某高转速精密机床气路控制的改进.pdf

某高转速精密机床气路控制的改进 张建成① 毛智勇① 赵林惠① 金 鑫② ①北京联合大学机电学院， 北京 1 0 0 0 2 0 ； ②北京理工大学机械与车辆学院， 北京 1 0 0 0 8 1 摘要 根据可重配置机床对不同机械模块的配置需求， 进行可重配置机床的气路总体设计。通过对不同机 械模块的控制特点进行分析 ， 针对不同机械模块设计了相应的气路控制方法。尤其是对大旋转惯量 的转 台系统设计主辅气路的控制方式 ， 解决了冲击碰撞问题。对油雾润滑气路增加了背压功能， 实 现了节流控制。 关键词 可重配置气动控制数控系统大惯量碰撞 中图分类号 T P 2 7 1 ． 4 文献标识码 A Pn e u ma t i c c o n t r o l me t h o d o f i mp o r t a n t c o mp o n e n t s o n h i g h - s p e e d p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l Z HAN G J i a n c h e n g，MA0 Z h i y o n g ，Z HAO L i n h u i ，J I N X i n S c h o o l o f m e c h a n i c a l a n d e l e c t r ic a l ， B e ij in g U n io n U n iv e r s it y ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 0 ， C H N ； S c h o o l o f M e c h a n ic a l a n d V e h i c l e， B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C H N Ab s t r a c t Ba s e d o n d i f f e r e n t c o n fi g u r a t i o n o f me c h a n i c a l mo d u l e s o n r e c o n fi g u r a b l e ma c h i n e t o o l s ，p n e u ma t i c c o n t r o l c i r c u i t i s de s i g n e d a s a wh o l e ．Th e r e l e v a n t p n e uma t i c c o n t r o l me t h o d i s c ho o s e d a c c o r d i n g t o di f f e r - e n t c o n t r o l c h a r a c t e ris t i c o f d i f f e r e n t me c ha n i c a l mo d u l e s ． S p e c i a l l y， t h e ma i n a n d a u x i l i a r y c o n t r o l me t h o d s a r e p l a n n e d f o r b i g i n e r t i a r o t a r y t a b l e ，t h e c o l l i s i o n a n d e n c o u n t e r p r o b l e m i s s o l v e d ．B e c a u s e o f b a c k i n g p r e s s u r e f un c t i o n i s a p p l i e d o n o i 1 mi s t s y s t e m ，r e s t r i c t i o n c o n t r o l i s r e a l i z e d ． Ke y wo r ds Re c o n f i g u r a b l e；P n e u ma t i c Co n t r o l ；CNC S y s t e m ；Bi g I n e r t i a；Co l l i s i o n 从 1 9 9 5年美国密歇根大学提 出可重配置概念之 后， 世界各国的研究者纷纷投入到这一领域进行研究， 并在机 械 系统 和控制 器设 计 方 面取得 了一 定 的成 就 。在军事 、 航空航天 、 精 密仪器 等行业大量微小 型零件的加工过程中 ， 为了实现完整性加工的要求 ， 设 计可重配置的微小型数控加工中心， 配置不 同的功能 单元。由此需要实现许多外部的动作 ， 如转 台的转动 、 刀库的换刀以及冷却和润滑等 ， 因此需要设计机床的 辅助控制系统。可重配置微小型车铣复合加工中心的 辅助系统包括气动、 冷却、 润滑和照明等系统。气动系 统作为机床的重要辅助系统和可重配置机床所配置的 功能模块直接相关 ， 配置 了相应 的功能模块就需要 配 置对应的气动辅助支路 。微小型车铣复合加工 中心可 配置的功能模块包括可重配置转台、 ， ， 轴组件、 电主轴 单元、 刀库单元、 对刀单元、 电动刀架 、 双头加工单元、 砂轮修整装置等。针对可重配置机床的功能模块配置 特点， 可重配置机床 的气动及其辅助系统在配置上也 相应可以做出不同的配置。 由于不同的可重配 置模块功能不 同， 对配置 的气 路也就有着不 同的要求 ， 气路的功能设计需要根据可 重配置模块的功能来确定。 1 可重配置转台的控制 1 ． 1 薄型转台工作原理 可重配置机床上需要 配置 1个超 薄型双工位转 台 ， 双工位转 台既可以用做加工时的工作 台， 又可以在 其上安装其他可重配置模块， 使机床功能更多更有柔 性。车铣复合加工中心上目前配置的薄型转台主要是 为了实现 l ， 轴组件在加 工过程 中的 0 。～9 0 。 换位功 能。安装时， 转台安装在 溜板上， l ， 轴组件又安装在 北京联合大学人才强校汁划人才资助项 目 1 1 1 0 4 5 0 1 1 0 2 、 校级科研项 E t Z K 2 0 1 0 2 1 X 8 2 葛 转台上 ， 这样当转台转动时就会使 l ， 轴组件旋转 相同 的角度 。在机床功 能的设计上需要实现 】 ， 轴组件 的 双工位加工 平行于工件端面或轴线 ， 因此所设计 的 转 台也是双工位的 ， 2个工位之间的运动控制用气动 来实现， 转台实物如图 1 所示 。 可重配置气 动转 台的工 作原 理 转 台的动作 主要 包 括 4 个步骤， 夹紧松开、 转台 浮起 、 转 台旋转 和转 台再 夹 紧。转 台在工作 即加工 状 态下处于 夹紧状 态， 当要 求 实现 工位转 换时 ， 首先松 开 图1转台 实物阿 夹紧气缸 ， 转 台浮起后 ， 再接通旋转气缸让转 台旋转到 另一工位， 等转台旋转到位后转台落下由气缸锁紧。 转台共配置 2个气缸分别完成转 台旋转和转 台松开／ 夹紧动作， 转台内部设计 1 个气腔用于转台的浮起和 下落控制。因此转台的控制需要 由 3个气路来完成 ， 其中转台抬起和降落用 1 个两位三通阀控制； 转台的 夹紧／ 松开用 1 个三位四通中封阀控制， 配置双作用锁 紧气缸， 电磁 阀的中间位置用 于保持 若用两位 四通 阀， 则要配合 1 个单 向阀防止夹紧时突然断电或断气 出现打刀现象 ； 转 台旋转用 1个三位 四通 中泄 阀控 制， 配合双作用缸， 中位卸压 ， 当旋转到位后气缸压力 为零 。为 实现精 确控 制 ， 在 各气路上都配置调速 阀进行 调速。 在转 台的转位和浮起 以 及松开／ 夹紧控制过程中， 为 了实现顺序动作 和出于安全 互锁 的考 虑， 需 要在转 台上 增加位置 检测元 件 ， 有 时还 在程序里增加延 时和互锁 以 转台旋转控制 0． 4 一 O． 5 MPa 实现更可靠 的安全保护。在 图 2转台 气动原理图 旋转气缸上增加 2个位置检测开关 ， 用 于检测转 台是 否旋转 到位 ； 在松开夹紧气缸 上安装2 个位 置检测开 关用于检测是否松开或夹紧； 由于转台抬起幅 D e sig n a n d 设计与研究 转动控制气动原理图如图2所示。 转 台旋转的动作实现需要 多个步骤才 能完成 ， 它 不仅需要数控系统 P MC控制电磁 阀进行动作 ， 还需要 多个部位的检测元件的反馈信息提供给机床 P MC， 才 能实现整个旋转动作的可靠实现。转台旋转的完整动 作流程如图3 所示。 1 ． 2 转台旋转过程中碰撞问题的解决 可重配置转台是一个双工位转台， 车铣复合加工 中心的 l ， 轴安装在转台上 随转台一起旋转 ， l ， 轴作为 转台的负载， 可以实现 】 ， 轴在工件的径向和轴向都能 够进行铣削和钻削加工 。由于 l ， 轴组件重量较大 约 5 0 k g ， 在转位过程中要承受较大的加速度 ， 产生较大 的转动惯量， 同时由于气体本身所具有的可压缩性， 因 此对转台的定位面产生较大 冲击 ， 如果不进行有效的 预防 ， 必然会降低转台的转位精度 ， 同时会影响转台的 使用寿命。 在转 台的调试过程中， 发现原先设计 的气路是利 用进气 口实现调速 ， 气压大了会有很大冲击 ， 压力小了 会导致转 台旋转不动作或者旋转不到位。针对这种由 大惯量引起的转台冲击问题 ， 可以采取的解决方法包 括 1 采用液压缓冲装 置， 安装在转 台的碰撞 冲击 部位 ， 利用液压液体的压缩 ， 产生缓冲。这种装置体积 小 ， 但此种方法要求在转 台上打孔安装 ， 另外要距离调 试合理才能获得好 的效果。 2 采用 电磁 比例阀 ， 在气缸上安 装位置检测元 件 ， 当活塞到达该位 置时， 就发 出信号给控制器 P L C 等 ， 由控制器给出模拟的控制信号 电压值 0～ 5 V ， 根据需要设定 曲线 控制缓冲速度等。但在气缸的进 气管路上安装比例阀， 价格较高， 控制过程也比较复 杂。 以上方案都没有从气路本身的改进来进行考虑。 根据气体的 自身特点 ， 可以提出2种改进的控制方案 ， 如图4、 5所示 。 改进方案一 采用排气 口进行调速 ， 方法是把原先 很 小 ， 不 能 誊 位 置 检 测 元 竺 来 l H笺 鑫 卜 H 锰 嚣 检 测 浮 起 和 下 落 的 状 态 ，因此在程序中增加延 一 ＼ ] 厂 时 ， 以确保 转 台浮起 到位后再 开始旋转 动作。 为确保整个转位动作的顺利实现， 需要在程序 中增加互锁 ， 如转 台没有抬起 的时候不能转位 ， 转台转位的时候必须夹紧松开等等 j 。 所设计的可重配置转台的主要技术指标 端面跳动 3 tx m， 定位精度-4- 1 0 ” 。设计的转台 r {竺 皇 l 卜 YI N 厂 j J N 匿 窆 ／ 旋 转 ＼ 一 位 ＼ ／ f Y 关闭主回路 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a rc h 图4改进方案一的原理图 定压减压阀 图5 改进方案二的原理图 台旋转气路控制方案 中的进气调速改为采用排气调 速。调试中发现 由于气体具有很大 的压缩性 ， 使用排 气调速方案同样不能实现调速功能 ， 使排气 调速方案 无法实现。 改进方案二 采用双路进气调速方案， 即系统采用 2个进气气路， 其中1 个气路为带节流阀的节流支路。 在转台开始转位的启 动阶段 ， 2个进气气路 同时动作 进气 ， 形成大气流推动转台旋转 ； 当转台转动到行程的 后端时 ， 关闭较大的一路气阀 气路 1 ， 只单独 留较小 的一路气阀 气路 2 进气 ， 目的是在行程后端减小推 力 ， 减／ J , N达终点时的冲击。转台在行程后端的运动 一 方面依靠气路 2的气体推动力， 一方面依靠转台自 身的惯性力 。控制气路 1的截止位置需要依靠磁性检 测元件 ， 选用带磁环的气缸 ， 当气缸活塞运动到磁环安 装位置时就会发出信号， 提供给系统进行控制和切换。 改进 的方案二是采用进气节流控制。改进方案二的另 一 种变更方法 ； 当转台达到指定位置时直接卸压 ， 让转 台完全依靠惯性到达终点， 同时依靠缓冲气缸吸收能 量 ； 缺点是惯性控制的位置有一定误差 。 在实际系统调试过程 中， 由于调节气路 参数 的部 位有多个 ， 如调速阀调整流量、 系统供气定压减压阀调 压 、 磁性开关位置、 辅助支路的节流口大小以及是否选 用缓冲气缸等 ， 都会对转 台转动的速度和冲击力大小 产生影响， 因此需要综合进行调节， 最终使转台能够平 稳快速地实现可靠转位。 在调试过程中还要注意不能使调速阀的阀口开度 太大 ， 否则会造成活塞运动过快 ， 换向阀线圈带电时间 太短， 难以实现可靠换向。 2 高速电主轴的气路可重配置 为实现微小型车铣复合加工中心中的钻削和铣削 加工， 配置高速电主轴单元， 电主轴安装在 y轴上。 铣削电主轴转速 为 0～5 0 0 0 0 r ／ ra i n ， 由变频器驱动。 自动换刀电主轴和微小型刀库配合实现 自动换刀 功 能。为了实现 自动换刀功能， 在 自动换刀操作 中需要 具备的气路功能包括 换刀过程中 自动换刀刀柄的松 开和夹紧操作 、 主轴气密封 、 主轴清洁等。对于高速电 主轴 ， 还需要增加油气润滑装置 ， 这时还需要再配置一 路油气润滑装置的气路。为检测 电主轴 自动换刀过程 中的夹紧和松开状态 ， 在 自动换刀电主轴 的后端还增 加了 1 个位置磁性开关 ， 反馈 电主轴的松开和夹紧状 态给机床主控系统 ， 用于实现顺序控制和互锁。电主 轴的气路控制原理如图6 所示【 。 气 电主轴夹紧松开 图6 电主轴气路控制原理图 对于高速旋转的电主轴， 在加工过程中需要进行 有效的润滑 ， 防止电主轴的轴承系统出现过热和过量 磨损 ， 需要为电主轴配置油气润滑装置。油气润滑装 置的主要作用就是在电主轴旋转过程中能够持续地为 主轴轴承提供润滑油气。为使油气润滑系统自身能够 可靠工作 ， 油气润滑装置本身带有气压低报警和缺油 报警。由于油气润滑装置的正常工作需要 0 ． 2～ 0 ． 3 M P a 的工作压力， 为满足其使用要求， 需要对油气润滑 装置的气路进行改进 。考虑在输 出气路上增加 1 个节 流阀， 以此作为背压 阀使用 ， 调节节流 阀阀口开度， 使 之产生一定的背压 ， 从而满足了油气润滑装置 的工作 需求。 3 可重配置刀库的气路辅助系统 刀库系统 中除了盘式刀库及其控制 和驱动单元 刀库控制器 、 电动机及驱动器 外 ， 还有一些配套或 者相关的部件， 如刀库导轨、 刀库门和刀库中的检测元 件。其中刀库导轨的作用是使刀库在上面滑动， 换刀 时导轨从床头箱中移出， 换刀后导轨退回原位。刀库 门的作用是换刀开始时打开， 让刀库能够顺利移出， 到 换刀结束刀库退回原位后关闭， 目的是保护刀库， 防止 机床在进行工件加工时金属切屑和冷却液污染刀库。 刀库门和刀库导轨为气动控制。为实现以上功能， 采 LU I I ≈ 用 2个气动支路进行控制 ， 即分别用 2个三位 四通阀 控制刀库 门气缸和刀库移入移出导轨。刀库门气缸选 用普通气缸 ， 刀库移入移 出气缸采用无杆气缸 。配合 检测和传感元件可以实现刀库门打开和关闭的状态检 测， 刀库导轨的移出和返回位置检测， 从而实现对刀库 门和刀库移人移出进行控制。刀库气动系统的原理图 如图 7所示 。 图7 刀库换刀气动系统图 4 气动系统功能实现及总体气路设计 可重配置的高转速精密机床气路辅助系统既包含 对转台、 高速电主轴和刀库的控制气路， 还包括对主轴 夹紧、 点动吹气和对刀仪等的控制气路。机床气路系 统总体图如图 8所示 。 要使各气动支路都可靠稳定地工作， 需要对各条 支路的气压进行设计。气动系统中各路气压经调试后 的最后整定值如表 1 所示 。 5 结语 根据可重配置机床对不同机械模块的配置需求 ， D e s ig n a n d R 删『C h 设计与研究 表 1 机床系统各气路压力整定值表 压力整定值 压力整定值 气路 名称 气路名称 ／ MP a ／MPa 系统压力 o ． 7 电主轴夹紧 O ． 6 工件 夹紧 O ． 5 电主轴清洁 O ． 3 点动吹气 o ． 2 电主轴密封 O ． 1 刀库 导轨 o ． 3 电主轴油气润滑 O ． 3 刀库 防护 门 O ． 1 5 辅助支撑 l o ． 5 转 台夹 紧 o ． 3 5 辅助支撑 2 o ． 5 转 台旋转 o ． 4 5 对刀仪开窗 O ． 5 转 台抬起 O ． 3 对刀仪清洁 O ． 2 进行可重配置机床的气路总体设计。通过对不同机械 模块的控制特点进行分析 ， 设计了相应的控制气路 ， 整 定 了各控制支路的压力 。调试结果表明， 所设计 的 路原理符合对不同对象的控制要求 ， 设定 的压力整定 值满足控制对象安全稳定运行 的需要。特别根据控制 对象的控制难点对常规气路进行了改进。对大旋转惯 量的转台系统设计主辅气路 的控制方式 ， 解决 了冲击 和碰撞问题。对油雾润滑气路添加节流控制 ， 增加了 背压功能 。 参考文献 [ 1 ] 许虹 ，王庆明． 可重构 机床设 计 [ J ] ． 中国机械 工程 ， 2 0 0 5， 1 6 7 5 8 8 5 9 3． [ 2 ] 毛智勇， 刘宝权． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7． [ 3 ] 李超． 设备控制基础[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 吴玉厚． 数控机床电主轴单元技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 o 6． 『 5 1 姚新 ． 刘 民钢． 液压与气动『 M] ． 北京 中国人民大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． 豢 IZ 等等 l耳 I L ～J 用于打开窗口 图8 车铣复合加工中心气动原理图 8 5 设计与研究 D e s a n d R e se a fc h 数控专用主板设计 张赞秋 高 岩 罗 迪 杨松山 苏升力 大连光洋科技工程有限公司， 辽宁 大连 1 1 6 6 0 0 摘要 根据数控系统应用的严酷环境， 介绍了一种数控专用主板的设计 。该主板一体化设计 。 并针对振动、 粉尘、 强烈电磁干扰等问题提 出了一个解决方案 ， 讨论了一些方法使之满足数控 系统要求。 关键词 数控主板连接器通讯集成C A N GL I NK 中图分类号 T P 2 1 1 文献标识码 B Th e d e s i g n o f NC s p e c i a l mo t h e r b o a r d ZHANG Za nq i u， GAO Ya n， LUO Di ， YANG S o ng s h a n， S U S h e n g l i D a l i a n G u a n g y a n g S c i e n c e＆T e c h n o l o g y E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， D a l i a n 1 1 6 6 0 0 ， C H N Ab s t r a c t Ap p l i c a t i o n o f NC s y s t e m b a s e d o n t h e h a r s h e n v i r o n me n t ，p r e s e n t s a s p e c i a l C NC d e s i g n o f t h e mo t h e r b o a r d，t h e mo t h e r b o a r d i n t e g r a t e d d e s i g n ．F o r v i b r a t i o n，d u s t ，s t r o n g e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e a n d o t he r i s s u e s p u t f o r wa r d a s o l u t i o n，d i s c u s s e d a n umb e r o f wa y s S O a s t o me e t NC Sy s t e m r e q ui r e me n t s ． Ke y wo r d sNC；Mo t h e r b o a r d；Co n n e c t o r ；Co mmu n i c a t i o n；I n t e g r a t i o n；CAN；GLI NK 数控系统是数控机床的核心 ， 而这个核心的大脑 就是数控系统的主板。其性 能、 功能和稳定性决定了 一 个数控系统的速度、 易用性和稳定性， 对数控机床的 好坏起着重要的作用。 目前市场上数控 系统多是使用普通工控 主板 ， 为 了连接数控其他硬件需要许多的接口、 连接器。面对 数控机床复杂的工作环境， 可能带来许多问题。如机 械加工的振动可能引起连接器的松动 ， 机械切削的碎 屑可能带来大量的导电粉尘 ， 或者静电粉尘这些粉尘 可能堆积在连接器接 口， 导致功能异 常 ， 甚至损坏 主 板 。面对这些问题 ， 必须找到一种方法在保证性能和 功能的同时 ， 保证主板的稳定性 。 数控专用 主板是工控 主板 的一种 ， 为 X 8 6结构 ， 具有操作 系统丰富 兼容 WI N D O WS 、 L I N U X等 、 软件 兼容性好 、 开发工具丰富 、 系统稳定 、 硬件兼容性好等 优点； 同时， 它具有非常高的集成度， 主板上整合了许 多设备， 包括内存 、 数控总线控制器等 ， 方便实用。 1 处理器与平台选择 高性能的数控产品需要有个高速的大脑， 但就处 理器来说 ， 速度和热功耗是成正比的。过高的功耗 ， 散 热就成了一个问题 ， 原来的被动式散热就需要改成主 动式散热 ， 而机械式 的风扇 ， 在大量粉尘 的工作 环境 中， 寿命会大大缩短， 一旦风扇停转又不能及时发现， 处理器和主板就可能面对烧毁 的问题。这里 ， 我们采 用的系统平 台为英特尔公 司的 P e n t i u mM P r o c e s s o r 与 Mo b i l e I n t e l 9 1 5 G M E x p r e s s C h i p s e t 。1 ． 4 G H z的 速度与单片 1 0 w左右的热设计功耗满足我们的需 求 2 整合功 能外设 与板型选择 2 ． 1 普通工控主板 普通工控主板的结构如 图 1 ， 板载了各种接 口， 包 括内存 、 P C I 、 H D D S A T A、 I D E U S B等， 所有设备均需 要通过这些接 口连接到主板上 ， 实现各个功能。图 2 键盘 鼠标使用的 P S ／ 2端 口的公头 、 母头 ， 这种端子可 以随意插拔 ， 无锁 死装置。图 3所 示为 U S B插 接端 子， 该端子同样没有锁死装置。U S B和 P S ／ 2这样的 接口就可能在数控系统中遇到振动或者人为误触碰脱 落， 导致系统故障。 图4 为内存的插接方式有锁死装 [ 6 ] 宋军民， 周晓峰． 液压与气动技术[ M] ． 北京 中国劳动社会保障出 版社 ， 2 0 0 9 ． 第一作者 张建成， 男， 1 9 7 1 年生， 工学博士， 副教 授 ， 主要研 究方向为开放式数控 系统、 运动控 制技术 ， 8 6 已发表论文 1 0多篇 。 编辑谭弘颖 收 稿日 期 2 0 1 1 1 0 0 8 文章编号 1 2 0 1 2 4 如果您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入 读者意见调查表中的相应 位置。 2 O ； l ‘ 平 弗I 删