自動夾具全閉環監控技術的研究與應用

吳連偉，王樹軍，代志勇，劉曉龍，張德君

（濰柴動力股份有限公司一號工廠，山東濰坊 261061）

0 引言

隨著企業智能制造的推進與深入，過程智能化和自動化物流系統在提升效益和降低成本方面作用突出，已經成為企業提升綜合實力的重要舉措。

智能物流已成為自動化、智能化工廠的重要條件之一。大多數的生產線采用機械手進行工件的自動轉運，因此，保證機械手與各類機床工件交互過程中的絕對安全性成為首要條件，以避免工件自動轉運過程中的各類碰撞事故發生。

本文主要論述了自動夾具全閉環監控技術的幾種實踐應用，同時結合新生產線期望達到的設備安全性技術要求及后續的一些防碰撞改進，系統闡述設備自動夾具夾緊松開監控技術。

1 夾具結構及重要性分析

夾具是指機械制造過程中用來固定工件，使之處于正確的位置，以接受加工或檢測的裝置，又稱卡具。從廣義上說，在工藝過程中的任何工序，用來迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱為夾具[3]。

夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置）、夾緊裝置、對刀引導元件（確定刀具與工件的相對位置或導引刀具方向）、分度裝置（使工件在一次安裝中能完成數個工位的加工，有回轉分度裝置和直線移動分度裝置兩類）、連接元件以及夾具體（夾具底座）等組成。

使用機床上加工工件時，為使工件的表面能達到圖紙規定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的相互位置精度等技術要求，加工前必須將工件定位、夾緊。

在使用機械手進行工件的物流轉運時，如安全措施不到位，往往發生工件與夾具或機械手與夾具的碰撞。在新工藝路線中，設備、工裝夾具以新增為主，因此，對于上述安全性方案，需在設備及夾具采購前期，在技術文本中明確工件自動轉運過程中嚴禁各類碰撞的具體要求（圖1），并在后期的技術對接交流中確定其可靠性。

圖1 防碰撞技術要求

對于定型的設備，如加工中心裸機等，定制性要求如有部分不能滿足的，則需自行出具后續改進方案并實施。

2 典型夾緊松開監控形式

生產線加工類設備一般由專用機床和加工中心組成，其夾具與工件或與機械手的防碰撞措施包括：專用機床夾具夾緊、松開監控；加工中心夾具夾緊、松開監控，工件夾緊、松開確認。

2.1 專用機床夾具夾、緊松開監控形式

專用機床主要有國產及進口兩種，其夾具夾緊、松開監控形式大同小異。

2.1.1 國產類專機

國產類專機夾具夾緊、松開監控通常采用夾緊壓力與油缸到位雙重反饋，夾緊壓力反饋通常采用壓力繼電器（圖2），原理是夾緊油缸活塞到達終位，進油管路持續供油導致壓力上升，達到壓力繼電器設定壓力觸發微動開關動作發出壓力反饋信號；油缸到位通常采用感應油缸活塞運動是否到位的方式（圖3），感應形式通常分為兩種，一是通過活塞上的磁環感應外置開關，二是通過活塞桿外伸軸上的感應塊感應行程開關。

圖2 壓力繼電器反饋夾緊、松開信號

圖3 油缸末端的感應塊確認行程

國產類專機的雙重檢測能收到較好的反饋效果，但在實際應用中，也發生過由于壓爪等執行末端的斷裂松脫造成的機械手與工件頂撞事故。

2.1.2 進口類專機

進口類專機夾具夾緊、松開監控通常也采用夾緊壓力與油缸到位雙重反饋，夾緊壓力反饋通常采用壓力傳感器（圖4），油缸到位也是采用感應油缸活塞運動是否到位的方式，形式和國產類專機夾具大致相同。

圖4 進口專機夾具夾緊、松開確認形式

2.1.3 流量監控

與國產專機相比，大多數進口類專機夾具夾緊、松開還會采用流量監控，在需監控的液壓支路上加裝體積流量計（圖5）。

圖5 體積流量計監控

體積流量計工作原理：流體帶動流量計轉動部分產生旋轉，流體被連續不斷地分隔成單位體積并送往出口，流量計的測量元件只要測得轉動體的轉動次數，就可以得到通過流量計的流體體積累計值。

支路中液壓執行元件每次動作需要的流體量是一定的，若動作未完成或存在異常情況，如管路破裂，則流體體積與系統設定值會出現較大偏差，設備機會出現異常報警。該方式尤其適合因空間限制、液壓執行元件無法安裝感應開關檢測是否到位的環境。

2.2 加工中心夾具夾緊、松開監控形式

以生產現場目前使用的德國HELLER 公司生產的MCH350加工中心及其配套夾具為例，分析其夾緊、松開控制及監控形式。

2.2.1 加工中心與專機在夾具控制上的區別

不同的加工狀況，對夾具動作的要求不同。精加工設備對工件的定位夾緊一般包括定位面清吹、定位、消隙、夾緊、輔助支撐等動作，這些動作在專機上都會有一一對應的電磁閥來單獨控制。但HELLER 夾具采用順序控制方式，使用五端口的耦合器，介質接口通過工作臺中心軸導入（圖6），可提供4 個端口用于液壓動作，壓縮空氣通過中心噴嘴提供。夾具液壓控制使用4 個液壓接口，用于工件的夾緊、松開及夾緊、松開監控（圖7）。工件的整個夾緊、松開過程均由一組電磁換向閥控制，順序控制是這類夾具的典型特點。

圖6 五端口耦合器

圖7 夾具液壓原理

2.2.2 工件夾緊確認

工件夾緊需兩級確認（圖8），一是工件貼合氣檢壓力高于設定值1.5 bar（0.15 MPa），使用壓力開關監測；二是工件夾緊液壓力高于設定值180 bar（18 MPa），使用壓力開關監測。

圖8 工件夾緊兩級確認

2.2.3 工件松開確認

工件松開同樣需兩級確認（圖9），一是各夾緊及定位油缸松開氣檢壓力高于設定值1.5 bar（0.15 MPa），使用壓力開關監測；二是工件夾緊液壓力低于設定值5 bar（0.5 MPa），使用壓力開關監測。

圖9 工件松開兩級確認

3 問題及應對措施

機械手進行工件的物流轉運，其與機床進行工件交互過程中的絕對安全性是首要問題，但在實際使用過程中，兩者之間的碰撞偶有發生，碰撞一般發生在工件處于加工完成后的卸料階段，是由夾具松開識別錯誤引起的。

3.1 工件松開確認原理

工件松開需要兩級確認，一是監測工件夾緊液壓力低于設定值；二是監測各夾緊及定位油缸松開氣檢壓力高于設定值。液壓系統密閉性好，壓力反饋準確性高，各夾緊及定位油缸松開氣檢環境較為惡劣，信號誤發主要由該環節引起。

油缸松開氣檢裝置如圖10所示，油缸的夾緊、松開帶動氣檢活塞運動，使其封堵氣檢缸的兩處進氣孔，圖中油缸處于松開狀態，氣檢活塞應封堵氣檢缸下端進氣孔，從而建立起工件松開的氣檢壓力。在各工裝夾具中，油缸大都安裝在夾具體加工出的底孔中，且處于開放狀態。加工中心加工區為密閉空間，切屑、霧氣、粉塵等雜質會從氣檢缸底面排氣孔逐漸進入氣檢缸內部并慢慢形成粘稠狀物質，這些粘稠物極易堵塞氣檢進氣孔造成信號誤發。

圖10 油缸氣檢部位

現有夾具中，各種夾緊、松開油缸數量較多，定期清理會造成長時間停機，受產量制約，該部位難以實施定期清理，為避免發生頂撞事故，必須對其進行優化改進。

3.2 優化改進措施

夾具的結構決定了頂撞事故的發生部位，現有各類夾具頂撞部位都是發生在主夾緊與工件之間，因此對夾具主夾緊狀態進行有效監控即可達到防止頂撞的目的。監控形式是加裝感應開關，并將反饋的信號串聯至原有的工件松開確認程序段中。

3.2.1 主夾緊90°擺臂形式

如圖11 所示，夾具的擺臂在松開、夾緊兩種狀態下約呈90°，對于該類夾具，改進措施是擺臂正前端安裝反光板，在卸料區擺臂徹底打開的相應位置安裝反射型光電開關確認。

圖11 主夾緊90°擺臂防碰撞改進措施

3.2.2 主夾緊60°擺臂形式

如圖12 所示，夾具的擺臂在松開、夾緊兩種情況下均未呈垂直狀態，其夾角約為60°，該類夾具難以實現采用反光板反射形式。改進措施是在卸料區擺臂徹底打開的相應位置安裝障礙物型光電開關確認。

圖12 主夾緊60°擺臂防碰撞改進措施

3.2.3 主夾緊小壓爪形式

如圖13 所示，夾具的主夾緊為壓爪形式，且體積較小，對于該類夾具的改進措施是采用檢測精度較高的光束型開關進行確認。

圖13 主夾緊壓爪防碰撞改進措施

3.2.4 專機類夾具壓爪狀態再確認

以上改進措施是針對加工中心夾具做出的，因為檢測開關安裝在設備的上下料區，檢測時不受切削狀態影響，光電類開關能發揮較好的效果，但是在單夾具的專機類設備上，上下料區與切削加工區在同一密閉空間，受濕式加工條件限制，光電開關不能發揮較好作用，因此，專機類設備通常使用防水型行程開關或者對光電開關加裝防護進行夾具壓爪夾緊、松開再確認（圖14）。

圖14 專機夾緊、松開確認改進措施

4 結束語

通過分析以機械手作為工件物流輸送為主體所采取的安全措施可以看出，生產線中的加工類設備在原設計中雖然考慮過防碰撞措施，但很難達到預效果。因此，在生產線的籌建階段，就應該對線體的安全性從設備、工藝等多方面充分考慮，以求盡善盡美。

同時受部分因素影響，生產線的設備組成可能有裸機存在，這樣就容易引起設備的安全措施與線體要求存在差異的現象，為避免事故發生，要結合實際進行持續改進。優化改進最關鍵的是措施制定環節，措施的制定一定以現場實物為主導，要根據實物特點制定改進措施。