guò)電氣反復(fù)調(diào)試，更換不同夾緊行程的工裝，其反饋信號(hào)均能保持穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期效果。在確保高重復(fù)定位精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了工件的快速夾緊。

4 結(jié)論

該夾緊信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)位移傳感器對(duì)中軸拉桿移動(dòng)位置進(jìn)行測(cè)量并反饋給系統(tǒng)，對(duì)加工不同規(guī)格工件的夾緊位置進(jìn)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(hào)開關(guān)位置，確保信號(hào)容錯(cuò)率，朝著智能化方向發(fā)展，與機(jī)器人上下料快速對(duì)接，提高了生產(chǎn)效率。