龍門機(jī)床附件銑頭自動交換裝置設(shè)計

王增新 許翠芳 王文強

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

配備附件銑頭的三坐標(biāo)數(shù)控龍門機(jī)床，具有一次裝卡、五面加工的優(yōu)異性能，性價比較高，在數(shù)控加工制造企業(yè)應(yīng)用較為普遍。附件銑頭的交換過程比較復(fù)雜，手動交換費時費力、嚴(yán)重影響機(jī)床的使用效率。而且附件銑頭生效時，刀具姿態(tài)、銑頭尺寸發(fā)生變化，相關(guān)坐標(biāo)的限位保護(hù)等控制程序要發(fā)生相應(yīng)變動。

筆者研制的數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床，配備了附件銑頭自動交換裝置，并運用多種技術(shù)對附件銑頭和防護(hù)蓋板的交換、使用過程進(jìn)行控制，提高了機(jī)床的性能和使用效率。

1 機(jī)床概述

FG32040 MA數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床(圖1)的總體結(jié)構(gòu)為固定龍門工作臺移動式，三軸聯(lián)動，配備自動交換附件銑頭，可進(jìn)行五面加工。

主要技術(shù)參數(shù):主軸功率為37 kW(S1)/45 kW(S6);主軸扭矩為1300 N·m(S1)/1900 N·m(S6);主軸最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min;工作臺尺寸為4000mm×2000mm;坐標(biāo)最大移動速度為15000mm/min。

FG32040 MA是針對航空數(shù)控零件加工特點設(shè)計制造的，機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊、剛性大、功能強，主要用于鈦合金、高強度結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵等材料制成的航空零件及工裝模具的強力數(shù)控加工。

2 自動交換附件銑頭接口設(shè)計

附件銑頭自動交換結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括定位、夾緊、傳動、控制、防護(hù)等部分。附件銑頭的接口(圖2)設(shè)計與滑枕和機(jī)床主軸密切相關(guān)，需要在滑枕端面、機(jī)床主軸周圍布置液壓、氣動、冷卻、控制等配套快插接頭和定位裝置，配套主軸相關(guān)尺寸也要根據(jù)結(jié)構(gòu)需要作相應(yīng)設(shè)計。

端齒盤是自動交換附件銑頭的定位裝置，其安裝的同軸度、安裝面的平面度、安裝面相對主軸軸線的垂直度都會影響附件銑頭的幾何精度。因此，端齒盤安裝面的精度要求很高，而且端齒盤定位圓錐銷的配鉸，需在附件銑頭所有幾何精度調(diào)試完成后進(jìn)行，確保附件銑頭的工作精度。

4個拉緊油缸和機(jī)床主軸拉刀機(jī)構(gòu)，共同作用完成附件銑頭的拉緊與松開動作。拉緊油缸的安裝必須保證在同一平面，而且與機(jī)床主軸拉刀機(jī)構(gòu)具有一定的位置關(guān)系，4個油缸的拉緊與松開動作必須同步，才能保證附件銑頭的拉緊與松開動作正常。

附件銑頭轉(zhuǎn)位和主軸旋轉(zhuǎn)的動力源均來自機(jī)床主軸電動機(jī)，通過主傳動系統(tǒng)的機(jī)床主軸錐柄驅(qū)動，附件銑頭轉(zhuǎn)位和主軸旋轉(zhuǎn)的動作切換由附件銑頭內(nèi)部機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。附件銑頭內(nèi)部設(shè)有一油缸，油缸活塞運動實現(xiàn)附件銑頭C擺轉(zhuǎn)位齒輪和主軸旋轉(zhuǎn)齒輪的工作狀態(tài)切換，控制附件銑頭C擺轉(zhuǎn)位或主軸旋轉(zhuǎn)并互鎖保護(hù)。油缸的動作由液壓閥進(jìn)行控制，通過分別安裝在滑枕端面和附件銑頭端面的快插接頭進(jìn)行聯(lián)通。

附件銑頭每個動作執(zhí)行到位的檢測均需要傳感器進(jìn)行反饋，附件銑頭C擺夾緊、松開到位檢測為附件銑頭內(nèi)部傳感器進(jìn)行反饋，其余位置檢測均需設(shè)計相應(yīng)外部傳感器。附件銑頭C擺和主軸的角度位置控制信號，均來自機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)編碼器。

附件銑頭與滑枕的連接界面，因功能需要分布有端齒盤、拉緊油缸和快插接頭。在不連接附件銑頭時，這些元件都應(yīng)該被可靠防護(hù)，以免污損影響附件銑頭的正常工作。防護(hù)蓋板(圖3)正是基于此設(shè)計的，在附件銑頭取下時由4個油缸拉起防護(hù)蓋板對連接界面諸多接口進(jìn)行有效防護(hù)。

此外，接口設(shè)計過程中還要考慮定位端齒盤、快插接頭、拉緊油缸、附件銑頭錐柄的相關(guān)配合尺寸，在保證各功能正常前提下預(yù)留一定安全間隙。

附件銑頭和機(jī)床主軸的定位、夾緊、控制、位置檢測等功能的實現(xiàn)依賴諸多控制線纜和管線(圖4)，需要在滑枕內(nèi)部進(jìn)行排布。滑枕端部與附件銑頭相關(guān)的連接板、主軸套筒和滑枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計初期就需要考慮好各種管線的排布(圖5)、扳手空間等諸多事項，否則后期裝配調(diào)試時很難處理此類問題。

3 自動交換裝置設(shè)計

自動交換裝置，分為兩部分，如圖6所示，下層為附件銑頭自動交換的頭庫小車，上層為防護(hù)蓋板自動交換的蓋板小車。小車均由氣缸推動，沿線性導(dǎo)軌運行。小車工作時，由氣缸推出到位，滑枕主軸沿 Y向移動至附件銑頭或防護(hù)蓋板的正上方，然后下降至Z向設(shè)定位置，主軸和相關(guān)配套附件配合完成附件銑頭或防護(hù)蓋板的自動交換功能。

附件銑頭和防護(hù)蓋板自動交換功能的安全設(shè)計，是自動交換功能設(shè)計的關(guān)鍵要素。自動交換控制流程(圖7)包含若干步驟，每一步驟的執(zhí)行都要具備相應(yīng)的前提條件，只有當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)條件滿足時才能夠執(zhí)行下一步指令。

附件銑頭自動交換流程中每一步動作的完成，均需要由相應(yīng)的控制信號進(jìn)行確認(rèn)，確保動作到位。其中，防護(hù)門、頭庫小車、蓋板小車到位檢測，由安裝在氣缸上的磁環(huán)開關(guān)提供反饋信號。機(jī)床主軸有刀/無刀檢測、小車前方障礙物檢測、附件銑頭/防護(hù)蓋板在庫檢測、附件銑頭/防護(hù)蓋板工作位置檢測，均需設(shè)計相應(yīng)的傳感器進(jìn)行反饋。正常工作的控制邏輯是附件銑頭和防護(hù)蓋板只有其中之一在庫，且安裝在滑枕端部的傳感器提供相應(yīng)的反饋，確認(rèn)未在庫的附件銑頭或防護(hù)蓋板在工作位置。

機(jī)床主軸拉刀/松刀信號，是用接近開關(guān)檢測機(jī)床主軸后端檢測環(huán)的位置提供反饋，只有當(dāng)機(jī)床主軸處于無刀拉緊狀態(tài)，才能夠執(zhí)行自動抓取附件銑頭或防護(hù)蓋板的指令。若機(jī)床主軸的檢測環(huán)與拉刀機(jī)構(gòu)相連，則能夠區(qū)分機(jī)床主軸的無刀拉緊、有刀拉緊和松刀3種工作狀態(tài)。部分主軸的檢測環(huán)是與松刀油缸的活塞相關(guān)聯(lián)，而油缸在非松刀狀態(tài)必須退回油缸底部才允許主軸旋轉(zhuǎn)，此類設(shè)計的主軸就無法提供有刀拉緊的檢測位置，必須從外部設(shè)置長距離探測傳感器檢測機(jī)床主軸端部是否有刀。

小車前方障礙物檢測，是為了保證小車推出時不會撞到工件、卡具、維護(hù)人員等發(fā)生危險。由于小車具有較大截面，單個傳感器難以覆蓋整個區(qū)域。因此，為保證小車推出的安全，設(shè)定小車推出時工作臺處于遠(yuǎn)離主軸的極限行程位置，使得工作臺上的工件、卡具等遠(yuǎn)離小車的工作位置。由于傳感器的探測范圍是如圖8所示的紡錘形，障礙物檢測的工作距離為0～750mm，將障礙物檢測傳感器安裝于小車的前下部，能夠有效探測位于工作臺面邊緣的障礙物，防止自動交換過程中發(fā)生危險。

此外，附件銑頭自動交換裝置設(shè)計過程中還要考慮小車移動的定位精度、交換位置的幾何精度、交換裝置的剛性等影響自動交換功能的其他因素，在自動交換流程調(diào)試完成后還要作若干次的運行測試，確保工作過程穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

自動交換附件銑頭相關(guān)機(jī)構(gòu)、接口及自動交換裝置設(shè)計，是一個系統(tǒng)工程，需要從結(jié)構(gòu)、布局、安全、工藝性等多角度綜合考慮，既要保證相關(guān)功能又要保證各項精度，并且還要結(jié)合實際運行試驗驗證整個系統(tǒng)功能的可靠性。