適用于多通管接頭加工的分度卡盤設計

賈 夢 傅 勇 王衛英 蘇筱晴

(①南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210001；②江西洪都航空工業集團有限責任公司制造工程部，江西 南昌330000)

車削十字軸、多通管接頭等類型的零件時，需要多次裝夾，加工效率低，精度難以保證[1]。為提高加工效率與加工精度，可以采用分度卡盤實現工件各端的連續加工，相比電動、氣動卡盤，液壓卡盤輸出的夾緊力更大、更穩定，因此學者們主要對液壓分度卡盤進行研究[2]。液壓分度卡盤是一種新型的卡盤結構，通過一次裝夾實現工件的卡緊和分度旋轉，進而可以對工件多個同軸表面進行一次性加工[3]。

胡際勝[4]針對十字軸的加工研制了一款液壓分度卡盤，構建了液壓系統并驗證了卡盤的工藝性。林偉儒[5]針對十字軸加工試制了一款液壓分度卡盤，試驗表明卡盤分度功能正常，加工精度達到公差要求。李青[6]運用仿真分析方法對K55型動力卡盤的夾緊力進行研究，對動力卡盤的失效原因進行分析并給出部分解決辦法。張文亭[7]等人通過對動力卡盤夾緊機構的研究，建立了動力卡盤的夾緊力和轉速的計算模型。

液壓卡盤使用時需接入機床數控系統實現自動控制，目前分度卡盤在車床上的適配相關介紹并不多。針對只具有夾緊功能的動力卡盤，王鵬云[8]等人介紹了動力卡盤在西門子數控系統上的控制原理，宋嘎[9]針對液壓卡盤控制程序給出了一種基于發那科數控系統的液壓卡盤控制功能實現方式，實現了液壓卡盤的安全、可靠工作。

針對航空液壓多通管接頭的加工，本文設計了一種液壓分度卡盤及其液壓系統，編制了卡盤控制的梯形圖程序，實現了卡盤動作的自動控制，試制了卡盤并進行了工件試切。

1 分度卡盤結構設計

1.1 分度機構設計

分度機構的功能是實現加工件的分度轉位，需要將液壓缸活塞的直線運動轉變為分度旋轉軸的旋轉運動并限位。設計如圖1所示的分度機構，由兩個分度油缸及分度軸組成，分度油缸加工在卡盤體內，由分度活塞、后蓋、導向套及密封件等組成。兩個分度缸的出油口、進油口相連，一個分度活塞進位時另一個必然退位，保證了分度活塞動作配合連貫，簡化了卡盤體的內部油路。分度軸受分度活塞推動旋轉，到位后由活塞頂緊限位。圖1a狀態時，分度活塞1上的平面與分度軸的平面貼合，活塞受油液壓力鎖緊分度軸，分度旋轉時，油液方向改變，分度活塞1退位放開分度軸，同時活塞2進位推動分度軸逆時針旋轉到達圖1b的限位位置并鎖緊。再次轉位時，活塞2退位放開分度軸，活塞1進位推動分度軸繼續逆時針旋轉。

1.2 分度軸系設計

分度軸結構如圖2所示，分度軸上設有與分度活塞配合的四棱柱，與工件下夾具配合的接口，軸內部有中心階梯通孔，鎖緊螺釘穿過中心孔將下夾具鎖緊。分度軸在工作過程中徑向受切削分力、活塞推力，軸向受切削分力、夾緊力作用，因此需要設置推力滾針軸承、圓柱滾子軸承。分度軸系的結構如圖3所示，主要組成包括分度軸、軸承、上透蓋及下透蓋。上、下透蓋對軸系限位，由于卡盤無法實現自定心，安裝時需要配磨。

1.3 夾緊機構設計

采用液壓缸夾緊工件，輸出的夾緊力穩定、易于調整。夾緊時，工件位置保持不變，活塞推動上夾具向下夾緊工件。上夾具需要隨工件分度旋轉，因此在夾緊油缸活塞與上夾具之間設置軸承。夾緊機構的如圖4所示，主要組成包括夾緊活塞、后蓋、軸承、防墜螺釘、孔用彈性擋圈及密封件等。其中防墜螺釘穿過上夾具的通孔安裝在夾緊活塞上，防止夾具墜落。

1.4 液壓系統設計

分度卡盤的液壓系統整體結構如圖6所示，主要組成包括液壓站、分油器和油管等。液壓站為系統提供液壓油，主要由油箱、油泵、風冷以及閥塊等液壓元件組成；分油器為旋轉狀態下的卡盤供油，外殼與內旋轉軸之間設有相互獨立的油腔，油腔進(出)油口設在外殼上，出(進)油口設在內旋轉軸內。工作時，內旋轉軸隨車床主軸一起旋轉，外殼上的油口固定，為旋轉狀態下的分度卡盤供油；油管包括液壓站與分油器間的軟管和分油器到卡盤體間的硬管。硬管從車床主軸穿過，卡盤工作時隨主軸轉動，為減小旋轉時離心力的影響，采用硬質油管。

卡盤液壓系統的油路簡圖如圖7所示，油箱中的油液經主油泵M1分別進入卡盤的夾緊、分度油路，減壓閥調節各油路的壓力，電磁閥V1工作在左位時卡盤夾緊工件，工作在右位時卡盤松開工件。電磁閥V2每切換一次工作位，工件就旋轉一個分度。液控單向閥的作用是在系統失壓時保持一定壓力，避免卡盤異常動作，保證系統運行安全。P1～P3為壓力表，分別顯示夾緊、油泵輸出、分度油路的壓力。為防止油溫過高，液壓站還增加了風冷回路。

2 分度卡盤自動控制

2.1 FANUC數控系統

數控車床上，開關量通常采用可編程控制器控制，FANUC系統內置的可編程控制器稱為PMC。卡盤液壓站上的繼電器接入車床24 V輸出端子后，需要調用輔助功能(M指令)進行控制。JB/T 3208-1999標準中規定卡盤夾緊、松開指令分別為M10、M11，同時采用M24、M25作為卡盤分度轉位的指令。卡盤動作相關的M代碼編號、功能及其對應控制的繼電器編號如表1所示。

表1 輔助功能M代碼功能表

調用輔助功能時，數控系統處理流程如下：

(1)CNC執行加工程序中的輔助功能指令，將代碼轉換為二進制信號。

(2)CNC向PMC輸出M指令選通信號(MF)。

(3)PMC接收到MF后，進行譯碼、邏輯運算等處理，將其轉換為機床所需的動作。

(4)執行完成后，PMC向CNC發送輔助功能結束信號(FIN)。

(5)CNC收到FIN后，將MF置為0，表明CNC已經完成FIN信號的接受處理。

(6)PMC在接收到MF=0信號后，將FIN置為0，輔助功能處理結束。

(7)CNC在接收到FIN=0信號后，結束輔助功能處理。

PMC梯形圖中，X、Y觸點分別代表機床側與PMC的輸入與輸出，F、G觸點分別代表CNC與PMC的輸入與輸出。R觸點代表PMC的內部繼電器，K觸點代表PMC的斷電保持型內部繼電器。其中Y觸點對應車床的24 V輸出端子，可以直接控制繼電器。PMC梯形圖在SUB2程序中編寫，編寫軟件為FANUC Ladder III。

2.2 PMC程序設計

2.2.1 輔助功能指令調用

調用M指令時，CNC將M代碼選通信號(MF)、分配結束信號(DEN)置為高電平，CNC將M指令譯碼輸出到PMC，PMC接收到后執行相應的程序段。

編制輔助功能指令調用的梯形圖如圖8，譯碼后的指令存放在F10中，SUB25功能指令的作用是將F10中存放的M指令編號譯碼輸出。例如，當程序輸入為M10時，對應觸點R60.2被設為高電平，當程序輸入為M24時，觸點R70.0則被設為高電平。

2.2.2 夾緊、松開程序

卡盤的夾緊、松開、分度轉位動作程序要求包括：可以調用輔助功能指令來執行，還可由車床面板按鈕手動控制；斷電重啟后，卡盤恢復斷電前的狀態以保證安全。

編制夾緊梯形圖程序如圖9，運行夾緊指令M10時，R60.2輸出高電平，Y0.3也輸出高電平，Y0.3對應24V輸出端子，可以驅動繼電器，將其接到液壓站的Y4繼電器上。R170.4觸點是控制面板按鈕對應的觸點，當按下控制面板的夾緊按鈕時，R170.4輸出高電平，Y0.3也輸出高電平，卡盤夾緊。K4.3是斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持夾緊狀態。

編制松開梯形圖程序如圖10，運行松脫指令M11時，R60.3輸出高電平，Y0.4也輸出高電平，將Y0.4的對應端子接到液壓站的Y3繼電器上。R170.5觸點是機床按鈕對應的輔助觸點，按下控制面板的對應按鈕時，卡盤松脫。K4.4是斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持松脫狀態。觸點Y0.4與Y0.3只能有一個為高電平，保證了電磁閥動作的正常。

2.2.3 分度旋轉程序

編制分度轉位的梯形圖程序如圖11，運行分度旋轉1指令M24時，R70.0輸出高電平，Y0.5也輸出高電平；運行分度旋轉2指令M25時，R70.1輸出高電平，Y0.6也輸出高電平。將Y0.5對應端子接到液壓站的Y2繼電器，Y0.6的對應端子接到Y1繼電器，就可以實現系統程序對卡盤分度旋轉的自動控制。圖中R270.4、R270.5觸點是機床按鈕對應的輔助觸點，由于控制面板無對應功能按鈕，因此改造“臺尾頂緊”按鈕用作分度旋轉。K4.5、K4.6為斷電保持觸點，斷電后重新上電時，卡盤可以保持原有狀態。Y0.5與Y0.6只能有一個為高電平，保證了電磁閥動作的正常。

2.2.4 輔助功能結束程序

編制調用結束的梯形圖程序如圖12，觸點R360.0的作用是檢查輔助功能程序運行情況，當其為高電平時代表對應功能的程序段運行完畢，卡盤動作完成。當MF(F7.0)與R360.0同時為高電平時，輔助功能結束FIN指令G4.3被設為高電平，PMC向CNC發送結束信號，CNC收到結束信號后，將F7.0置為低電平，G4.3也置為低電平，輔助功能調用完成。

程序仿真驗證無異常后導入數控系統，即可調用輔助功能指令或者使用機床按鈕控制卡盤動作。

3 卡盤功能驗證

安裝分度卡盤到數控車床上并進行工件的試切以測試卡盤功能。車床型號為沈陽一機的CAK6150Di，數控系統型號為FANUC 0iMate-TC。卡盤及液壓系統安裝效果如圖13所示，試切后的三通毛坯件如圖14所示，試切結果表明，卡盤功能運行正常，動作平穩，試切件的加工誤差在公差允許范圍內，卡盤符合使用要求。

4 結語

設計了一款專用于航空多通管接頭加工的液壓分度卡盤，完善了卡盤體的結構設計并設計了卡盤液壓系統，設計完善了PMC梯形圖程序使卡盤體接入車床數控系統實現自動控制，對卡盤功能進行了試驗驗證。該款自動分度卡盤具有提高加工效率、減少工裝數量、減輕工人負擔等優點。