大型CNC机床柔性随行夹具的开发与实现

王新乡，胡国清，周海峰

( 1． 集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

0 引言

工装夹具是机械装备制造业中不可缺少的基础工艺元素[1],而柔性夹具又是数控加工质量和效率的保障[2]，目前针对小型结构件的柔性加工固持方案较多，例如三指或多指柔性夹具，自牺牲式柔性夹具等等，但由于这类夹具的夹持特点，并不适用于大型梁、肋构件的加工[3-6]。国内大型梁、肋的数控加工一直延用的加工固持技术主要是：在产品加工过程中留出工艺凸台，通过压板、螺钉与支撑，采用手工压紧或压紧螺钉直接压紧。该技术存在工装数量多、装夹与机床、刀具干涉点多，材料浪费严重，工艺准备时间长，加工连续性差等诸多弊端[7-8]。针对梁架零件的加工，Te Li等[9]提出一种独立于数控系统的多点夹具方案，该方案用三个激光传感器和专用检测平面，检测刀具位置，利用虚拟网格法找出可能与刀具发生碰撞的夹具并进行避让，从而实现柔性加工固持的要求。本文提出了一种新型柔性随行夹具方案，取消了传统工艺凸台，改用夹具随机床主轴随动的固持工艺，利用原机床数控系统读取主轴刀头坐标，从而精确定位刀具位置，实现压紧件随行主轴避让的功能。

1 系统整体结构方案设计

随行夹具系统采用一体式结构，如图1所示。底座两端设置定位销，中部摆放工件。执行元件为Festo CLR旋摆气缸[10]，沿底座四周均匀分布。气缸外部用波纹管密封保护，以防切屑液进入缸体。加工过程中，随着主轴刀头运动，气缸摆臂带动压板完成“打开避让”和“闭合按压”两个动作。为防止压板动作时带起切削损伤工件[11]，压板的压头底部钻有小孔，夹具打开和按压时，释放高压气体吹开下方切屑，如图2所示。为了适应不同形状工件的加工需求，系统有多种长度压板可供更换，以实现柔性扩展能力。

2 控制系统总体方案设计

对系统的整体要求主要包括：1)实时读取CNC(computer numerical control)机床主轴坐标数据；2)自动判断主轴位置并避让；3)具备一定的柔性扩展能力，可适应不同外形结构件加工；4)全方位监控，确保主轴安全。

2.1 CNC机床主轴实时坐标数据的读取

数控系统加工前，将以夹具座的对刀原点为坐标原点进行对刀，因此，数控系统与随动夹具系统使用相同的坐标系，CNC机床的主轴刀头坐标就是随动夹具系统的主轴位置。控制系统结构框图如图3所示。CNC系统数据处理器与随行夹具控制端软件采用C/S结构。上位PC机获得主轴实时坐标数据的同时，通过机床以太网接口，根据TCP/IP协议将数据送给随行夹具控制端的下位PC机。相比独立于数控系统的夹具方案[9]，本方案主轴坐标参数直接从数控机床获得，故坐标数据获取时间更短且更为精确。

2.2 坐标数据的分析与处理

由于随行夹具压板的按压区域亦为工件的加工区域，故主轴运行至压板干涉区域时，该区域压板应及时上提并顺时针旋转90°到安全位置，以避让主轴。本系统中，主轴的最大进给速度可达到15 000 mm/min(空刀时)，故计算主轴与压板干涉范围时，除考虑主轴带刀运行时的平面最大直径(刀套直径)、主轴的运行速度、压板长度等因素，还应充分考虑系统响应时间的影响。

现以1#夹具压板为例，计算该压板的干涉区域并判断其旋转状态。

如图4所示，以夹具座对刀原点为坐标原点建立坐标轴。所有夹具在夹具座安装完毕后，其旋转中心位置即确定，分别设为P1(x1,y1)，P2(x2,y2)，…。

图4中主轴运动中心坐标为Pd(x,y)，1#夹具旋转中心坐标为P1(x1,y1)，两点间距离为L；主轴与夹具的实际干涉半径是夹具旋转半径Rj与主轴刀套半径Rd之和；考虑到系统响应延时，设置缓冲距离Ls作为提前量，故干涉半径取Rj+Rd+Ls。若L大于该半径，则压板压紧工件，否则压板打开避让主轴。根据以上分析，取逻辑变量M1表示压板状态(M1为1，表示1#压板旋转避让主轴；M1为0，表示1#压板复位压紧工件)，则有：

(1)

其中：Ls—缓冲距离，mm；Ls=Vc·Ts·Kt，Ts=T1+T2+T3+Tδ;Vc—切削时主轴刀头的最大进给速度，mm/s；Ts—响应时间，s；Kt—时间修正系数；T1—系统获得主轴刀头实时坐标数据至PLC发出各夹具动作电信号时间，s；T2—气动回路电磁换向阀收到电信号至各旋转气缸动作时间，s；T3—夹具开合到位至PLC收到传感器反馈信号时间，s；Tδ—安全时间余量，s。

系统调试时，采用逐步逼近法，设置Ts变量至一个安全合适的数值。夹具在新调试好和使用一段时间后的往复时间有所不同，每使用一段时间后，通过改变夹具往复时间修正系数(Kt)对夹具往复旋转所用时间进行修正。

2.3 系统柔性拓展能力的实现

当加工件的形状改变时，需更换不同长度的夹具压板以适配不同的加工需求。式(1)中，各随行夹具的旋转中心位置P1、P2…被设为变量，通过图5所示组态参数输入界面，输入刀具直径、主轴刀头最大进给速度、压板旋转中心坐标、压板长度等参数，系统即自动计算出新的变量数值。当加工工件长度或宽度方向有变化时，只需调整随行夹具的位置或压板长度，并重新输入各参数，即可实现柔性控制的要求。

2.4 系统运行状态监控及应急响应的实现

2.4.1 暂停主轴运行功能的实现

图6中KA1常闭触点的线圈由随行夹具系统PLC控制，若随行夹具系统正常工作，该常闭触点断开，CNC机床允许运行；若随行夹具系统故障或掉电，或KA1线圈掉电，则该常闭触点导通，CNC机床暂停。PLC同时对该触点的联锁触点进行监控，一旦该触点出现故障，PLC会立即报警。报警期间，PLC将继续控制夹具随主轴运行，保障工人有充分的时间按照触摸屏操作提示，手动控制CNC机床主轴抬高，停止随行夹具系统运行。

2.4.2 系统运行状态监控

随行夹具系统中设置了专门的通讯监控定时器，一旦数据多次出错或监控定时器迟迟未接收到数据，系统即启动应急响应，并在组态界面及人机界面HMI中同时提示网络故障。

同时对执行回路也进行监控。一旦反馈回路与执行回路数据不一致即触发应急响应。

考虑到工作环境恶劣，反馈元件选择FESTO的SME-8-K-LED-24位置传感器，该传感器可直接安放在旋摆气缸上，通过监控气缸伸缩，得到压板的实际工作状态。压板执行回路的监控包括整体监控和独立监控两个部分，其程序片段分别如图7、图8所示。

整体监控程序将所有压板状态作为完整数据从PLC送到输出端口，即开始比较传感器反馈回来的压板信号，判断两者是否一致，同时监控定时器开始计时，若监控时间到，两数据仍未一致，则判定输出或反馈回路故障，启动应急响应。通过对比输入输出数据，PLC可以判断出故障发生位置，在人机界面中显示故障检修建议。

独立监控程序对每个压板回路设置单独的监控程序，监控输出信号与反馈信号不一致的时间，如果该时间超过允许值，则判定该压板回路故障，系统启动应急响应。考虑到本系统中执行元件的响应时间约为190 ms，程序中使用高速输入输出指令REF将最新的压板动作指令刷新到输出端口，以提高系统整体响应速度。

人机界面HMI为PLC与操作人员交互的窗口，在系统工作前，由HMI提示并引导安装操作；系统工作时，显示各压板工作状态，如图9所示。为了在系统故障时，立即显示故障位置，并提供检修建议，图9中每个压板均采用两层叠压设计(图中每一个矩形框表示一个夹具压板)，下层框作为状态显示框，与PLC程序中I/O点数据比对结果对应，正常显示蓝色，故障显示红色。上层框作为触摸切换框，当状态显示框为红色(故障)时，触摸该压板，可触发上层框的“页面跳转”操作，跳转到检修建议页面。

2.5 总体控制流程

根据以上设计得到系统总体控制流程如图10所示。

图10中各运行准备工作均由夹具随动系统的PLC通过HMI的操作引导页面引导完成，允许CNC机床“起动”后，PLC自动解除CNC机床锁定，图6中的KA1常闭触点断开，允许CNC机床运行。CNC机床运行期间，PLC与下位PC机配合，下位PC机读取主轴刀头当前坐标，PLC对整个系统的运行状态进行监控，同时控制相应的夹具进行避让，一旦出现异常，立即启动应急响应。CNC机床加工完毕，HMI界面显示“加工完毕”，PLC再次通过HMI引导完成零件拆吊工作直至结束。

3 控制方案的实现和验证

根据以上设计方案制造的样机实物如图11所示。其设计加工范围为2 800 mm×250 mm×70 mm；加工件选用某长梁，其尺寸为2 000 mm×210 mm×50 mm；配套机床为V2 2500B三坐标双主轴数控龙门铣床，该铣床主轴功率50 kW，转速50～10 000 r/min，当转速为2 000 r/min时，最大扭矩为240 N·m，三坐标方向上的进给参数见表1。实际加工结果证明，本文所设计的柔性随行夹具系统在与CNC机床配合时，各夹具运行平稳正常，实现了设计构想。当加工零件宽度为 210 mm时，可节约60 mm(2×30 mm)宽度的工艺凸台材料，缩短加工准备时间约309 min。

表1 V2 2500B铣床主轴三坐标方向进给参数Tab.1 Feeding parameters V2 2500B milling machine spindles坐标Coordinate行程Trip/mm快移速度Fast moving speed/(mm·min-1)进给速度Feed speed/(mm·min-1)定位精度Positioningaccuracy/mmX20 00015 0000～15 0000.040Y2 50015 0000～15 0000.025Z65015 0000～15 0000.008

4 总结

本文以大型梁、肋零件为研究对象，采用夹具随机床主轴随动的固持工艺，设计了一种柔性随行夹具。该夹具取消了传统的工艺凸台，利用原机床数控系统读取主轴刀头坐标，实现压紧件随行主轴避让功能。经实际生产验证，系统运行平稳，新工艺与传统加工固持工艺相比，大大减小了材料浪费和加工准备时间。目前，该夹具可针对飞机、船舶、汽车等的大型梁、肋零件实行自动化随行工装，用于V2 2500B龙门铣床或性能参数类似的数控机床上，实现被加工产品的快速定位、无凸台装夹以及加工过程压紧件随行的功能。