高速數控機床自適應夾緊裝置實驗平臺的開發

張靜靜， 段向軍， 潘紅恩， 羅華安， 翟忠華

（1.南京信息職業技術學院智能制造學院，南京 210023；2.南京康尼電氣技術有限公司，南京 210013）

0 引 言

為落實好智能制造工程，倡導政產學研用聯合，開發智能產品和自主控制的智能裝置并實現產業化［1］。卡盤作為數控車床的重要功能部件，主要用于裝夾工件，其夾緊力的精確控制將直接影響數控機床加工的精度和可靠性。現役的數控車床卡盤主要采用手工和自動兩種夾緊方法。其中，手工夾緊不但增加了操作者的勞動強度，而且夾持力、夾緊可靠性有賴于操作者經驗和技能，導致手工夾緊效率低、精度差；而自動夾緊卡盤僅僅是實現自動操作，其夾緊力尚未能隨工況進行自適應調整［2］。當卡盤夾緊力降至加工所需的最小夾緊力時，工件便存在從卡爪上被甩出的危險，但卡盤夾緊力過大又會帶來工件變形，從而影響工件的加工精度，同時也會產生較大的內應力，熱處理時應力釋放產生變形或裂紋，尤其數控車床高速旋轉時，卡盤夾緊力損失非常嚴重［3-4］。本文開發了高速數控車床自適應夾緊裝置實驗平臺，對于提高數控加工精度及實現智能制造具有一定的工程應用價值，同時也為高職院校培養智能制造類技術技能型人才提供了硬件平臺［5-7］。

1 卡盤動態夾緊力自適應控制方法

采用卡盤夾持工件時，確定合理的夾緊力尤為關鍵。加工過程中，數控車床夾持工件所需的實際夾緊力與切削力、離心力、摩擦力等緊密相關，

式中：F為卡盤所需的實際夾緊力；FJ為防止工件在主切削力FZ和軸向切削力FY作用下發生相對卡爪轉動和移動所需要的夾緊力；ΔFcm為離心力導致卡盤系統發生彈性變形所引起夾緊力的動態損失。

1.1 靜態夾緊力

數控車床加工時，工件的典型安裝方式及其力學模型如圖1所示。假設采用三爪卡盤夾緊工件，且三爪受力按近似等同處理，每個爪的夾緊力為FJ，每個夾緊點使工件轉動的切向力為M/（3d），其中切削力矩M＝（FZ·d）/2，使工件軸向移動的力為FY/3，因兩個力相互垂直，其合力為

圖1 車削力學模型

由于FZ?FY，忽略次要因素，則FJ＝FZ/3，FJ的主要作用是防止工件在FZ和FY作用下相對卡爪產生轉動和移動。根據靜力平衡原理，再考慮安全因素，可得每爪所需的夾緊力近似為

式中：K為安全系數；μ為工件與卡爪之間的摩擦因數［8］；d為工件切削部分的直徑。

車削時的主切削力經驗公式為

式中：ɑP為切削深度；f為進給量；vC為切削速度。式中各系數、指數及修正系數可查閱金屬切削手冊［9］。

1.2 動態夾緊力損失

高速切削時，慣性力會影響三爪夾緊力和夾持力可靠性，使實際夾緊力減小。馮平法等［10］對動態夾緊力損失的理論數學模型進行了有限元計算，得到轉速n和工件剛度對動態夾緊力的影響曲線圖（見圖2）。

圖2 n和K W對動態夾緊力損失的影響曲線擬合圖

利用圖形數字化軟件從圖2中的3條曲線提取3組數據，擬合出函數：

1.3 動態夾緊力自適應控制方法設計

卡盤作為數控車床夾緊裝置的執行機構，以伺服油缸作為動力源，可對工件進行自動夾緊和松開。夾緊力自適應控原理如圖3所示，系統的輸入量是卡盤夾緊工件實際所需壓力p，由PC機用式（1）、（4）～（6）計算給出。伺服油缸配置有壓力變送器，用以測量伺服油缸工作壓力，壓力變送器輸出端口經過PLC數據采集模塊送入PC機，在后臺進行數據處理并存儲，應用LabVIEW虛擬儀器技術開發實驗平臺測控系統，控制系統將其測量的壓力與給定值p對比，來調整伺服閥21的信號。系統采用壓力閉環PID控制，使伺服油缸的工作壓力值與給定值p相同，以此實現卡盤動態夾緊力的自適應調控。

對于選定的伺服油缸，夾緊力的大小與伺服油缸的壓力成對應的線性關系：

式中：p為伺服油缸的壓力；ηcm為油缸的機械效率；A為伺服油缸的有效面積，

D為伺服油缸內徑。

基于上述卡盤動態夾緊力的監控原理，結合數控車床的實際工作工況（卡盤夾緊和尾座夾緊），構建了如圖3所示的卡盤動態夾緊力自適應控制，它涉及卡盤夾緊和尾座夾緊兩大油路，具體實現過程如下。

圖3 基于液態控制的卡盤動態夾緊力自適應控制

（1）卡盤夾緊油路中，電動機8通過聯軸器驅動變量葉片泵9，輸出的液壓油經過單向閥10、減壓閥16進入伺服閥21的P口，從A、B油口經液壓鎖23進入伺服油缸，回油經液壓鎖23、伺服閥21的T口流回油箱。控制器發出控制指令給伺服閥21，控制伺服油缸活塞桿的伸縮，使卡盤夾緊、調節夾緊力、松開。伺服油缸入口處的壓力可通過減壓閥16來調節，入口處接有壓力變送器，壓力值與油缸有效面積的乘積即為卡盤的夾緊力，可以顯示在人機交互界面上。蓄能器26及時補充流量并穩定系統壓力，使卡盤夾緊力保持穩定，液壓鎖23保證伺服油缸可靠鎖緊，壓力繼電器19用來控制回路的最高夾緊力。

（2）尾座夾緊油路中，壓力繼電器27要求能夠設定兩種壓力，即最高夾緊壓力和最低夾緊壓力。當頂緊工件的壓力達到設定值時，壓力繼電器27發出信號，液壓泵14卸荷；當系統壓力下降到壓力繼電器27最低設定值時，同樣發出信號，使液壓泵14由卸荷狀態轉入運行狀態，重新向液壓缸供油。由于單向閥的存在，油液不會倒流，保證機床在突然斷電或發生故障時，仍能將工件夾緊牢靠。尾座液壓夾緊回路使用單向閥、液壓鎖、具有Y型中位機能的電磁換向閥、壓力繼電器，使回路能夠長時間保壓［11-12］。

上述的兩大油路的執行元件（即卡盤液壓缸和尾座液壓缸）能向控制系統反饋壓力及流量信號，夾緊力測試儀、電氣控制系統利用各種傳感器、計算機、人機交互界面和可編程控制（PLC）系統，完成對系統的檢測和反饋控制，根據不同工況下加工參數、切削條件等，通過控制、調整伺服油缸的壓力值，使卡盤的實際夾緊力可隨切削力及轉速變化而動態調節。

2 數控車床自適應夾緊裝置實驗平臺開發

2.1 硬件平臺設計

建立如圖4所示的數控機床自適應夾緊裝置實驗平臺，主要包括機械結構、液壓系統拼裝臺、自動控制系統、測試及數據處理系統。其中，機械結構主要由液壓動力卡盤、數控車床尾座組成，液壓系統拼裝臺設置有液壓元件快接板和液壓管道快速接頭，自動控制系統主要由人機交互界面、PLC、PC機組成。液壓系統的基本功能：①控制液壓卡盤的夾緊；②控制尾座套筒伸縮，使頂尖頂緊工件，以加強工件的剛性，防止在切削過程中發生振動。夾緊力測試儀用于檢測轉速、夾緊力［13］。通過各個機械模塊的互相配合，在自動控制系統和液壓系統的作用下實現夾緊工件所需的各種機械運動。

圖4 數控車床液壓夾緊裝置實驗平臺工作原理圖

2.2 控制系統設計

該實驗平臺夾緊工件的基本控制流程：首先實驗平臺系統初始化，將工件放入液壓卡盤中，然后通過自動控制系統可控制液壓卡盤的夾緊、松開，以及以液壓尾座的伸出和縮回；根據工件材料、直徑、壁厚、刀具、加工性質、摩擦系數、切削用量等情況，通過對系統進行初始化，計算得到所需靜態夾緊力，控制、調整伺服油缸入口處液壓油的壓力值，實現工件的夾緊和松開；開機后，檢測主軸轉速，計算動態夾緊力損失及實際所需夾緊力，通過控制系統和液壓系統，實時卡盤夾緊力的自動調整，保證在車削過程中可靠夾緊工件，工作流程如圖5所示。

圖5 數控車床液壓夾緊裝置實驗臺的工作流程圖

采用西門子組態軟件WinCCflxible2008編寫電控系統人機界面［14-15］，如圖6所示。

圖6 卡盤動態夾緊力調節系統主界面

3 實驗平臺的實驗教學與效果

3.1 平臺的實驗教學

我校數控技術專業通過調查2014～2018屆智能制造類專業群畢業生就業情況，緊密聯合數控車床企業，基于數控車床自適應夾緊裝置實驗平臺，開展多門專業課程的實驗教學，如表1所示。為探索智能制造類專業特色實驗平臺，大力加強培養學生工程設計、工程實踐和合作意識。

表1 使用實驗平臺的實驗、實訓項目

以企業項目——轉軸的數控加工為例，工件材料35CrMo，毛坯總長641 mm，左端、中間和右端圓柱面直徑分別為60、104、95 mm，采用一夾一頂的裝夾方式。重要尺寸有等，表面上的精度為IT6級，粗糙度為1.6，需精細車或精磨才能達到表面上的精度為IT5級，粗糙度為0.8，需超精加工才能達到，而且表面上都需經磁力探傷和超聲波探傷檢查。根據表面加工要求，各種方法能達到的經濟精度及我校現有加工設備，確定各表面的加工方法：粗車、半精車、精車、精細車。從數控加工程序的F代碼讀取進給量f，轉速n通過夾緊力檢測儀測得，實際切削速度

通過數據采集程序，設置其他參數，比如粗車?49p6的外圓并倒角是從數控加工程序第3行開始，當數控系統開始執行第3行代碼時，設置ɑP、K、μ、CFZ、xFZ、yFZ、nFZ、KFZ，這些參數同時顯示在卡盤動態夾緊力調節系統主界面，控制系統得到以上參數，通過式（4）～（6）分別計算靜態夾緊力FJ、動態夾緊力損失ΔFcm和卡盤所需的實際夾緊力F，該平臺選用伺服油缸的內徑D＝80 mm，通過式（6）、（7）計算伺服油缸的工作壓力，計算結果見表2。PLC將伺服油缸工作壓力p傳遞給控制系統，控制系統將其與壓力變送器輸出的壓力信號對比，來調整伺服閥的信號，使伺服油缸用壓力變送器測得的壓力值與計算值相同，實現工件夾緊力的實時調整。用杠桿千分尺檢驗，加工的零件合格。因高速切削提高了加工表面的精度，與傳統切削相比，省去了后續精磨的工序，縮短了生產周期，同時又利用了學校現有資源，不會帶來過多的經濟負擔。

3.2 實驗平臺的教學效果

為得到實驗平臺在教學中的真實效果，針對授課的2019～2020屆畢業生開展課程教學效果的跟蹤式反饋調查。主要調查實驗平臺對學生學習興趣、團隊合作的影響以及對學生項目設計的幫助；同時跟蹤調查在讀學生畢業設計課題中，涉及數控車床自適應夾緊的相關知識的使用情況。調查結果顯示利用此平臺很大程度上調動了學生的學習積極性，學生可以更容易地掌握交叉學科知識，同時將多學科融合貫穿于實踐環節中，不但注重了工程知識的系統傳授，還突出培養學生解決工程問題的分析和研究能力；不但注重了個人學習能力的培養，還培養了學生團隊協作和工程管理的能力；不但注重了專業知識技能的訓練，還養成了學生在復雜社會環境中解決工程問題的思維方式。OBE教學模式中教學目標聚焦于學生畢業之后所應該具備的能力，教學內容圍繞學生能力的培養，師資與教育資源支撐學生學習結果的達成，教學評價對象是學生學習效果，指向學生的未來職業發展。實驗平臺的教學設計契合OBE以學習者為中心、成果導向、持續改進的教學理念［16］。

表2 數控加工轉軸的參數設置、卡盤夾緊力及伺服油缸的工作壓力

4 結 語

針對現役數控車床卡盤在工況下不能自主調控夾緊力的不足，設計了一種用于高速數控車床的自適應夾緊裝置實驗平臺。實驗平臺可根據不同工況設置參數計算靜態夾緊力，運行過程中，實測主軸轉速，計算工件實際所需夾緊力及伺服油缸工作壓力。裝在伺服油缸入口處的壓力變送器向控制系統反饋信號，控制系統將其與電腦計算給出的壓力信號對比，來調整伺服閥的信號，使伺服油缸實測壓力值與計算值相同，以此實現數控車床卡盤夾緊力動態調控。設計的數控車床自適應夾緊裝置實驗平臺，在我校智能制造類專業群實踐教學中的應用表明，該實驗平臺有助于培養和提高學生的創新能力和工程實踐能力，為智能制造類專業人才培養提供了有力支撐。