自動夾具全閉環(huán)監(jiān)控技術(shù)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(yè)智能制造的推進與深入，過程智能化和自動化物流系統(tǒng)在提升效益和降低成本方面作用突出，已經(jīng)成為企業(yè)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(shù)的生產(chǎn)線采用機械手進行工件的自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運過程中的各類碰撞事故發(fā)生。

本文主要論述了自動夾具全閉環(huán)監(jiān)控技術(shù)的幾種實踐應用，同時結(jié)合新生產(chǎn)線期望達到的設備安全性技術(shù)要求及后續(xù)的一些防碰撞改進，系統(tǒng)闡述設備自動夾具夾緊松開監(jiān)控技術(shù)。

1 夾具結(jié)構(gòu)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?qū)б毒叻较颍?、分度裝置（使工件在一次安裝中能完成數(shù)個工位的加工，有回轉(zhuǎn)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(guī)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(shù)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(zhuǎn)運時，如安全措施不到位，往往發(fā)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(shù)文本中明確工件自動轉(zhuǎn)運過程中嚴禁各類碰撞的具體要求（圖1），并在后期的技術(shù)對接交流中確定其可靠性。

圖1 防碰撞技術(shù)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(xù)改進方案并實施。

2 典型夾緊松開監(jiān)控形式

生產(chǎn)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(jiān)控；加工中心夾具夾緊、松開監(jiān)控，工件夾緊、松開確認。

2.1 專用機床夾具夾、緊松開監(jiān)控形式

專用機床主要有國產(chǎn)及進口兩種，其夾具夾緊、松開監(jiān)控形式大同小異。

2.1.1 國產(chǎn)類專機

國產(chǎn)類專機夾具夾緊、松開監(jiān)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(xù)供油導致壓力上升，達到壓力繼電器設定壓力觸發(fā)微動開關(guān)動作發(fā)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(huán)感應外置開關(guān)，二是通過活塞桿外伸軸上的感應塊感應行程開關(guān)。

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(chǎn)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(fā)生過由于壓爪等執(zhí)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(jiān)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(chǎn)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(jiān)控

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

圖5 體積流量計監(jiān)控

體積流量計工作原理：流體帶動流量計轉(zhuǎn)動部分產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，流體被連續(xù)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(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以得到通過流量計的流體體積累計值。

支路中液壓執(zhí)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(tǒng)設定值會出現(xiàn)較大偏差，設備機會出現(xiàn)異常報警。該方式尤其適合因空間限制、液壓執(zhí)行元件無法安裝感應開關(guān)檢測是否到位的環(huán)境。

2.2 加工中心夾具夾緊、松開監(jiān)控形式

以生產(chǎn)現(xiàn)場目前使用的德國HELLER 公司生產(chǎn)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(jiān)控形式。

2.2.1 加工中心與專機在夾具控制上的區(qū)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(zhì)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(jiān)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(guān)監(jiān)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(guān)監(jiān)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(guān)監(jiān)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(guān)監(jiān)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(zhuǎn)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(fā)生，碰撞一般發(fā)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(jiān)測工件夾緊液壓力低于設定值；二是監(jiān)測各夾緊及定位油缸松開氣檢壓力高于設定值。液壓系統(tǒng)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(huán)境較為惡劣，信號誤發(fā)主要由該環(huán)節(jié)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(tài)，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(tài)。加工中心加工區(qū)為密閉空間，切屑、霧氣、粉塵等雜質(zhì)會從氣檢缸底面排氣孔逐漸進入氣檢缸內(nèi)部并慢慢形成粘稠狀物質(zhì)，這些粘稠物極易堵塞氣檢進氣孔造成信號誤發(fā)。

圖10 油缸氣檢部位

現(xiàn)有夾具中，各種夾緊、松開油缸數(shù)量較多，定期清理會造成長時間停機，受產(chǎn)量制約，該部位難以實施定期清理，為避免發(fā)生頂撞事故，必須對其進行優(yōu)化改進。

3.2 優(yōu)化改進措施

夾具的結(jié)構(gòu)決定了頂撞事故的發(fā)生部位，現(xiàn)有各類夾具頂撞部位都是發(fā)生在主夾緊與工件之間，因此對夾具主夾緊狀態(tài)進行有效監(jiān)控即可達到防止頂撞的目的。監(jiān)控形式是加裝感應開關(guān)，并將反饋的信號串聯(lián)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(tài)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(qū)擺臂徹底打開的相應位置安裝反射型光電開關(guān)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(tài)，其夾角約為60°，該類夾具難以實現(xiàn)采用反光板反射形式。改進措施是在卸料區(qū)擺臂徹底打開的相應位置安裝障礙物型光電開關(guān)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(guān)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(tài)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(guān)安裝在設備的上下料區(qū)，檢測時不受切削狀態(tài)影響，光電類開關(guān)能發(fā)揮較好的效果，但是在單夾具的專機類設備上，上下料區(qū)與切削加工區(qū)在同一密閉空間，受濕式加工條件限制，光電開關(guān)不能發(fā)揮較好作用，因此，專機類設備通常使用防水型行程開關(guān)或者對光電開關(guān)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)象，為避免事故發(fā)生，要結(jié)合實際進行持續(xù)改進。優(yōu)化改進最關(guān)鍵的是措施制定環(huán)節(jié)，措施的制定一定以現(xiàn)場實物為主導，要根據(jù)實物特點制定改進措施。