數(shù)控機(jī)床夾具液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計

□ 盧紅印

無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司 江蘇無錫 214161

1 設(shè)計背景

隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展,在機(jī)加工領(lǐng)域尤其是汽車零部件的機(jī)加工夾具行業(yè),液壓技術(shù)在行業(yè)中得到了充分的應(yīng)用,機(jī)液一體化程度越來越高,同時也極大地拓展了夾具的應(yīng)用范圍和表現(xiàn)能力。但是,在很多情況下,由于機(jī)床價格高昂,更新?lián)Q代并非易事,囿于機(jī)床固有的液壓配置,并且夾具要滿足復(fù)雜的動作控制,這就對夾具的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計提出了非常高的要求。

2 設(shè)備情況及加工要求

某客戶現(xiàn)場有多臺進(jìn)口數(shù)控臥式加工中心,機(jī)床工作臺提供三進(jìn)三回液壓油路?？蛻粲褂眠@臺機(jī)床加工一款新型變速箱閥板,此閥板加工精度要求很高,據(jù)前期加工試制的結(jié)果分析,需要采用粗、精加工。為滿足批量生產(chǎn)中過程能力指數(shù)不小于1.33,即一般情況下過程被接受的評判標(biāo)準(zhǔn)的要求,需要在粗加工后撤掉壓緊力,壓緊機(jī)構(gòu)兩側(cè)泄壓,壓緊機(jī)構(gòu)處于浮動狀態(tài),使工件可以釋放在粗加工中因工件形狀變化、內(nèi)應(yīng)力重新分布而產(chǎn)生的彈性變形,恢復(fù)自由形狀。浮動的壓緊機(jī)構(gòu)僅依靠內(nèi)部的摩擦力來防止工件在外力擾動下的跌落,然后再壓緊工件,進(jìn)行精加工。在粗加工階段,為了提高加工效率,采用較大的進(jìn)給參數(shù),此時切削力較大,需要夾具提供較大的壓緊力,以抵抗切削力,防止工件移位。在精加工階段,為了減少工件的壓緊變形,進(jìn)一步提高加工精度,夾具要降低對工件的壓緊力。

工件采用桁架機(jī)器人來實現(xiàn)自動化的上下料,從而實現(xiàn)全線自動化生產(chǎn)。在加工中,閥板豎直放置在夾具上,夾具結(jié)構(gòu)為角尺型,機(jī)械手將工件放入夾具內(nèi)對應(yīng)位置后,為防止工件跌落,夾具的壓緊機(jī)構(gòu)壓緊工件,機(jī)械手再撤離,機(jī)械手撤離后,夾具對工件進(jìn)行定位及壓緊,之后開始加工。

夾具定位壓緊過程中,有三個順序動作,工件放置在支承件上后,首先是橫向單點(diǎn)推靠定位,再縱向兩點(diǎn)推靠定位,之后壓緊機(jī)構(gòu)壓緊工件,完成定位和壓緊的過程。

在定位時,夾具的壓緊機(jī)構(gòu)泄壓,松開工件,壓緊機(jī)構(gòu)保持原位,防止工件在外力擾動下跌落。定位機(jī)構(gòu)動作,將工件推動到正確的位置上,然后夾具的壓緊機(jī)構(gòu)動作,壓緊工件。

根據(jù)上述加工工藝要求,配套的夾具要求能實現(xiàn)高低壓切換及壓緊機(jī)構(gòu)雙側(cè)泄壓,即浮動的功能。

原機(jī)床提供的工作臺液壓控制系統(tǒng)如圖1所示,為獨(dú)立的三進(jìn)三回液壓系統(tǒng),每一組回路都有減壓閥、三位換向閥、雙向型液控單向閥、壓力開關(guān)。壓力開關(guān)用于檢測每條支路上的壓力,并反饋信號,實現(xiàn)自動化控制。雙向型液控單向閥用于支路保壓。減壓閥用于支路壓力調(diào)整。三位換向閥用于回路的換向控制。

▲圖1 原機(jī)床提供的工作臺液壓控制原理

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

如上所述,夾具有三個順序動作。機(jī)床提供三進(jìn)三回的液壓接口,每個動作使用一組油路。但是,采用此種控制方式,夾具無法自動實現(xiàn)高低壓切換和泄壓的功能。

為此,需要對夾具側(cè)的液壓系統(tǒng)和機(jī)床提供的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計調(diào)整,以滿足上述加工要求。經(jīng)過分析研究,有兩種方法可以采用。

第一種方法為將機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)中夾具壓緊回路的某一減壓閥更改為比例減壓閥,通過系統(tǒng)自動控制比例減壓閥的設(shè)定值,調(diào)節(jié)夾具的壓緊力。此項改造成本較高,除比例減壓閥外,還需要在機(jī)床控制系統(tǒng)內(nèi)增加模擬量輸出模塊,以控制比例減壓閥的輸出值,另外還需要取消同一回路內(nèi)的液控單向閥,才能實現(xiàn)從高壓到低壓的調(diào)節(jié)。在拆除液控單向閥后,回路無法保壓,不利于節(jié)能降耗。第二種方法為盡可能不改動機(jī)床提供的液壓配置,采用組合回路的方式,實現(xiàn)上述功能。

兩種方法權(quán)衡后決定采用第二種。第一步實現(xiàn)高低壓切換和兩側(cè)泄壓的功能。利用中間組回路和右側(cè)回路作為夾具壓緊機(jī)構(gòu)的控制回路,將中間組回路的減壓閥設(shè)置為高壓,將右側(cè)回路的減壓閥設(shè)置為低壓。A2和A3油路口連接,通向夾具壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊側(cè)。同時為了實現(xiàn)泄壓功能,需要對機(jī)床液壓控制系統(tǒng)的單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)整。將B2油路通向夾具壓緊機(jī)構(gòu)的松開側(cè),實現(xiàn)夾具壓緊機(jī)構(gòu)的打開。B3油路用來打開液控單向閥,實現(xiàn)夾具壓緊機(jī)構(gòu)壓緊側(cè)的泄壓。而夾具壓緊機(jī)構(gòu)松開側(cè)的泄壓則無法實現(xiàn),夾具壓緊機(jī)構(gòu)無法實現(xiàn)浮動功能。因此,需要改造壓緊支路的配置,將B2油路的液控單向閥取消,這樣可以實現(xiàn)夾具壓緊機(jī)構(gòu)松開側(cè)的泄壓,從而實現(xiàn)壓緊機(jī)構(gòu)兩側(cè)的泄壓,壓緊機(jī)構(gòu)處于完全浮動狀態(tài)。

第二步實現(xiàn)夾具定位時的順序動作。由于中間組和右側(cè)回路用于壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊,夾具定位的兩個動作,需要靠左側(cè)的回路來實現(xiàn)。通過在夾具的定位機(jī)構(gòu)控制回路上設(shè)置順序閥,可以解決此問題。

改造后完整的夾具液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖2中,將雙向型液控單向閥更改為單向型液控單向閥,只對A2油路保壓,對B2油路不保壓。

通過單向順序閥,實現(xiàn)橫向單點(diǎn)推靠定位油缸和縱向兩點(diǎn)推靠定位油缸的順序動作。夾具壓緊油缸用來壓緊工件,蓄能器用于抑制夾具系統(tǒng)內(nèi)壓緊側(cè)壓力的波動,保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。夾具液壓系統(tǒng)電磁鐵動作及實現(xiàn)的功能關(guān)系見表1。

通過設(shè)計夾具內(nèi)部液壓回路和改造機(jī)床提供的工作臺液壓控制回路,實現(xiàn)了工件順序定位、高壓壓緊、低壓壓緊、兩側(cè)泄壓、壓緊機(jī)構(gòu)松開的全部功能。

上料定位、壓緊、粗加工、泄壓、精加工的控制順序如下。

(1) 上料定位。機(jī)械手將工件輸送至夾具后,三位換向閥電磁鐵F端得電,夾具壓緊油缸低壓壓緊工件。由壓力開關(guān)f端確認(rèn)低壓壓緊工件到位。機(jī)械手撤離夾具,三位換向閥電磁鐵E端得電,壓緊機(jī)構(gòu)兩側(cè)泄壓,壓緊機(jī)構(gòu)浮動。由壓力開關(guān)e端確認(rèn)泄壓到位。之后三位換向閥電磁鐵B端得電,夾具的橫向單點(diǎn)推靠定位油缸動作,橫向單點(diǎn)推靠定位油缸動作到位之后,壓力上升,打開單向順序閥,縱向兩點(diǎn)推靠定位油缸動作,完成對工件的定位。由壓力開關(guān)b端確認(rèn)工件定位到位。

▲圖2 改造后的夾具控制系統(tǒng)液壓原理

表1 液壓系統(tǒng)電磁鐵動作及實現(xiàn)功能

(2) 壓緊。三位換向閥電磁鐵D端得電,夾具壓緊油缸高壓壓緊工件。壓力開關(guān)d端及f端確認(rèn)高壓壓緊到位。

(3) 加工。壓力開關(guān)d端及f端確認(rèn)高壓壓緊到位后,機(jī)床開始粗加工工件。

(4) 泄壓。三位換向閥電磁鐵E端得電,夾具壓緊油缸兩側(cè)泄壓,壓力開關(guān)e端確認(rèn)壓緊油缸泄壓,壓緊機(jī)構(gòu)處于浮動狀態(tài)。三位換向閥電磁鐵A端得電,橫向單點(diǎn)推靠定位油缸、縱向兩點(diǎn)推靠定位油缸活塞桿縮回,工件定位解除。此時工件處于自由狀態(tài),工件釋放粗加工過程中因內(nèi)應(yīng)力重新分布而產(chǎn)生的彈性變形。

(5) 精加工。三位換向閥電磁鐵B端得電,橫向單點(diǎn)推靠定位油缸、縱向兩點(diǎn)推靠定位油缸動作,將工件定位。壓力開關(guān)b端確認(rèn)工件定位完成。三位換向閥電磁鐵F端得電,夾具壓緊油缸低壓壓緊工件。壓力開關(guān)f端確認(rèn)低壓壓緊到位,機(jī)床開始精加工。

加工結(jié)束后,采用機(jī)械手取料。機(jī)械手移動到位,抓住工件后,三位換向閥電磁鐵A端得電,橫向單點(diǎn)推靠定位油缸、縱向兩點(diǎn)推靠定位油缸活塞桿縮回,松開工件。壓力開關(guān)a端確認(rèn)工件定位解除。同時,三位換向閥電磁鐵C端得電,夾具壓緊油缸打開,松開工件。機(jī)械手撤離夾具,加工循環(huán)完成。機(jī)械手將新的待加工工件送入夾具,開始新的加工循環(huán)。

4 結(jié)束語

筆者通過設(shè)計夾具內(nèi)部的液壓控制系統(tǒng)及改造機(jī)床自帶的液壓控制系統(tǒng),實現(xiàn)了預(yù)定功能,既節(jié)省了改造費(fèi)用,又提高了加工質(zhì)量,保證了加工效率,實現(xiàn)了批量自動化生產(chǎn)。