液壓分度卡盤夾緊力影響因素分析及補償

歐陽承，邱富焱，傅仁科，賈夢

(1. 航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團，江西 南昌 330000；2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

液壓分度卡盤可以實現(xiàn)工件的分度轉(zhuǎn)位，使用其加工十字軸、多通管接頭等多分支零件時，可以實現(xiàn)各分支連續(xù)加工，提高零件加工精度與加工效率[1]?？ūP工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，受離心力影響，施加到工件上的實際夾緊力會有損失，且夾緊力損失隨轉(zhuǎn)速增加而增加，限制了主軸轉(zhuǎn)速的進一步提高[2]。因此需要對液壓卡盤的夾緊力進行動態(tài)補償。例如MJ-50型數(shù)控車床的卡盤采用兩個不同輸出壓力的減壓閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，卡盤高速旋轉(zhuǎn)時使用較大的油壓，為卡盤提供夾緊力補償[3]。為實現(xiàn)卡盤夾緊力的精準補償，需要明確卡盤夾緊力損失與主軸轉(zhuǎn)速之間的變化規(guī)律[4-5]。目前專家、學者們主要針對楔式動力卡盤的夾緊力損失進行研究，建立了卡盤夾緊力的計算模型并以此為依據(jù)進行卡盤夾緊力的補償[6-7]。

目前對液壓分度卡盤夾緊力方面的研究較少，本文針對液壓分度卡盤進行分析，建立了卡盤夾緊力損失與轉(zhuǎn)速的估算關(guān)系式[8]。設計、制作卡盤夾緊力的無線測力裝置并進行了卡盤夾緊力的實測，通過夾緊力實測修正了卡盤夾緊力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，并根據(jù)該式提出了一種夾緊力補償方法。

1 卡盤夾緊力理論計算

1.1 液壓分度卡盤簡介

液壓分度卡盤內(nèi)部有實現(xiàn)卡盤動作的油缸，其卡盤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要分為三部分。

圖1 液壓分度卡盤整體結(jié)構(gòu)

1)為卡盤體提供壓力油的液壓站，主要包括油箱、油泵、風冷及閥塊等。

2)運送液壓油的油路組件，主要包括軟油管、分油器、硬油管等。

3)實現(xiàn)所需動作的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示?？ūP通過安裝孔安裝在車床主軸上，硬油管與卡盤體的內(nèi)部管路連通，夾緊時油液從內(nèi)部管路進入夾緊油缸的上油腔，驅(qū)動油缸活塞向下運動夾緊工件。

圖2 液壓分度卡盤體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3所示為液壓分度卡盤油路簡圖。主油泵M1輸出的壓力油液經(jīng)可調(diào)式減壓閥V3進入卡盤的夾緊回路，當電磁閥V1工作于左位時，夾緊油缸C1的活塞推出，卡盤夾緊工件；當電磁閥V1工作于右位時，活塞退回，卡盤松開工件。夾緊回路的油液壓力可由壓力表P1讀出，液控單向閥V6具有失壓保護功能，保證卡盤的運行安全。

圖3 液壓分度卡盤油路簡圖

1.2 卡盤夾緊力估算

液壓分度卡盤易于獲得較大的、穩(wěn)定的夾緊力，但旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下卡盤夾緊力受離心力影響較大。靜態(tài)時，設進油腔與活塞接觸面積為S，進油油壓為P，出油腔油壓為0，忽略活塞與油液自身的質(zhì)量，得到卡盤的靜態(tài)夾緊力F=P·S。記旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下夾緊力的減小量為Fr，則卡盤的動態(tài)夾緊力F′=F-Fr。

圖4所示為AC型液壓分度卡盤的夾緊機構(gòu)局部視圖。該機構(gòu)主要包括夾緊缸、夾緊活塞、螺釘、軸承及上夾頭等。將夾緊活塞、螺釘、軸承、上夾頭視作整體進行分析，假設液壓油不可壓縮，可認為液壓油對夾緊活塞推力保持不變，則整體所受的合離心力就是卡盤夾緊力減小量，即Fr=∑Fci，其中Fci為零件所受的離心力。由離心力的計算公式F=mω2r知，零件所受的離心力由其質(zhì)量及其質(zhì)心到回轉(zhuǎn)軸線距離決定。由于卡盤夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，將整體視為一個實心圓柱體進行離心力的估算。

1—夾緊油缸蓋；2—卡盤體；3—夾緊活塞；4，6—軸承；5—防墜螺釘；7—夾頭；8—工件。

離心力計算方法推導如下：設圓柱體半徑為r，高為h，底面距回轉(zhuǎn)中心z1。取圓柱體內(nèi)部坐標(x，y，z)處長、寬、高分別為dx、dy、dz的小單元，則單元質(zhì)量為m=ρdxdydz，其中ρ為材料密度。根據(jù)離心力計算公式，單元所受離心力z向分力FZ=ρω2zdxdydz，其中ω為旋轉(zhuǎn)角速度。將其化為柱坐標進行積分計算，得到等效圓柱體的離心力計算公式

取圓柱體的材料視作鋼，密度取7900kg/m3，則卡盤夾緊力減小量Fr隨轉(zhuǎn)速n變化公式為

Fr=0.000 285n2

上式表明，該型號液壓分度卡盤夾緊力損失與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

2 卡盤動態(tài)夾緊力實測

采用液壓分度卡盤進行加工時，油液也受到離心力的作用，對活塞作用力會發(fā)生改變，且夾緊活塞與油缸的裝配、回轉(zhuǎn)體自質(zhì)量、上夾頭的質(zhì)量均會影響卡盤施加到工件的夾緊力。因此有必要對卡盤動態(tài)夾緊力進行實測以準確分析卡盤夾緊力的變化規(guī)律。

本文進行夾緊力實測的液壓分度卡盤型號為AC206，最大供油壓力為4.5MPa，車床型號為CAK6150Di。為測量卡盤旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的夾緊力，采用模塊化組裝的方案設計了基于STM32的無線測力裝置。測力裝置實物如圖5所示，主要由以下三部分組成。

1)傳感器：傳感器將卡盤的力信號按比例轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺疚牡臏y力裝置采用量程為1.5 T的S型電阻應變式傳感器。

2)變送器：變送器將傳感器輸入的電信號進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)無線發(fā)送模塊輸出，集成了信號調(diào)理模塊、STM32核心板、無線發(fā)送模塊及為各模塊供電的電源模塊。

3)信號顯示與存儲模塊：信號顯示與存儲模塊采用基于Labview的虛擬儀器在PC端構(gòu)建，將無線接收模塊采集的力信息存儲并顯示。

1—STM32核心板；2—無線發(fā)送模塊；3—電源端子；4—傳感器供電端子；5—傳感器輸出端子；6—傳感器；7—變送器；8—鋰電池。

使用無線測力裝置測試液壓分度卡盤的動態(tài)夾緊力，測試步驟如下：

1)安裝測力裝置；

2)設定卡盤夾緊缸供油壓力P=2MPa；

3)示數(shù)穩(wěn)定后記錄卡盤靜態(tài)夾緊力；

4)主軸啟轉(zhuǎn)，初始轉(zhuǎn)速設定為200r/min，從面板讀取主軸實際轉(zhuǎn)速并記錄夾緊力；

5)逐步增加主軸轉(zhuǎn)速到500,800,1 000,1 200,1 500,1 800r/min，并記錄主軸實際轉(zhuǎn)速與卡盤夾緊力；

6)主軸停轉(zhuǎn)，油壓設為3MPa，重復3)-4)；

7)主軸停轉(zhuǎn)，油壓設為4MPa，重復3)-4)。

按照以上步驟進行測試，得到液壓分度卡盤夾緊力實測值如表1所示。

表1 夾緊力測量值

3 卡盤動態(tài)夾緊力分析與補償

對比液壓分度卡盤靜態(tài)夾緊力與不同轉(zhuǎn)速下的夾緊力，得到卡盤夾緊力減小值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖6所示。由此可知：

圖6 卡盤夾緊力減小量變化

1)卡盤夾緊力隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減小，且轉(zhuǎn)速越大，減小量越大；

2)卡盤夾緊力減小量理論計算結(jié)果與實測結(jié)果具有一致性，在現(xiàn)場不具備測試條件的情況下具有一定參考價值；

3)卡盤夾緊力不僅與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與初始供油壓力有關(guān)，油壓較大時夾緊力減小量較小。

液壓分度卡盤夾緊力的實測結(jié)果表明：卡盤旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實際夾緊力取決于初始供油壓力及主軸轉(zhuǎn)速，而油管、油缸中油液壓力隨卡盤轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律較為復雜，難以用解析式表達，故可將主軸轉(zhuǎn)速、油液壓力視作自變量，卡盤夾緊力作為因變量進行曲面的擬合，根據(jù)實測結(jié)果預測卡盤夾緊力的變化規(guī)律。采用Matlab曲面擬合工具sftool對卡盤夾緊力z隨主軸轉(zhuǎn)速x、供油壓力y的變化情況進行多項式擬合，曲面擬合結(jié)果如圖7所示。x取二次，y取二次，則夾緊力z的擬合多項式為

圖7 卡盤夾緊力多項式擬合

z=p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2

其中多項式系數(shù)分別為：

p00=-1 489；p10=-0.121；p01=3 757；

p20=-0.00 024；p11=0.06 932；p02=-173.2。

當主軸轉(zhuǎn)速達到1 840r/min時，采用修正后的關(guān)系式計算液壓分度卡盤的夾緊力，計算結(jié)果與實際值誤差分別為2.5%、0.6%、0.4%。因此可采用該式作為夾緊力補償?shù)挠嬎阋罁?jù)。例如，油液壓力為3MPa時的靜態(tài)夾緊力為8 238N，當主軸轉(zhuǎn)速達到1 800r/min時，夾緊力的理論計算值為7 592N，此時將油液壓力增大到3.23MPa，則夾緊力可以補償?shù)? 236N，從而通過增大初始供油壓力的方式實現(xiàn)夾緊力的補償。

4 結(jié)語

本文針對液壓分度卡盤旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的夾緊力損失，根據(jù)卡盤結(jié)構(gòu)建立夾緊力損失與轉(zhuǎn)速的理論計算式。通過對卡盤夾緊力實測，采用實測值曲面擬合的方式修正了算式，較為精準地預測了液壓分度卡盤高速旋轉(zhuǎn)時的夾緊力損失。結(jié)果表明：液壓分度卡盤的夾緊力損失不僅與卡盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與初始供油壓力有關(guān)。最后，提出了卡盤夾緊力的一種補償方法，避免了加工過程中由于夾緊力損失造成的工件夾緊不可靠的問題。