数控机床夹具液压控制系统的设计

□ 卢红印

无锡贝斯特精机股份有限公司 江苏无锡 214161

1 设计背景

随着机械工业的不断发展,在机加工领域尤其是汽车零部件的机加工夹具行业,液压技术在行业中得到了充分的应用,机液一体化程度越来越高,同时也极大地拓展了夹具的应用范围和表现能力。但是,在很多情况下,由于机床价格高昂,更新换代并非易事,囿于机床固有的液压配置,并且夹具要满足复杂的动作控制,这就对夹具的液压控制系统设计提出了非常高的要求。

2 设备情况及加工要求

某客户现场有多台进口数控卧式加工中心,机床工作台提供三进三回液压油路。客户欲使用这台机床加工一款新型变速箱阀板,此阀板加工精度要求很高,据前期加工试制的结果分析,需要采用粗、精加工。为满足批量生产中过程能力指数不小于1.33,即一般情况下过程被接受的评判标准的要求,需要在粗加工后撤掉压紧力,压紧机构两侧泄压,压紧机构处于浮动状态,使工件可以释放在粗加工中因工件形状变化、内应力重新分布而产生的弹性变形,恢复自由形状。浮动的压紧机构仅依靠内部的摩擦力来防止工件在外力扰动下的跌落,然后再压紧工件,进行精加工。在粗加工阶段,为了提高加工效率,采用较大的进给参数,此时切削力较大,需要夹具提供较大的压紧力,以抵抗切削力,防止工件移位。在精加工阶段,为了减少工件的压紧变形,进一步提高加工精度,夹具要降低对工件的压紧力。

工件采用桁架机器人来实现自动化的上下料,从而实现全线自动化生产。在加工中,阀板竖直放置在夹具上,夹具结构为角尺型,机械手将工件放入夹具内对应位置后,为防止工件跌落,夹具的压紧机构压紧工件,机械手再撤离,机械手撤离后,夹具对工件进行定位及压紧,之后开始加工。

夹具定位压紧过程中,有三个顺序动作,工件放置在支承件上后,首先是横向单点推靠定位,再纵向两点推靠定位,之后压紧机构压紧工件,完成定位和压紧的过程。

在定位时,夹具的压紧机构泄压,松开工件,压紧机构保持原位,防止工件在外力扰动下跌落。定位机构动作,将工件推动到正确的位置上,然后夹具的压紧机构动作,压紧工件。

根据上述加工工艺要求,配套的夹具要求能实现高低压切换及压紧机构双侧泄压,即浮动的功能。

原机床提供的工作台液压控制系统如图1所示,为独立的三进三回液压系统,每一组回路都有减压阀、三位换向阀、双向型液控单向阀、压力开关。压力开关用于检测每条支路上的压力,并反馈信号,实现自动化控制。双向型液控单向阀用于支路保压。减压阀用于支路压力调整。三位换向阀用于回路的换向控制。

▲图1 原机床提供的工作台液压控制原理

3 液压控制系统设计

如上所述,夹具有三个顺序动作。机床提供三进三回的液压接口,每个动作使用一组油路。但是,采用此种控制方式,夹具无法自动实现高低压切换和泄压的功能。

为此,需要对夹具侧的液压系统和机床提供的液压控制系统进行设计调整,以满足上述加工要求。经过分析研究,有两种方法可以采用。

第一种方法为将机床的液压控制系统中夹具压紧回路的某一减压阀更改为比例减压阀,通过系统自动控制比例减压阀的设定值,调节夹具的压紧力。此项改造成本较高,除比例减压阀外,还需要在机床控制系统内增加模拟量输出模块,以控制比例减压阀的输出值,另外还需要取消同一回路内的液控单向阀,才能实现从高压到低压的调节。在拆除液控单向阀后,回路无法保压,不利于节能降耗。第二种方法为尽可能不改动机床提供的液压配置,采用组合回路的方式,实现上述功能。

两种方法权衡后决定采用第二种。第一步实现高低压切换和两侧泄压的功能。利用中间组回路和右侧回路作为夹具压紧机构的控制回路,将中间组回路的减压阀设置为高压,将右侧回路的减压阀设置为低压。A2和A3油路口连接,通向夹具压紧机构的压紧侧。同时为了实现泄压功能,需要对机床液压控制系统的单向节流阀进行调整。将B2油路通向夹具压紧机构的松开侧,实现夹具压紧机构的打开。B3油路用来打开液控单向阀,实现夹具压紧机构压紧侧的泄压。而夹具压紧机构松开侧的泄压则无法实现,夹具压紧机构无法实现浮动功能。因此,需要改造压紧支路的配置,将B2油路的液控单向阀取消,这样可以实现夹具压紧机构松开侧的泄压,从而实现压紧机构两侧的泄压,压紧机构处于完全浮动状态。

第二步实现夹具定位时的顺序动作。由于中间组和右侧回路用于压紧机构的压紧,夹具定位的两个动作,需要靠左侧的回路来实现。通过在夹具的定位机构控制回路上设置顺序阀,可以解决此问题。

改造后完整的夹具液压控制系统原理图如图2所示。图2中,将双向型液控单向阀更改为单向型液控单向阀,只对A2油路保压,对B2油路不保压。

通过单向顺序阀,实现横向单点推靠定位油缸和纵向两点推靠定位油缸的顺序动作。夹具压紧油缸用来压紧工件,蓄能器用于抑制夹具系统内压紧侧压力的波动,保证系统压力稳定。夹具液压系统电磁铁动作及实现的功能关系见表1。

通过设计夹具内部液压回路和改造机床提供的工作台液压控制回路,实现了工件顺序定位、高压压紧、低压压紧、两侧泄压、压紧机构松开的全部功能。

上料定位、压紧、粗加工、泄压、精加工的控制顺序如下。

(1) 上料定位。机械手将工件输送至夹具后,三位换向阀电磁铁F端得电,夹具压紧油缸低压压紧工件。由压力开关f端确认低压压紧工件到位。机械手撤离夹具,三位换向阀电磁铁E端得电,压紧机构两侧泄压,压紧机构浮动。由压力开关e端确认泄压到位。之后三位换向阀电磁铁B端得电,夹具的横向单点推靠定位油缸动作,横向单点推靠定位油缸动作到位之后,压力上升,打开单向顺序阀,纵向两点推靠定位油缸动作,完成对工件的定位。由压力开关b端确认工件定位到位。

▲图2 改造后的夹具控制系统液压原理

表1 液压系统电磁铁动作及实现功能

(2) 压紧。三位换向阀电磁铁D端得电,夹具压紧油缸高压压紧工件。压力开关d端及f端确认高压压紧到位。

(3) 加工。压力开关d端及f端确认高压压紧到位后,机床开始粗加工工件。

(4) 泄压。三位换向阀电磁铁E端得电,夹具压紧油缸两侧泄压,压力开关e端确认压紧油缸泄压,压紧机构处于浮动状态。三位换向阀电磁铁A端得电,横向单点推靠定位油缸、纵向两点推靠定位油缸活塞杆缩回,工件定位解除。此时工件处于自由状态,工件释放粗加工过程中因内应力重新分布而产生的弹性变形。

(5) 精加工。三位换向阀电磁铁B端得电,横向单点推靠定位油缸、纵向两点推靠定位油缸动作,将工件定位。压力开关b端确认工件定位完成。三位换向阀电磁铁F端得电,夹具压紧油缸低压压紧工件。压力开关f端确认低压压紧到位,机床开始精加工。

加工结束后,采用机械手取料。机械手移动到位,抓住工件后,三位换向阀电磁铁A端得电,横向单点推靠定位油缸、纵向两点推靠定位油缸活塞杆缩回,松开工件。压力开关a端确认工件定位解除。同时,三位换向阀电磁铁C端得电,夹具压紧油缸打开,松开工件。机械手撤离夹具,加工循环完成。机械手将新的待加工工件送入夹具,开始新的加工循环。

4 结束语

笔者通过设计夹具内部的液压控制系统及改造机床自带的液压控制系统,实现了预定功能,既节省了改造费用,又提高了加工质量,保证了加工效率,实现了批量自动化生产。